Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Messungen im Femtosekundenbereich - Der biologischen Energiespeicherung auf der Spur

15.05.2008
Zellen brauchen Energie, um ihre vielfältigen Funktionen zu erfüllen und um zu überleben. Universeller Energiespeicher ist das Adenosintriphosphat, kurz ATP.

Das Molekül setzt bei Spaltung Energie frei - und kann diese mit Hilfe des Enzyms ATP-Synthase bei erneuter Bindung der Spaltprodukte wieder speichern. Im Bakterium Halobacterium salinarum ist das Protein Bacteriorhodopsin an diesem Vorgang beteiligt.

Einem Forscherteam um Professor Eberhard Riedle von der Fakultät für Physik der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München ist es nun gelungen, die ersten Reaktionsschritte nach der dazu notwendigen Photoanregung des Bacteriorhodopsin darzustellen: und zwar mit extrem kurzer Zeitauflösung von 170 Femtosekunden - das sind nur 0,000000000000170 Sekunden. Wie in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)" berichtet, diente Terahertz-Strahlung als Messsignal.

"Diese Technik eröffnet völlig neue Perspektiven", sagt Riedle. "Das gilt natürlich für den Transport von Ladungsträgern in biologischen Molekülen, wie etwa beim zellulären Stoffwechsel. Es könnten so aber auch brisante Fragen aus der biophysikalischen Chemie, der Ultrakurzzeitspektroskopie bis hin zur Entwicklung und Charakterisierung von künstlich geschaffenen Materialien für Solarzellen beantwortet werden." Das Projekt wurde im Rahmen des Exzellenzclusters "Munich Centre for Advanced Photonics (MAP)" und des Sonderforschungsbereichs (SFB) 749 "Dynamics and Intermediates of Molecular Transformation" gefördert.

Alle zellulären Prozesse beruhen auf Arbeit, und ATP liefert die dafür nötige Energie. Dieses wichtige Molekül enthält unter anderem drei Phosphate, die über energiereiche Bindungen miteinander verknüpft sind. Eben diese Energie ist es, die bei Spaltung des ATP-Moleküls frei wird und anderweitig genutzt werden kann. So entstehen zuerst das Adenosindiphosphat (ADP) mit zwei verbleibenden und dann das Adenosinmonophosphat (AMP) mit nur noch einem einzigen Phosphatrest. Aus beiden Formen kann ATP regeneriert werden. Dies ist unter anderem möglich über die so genannte Elektronentransportphosphorylierung. In Halobacterium salinarum absorbiert dazu das Bacteriorhodopsin Photonen, also sichtbares Licht, und baut einen Protonenkonzentrationsunterschied auf. "Die so gewonnene Energie treibt dann die Rückgewinnung von ATP aus seinen Spaltprodukten an", so Riedle. "Bei Bacteriorhodopsin handelt es sich also um eine photonengetriebene Protonenpumpe."

Dem Team um Riedle ist nun gelungen, die ersten Schritte dieses Protonentransfers im Bacteriorhodopsin mit extrem kurzer Zeitauflösung von nur 170 Femtosekunden direkt darzustellen. "Bei unseren Experimenten diente die Emission von Terahertz-Strahlung als Messsignal", berichtet der Physiker. "Unsere Ergebnisse zeigen, dass diese Technik eine völlig neuartige Perspekte auf den Prozesse des Ladungsträgertransports in einem biologischen Molekül liefert." Ein Terahertz entspricht 1012 Hz, der gesamte Bereich liegt zwischen der Infrarot- und der Mikrowellenstrahlung. Ursache der Terahertz-Emission ist der seit 1886 bekannte Hertzsche Dipol, ein elektromagnetischer Strahler, mit dessen Hilfe etwa Rundfunksender und auch fluoreszierende Atome und Moleküle beschrieben werden können. Die Grundlage bilden hierbei die Maxwell-Gleichungen, die vorhersagen, dass eine bewegte Ladung ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld abstrahlt.

"In einer herkömmlichen Antenne bilden negativ geladene Teilchen im Material der Antenne, das sind die Elektronen, die Ladungsträger", sagt Jürgen Hauer, einer der Experimentatoren. "Im Falle des Bacteriorhodopsins bewegen sich nach der Anregung durch Licht aber Elektronen und Protonen, also beide elementaren Ladungsträger. Dabei geben sie Strahlung im Terahertz-Bereich ab." Damit sich die Emission der einzelnen Moleküle zur makroskopischen Beobachtung addieren kann, mussten die Forscher eine Probe mit orientiertem und regelmäßig angeordnetem Bacteriorhodopsin verwenden, die von den ungarischen Kooperationspartnern hergestellt wurde. Die Bewegung der Elektronen im Protein wird durch die großen Unterschiede der Ladungsverteilung vor und nach der Anregung durch die Lichtenergie verursacht.

Der Teil des Signals, der aus der Bewegung der Protonen entsteht, bezieht sich direkt auf die biologische Rolle von Bacteriorhodopsin. Denn die Absorption eines Photons löst eine molekulare Strukturänderung eines zentralen Bestandteils des Proteins aus. Dabei wird ein Proton an eine neue Bindungsstelle gekoppelt, wodurch der biologisch so wichtige Protonenkonzentrationsunterschied entsteht. "Wir haben in dieser Untersuchung die Terahertz-Emission aus biologischen Proben erstmals erfasst", so Riedle. "Dabei wurde auch ihr Vorzug gegenüber konventionellen spektroskopischen Techniken der Absorptionsmessung deutlich: Durch die Erfassung der Terahertz-Emission wird der biologische Prozess, also die Verlagerung des Protons, direkt beobachtet. Die Technik an sich kann jetzt aber auch für ganz andere Fragestellungen, etwa in der biophysikalischen Chemie oder bei der Entwicklung von Materialien für Solarzellen, genutzt werden."

Publikation:
"THz radiation from bacteriorhodopsin reveals correlated primary electron and proton transfer processes",
G.I. Groma, J. Hebling, I.Z. Kozma, G. Váró, J. Hauer, J. Kuhl, E. Riedle,
PNAS, 13. Mai 2008
Ansprechpartner:
Professor Dr. Eberhard Riedle
Lehrstuhl für Biomolekulare Optik, Fakultät für Physik der LMU
Tel.: 089 / 2180 - 9210
Fax: 089 / 2180 - 9202
E-Mail: eberhard.riedle@physik.uni-muenchen.de

Luise Dirscherl | idw
Weitere Informationen:
http://www.bmo-physik.uni-muenchen.de

Weitere Berichte zu: ATP Bacteriorhodopsin Elektron Molekül ProTon

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Mikro-U-Boote für den Magen
24.01.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht Echoortung - Lernen, den Raum zu hören
24.01.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Scientists spin artificial silk from whey protein

X-ray study throws light on key process for production

A Swedish-German team of researchers has cleared up a key process for the artificial production of silk. With the help of the intense X-rays from DESY's...

Im Focus: Forscher spinnen künstliche Seide aus Kuhmolke

Ein schwedisch-deutsches Forscherteam hat bei DESY einen zentralen Prozess für die künstliche Produktion von Seide entschlüsselt. Mit Hilfe von intensivem Röntgenlicht konnten die Wissenschaftler beobachten, wie sich kleine Proteinstückchen – sogenannte Fibrillen – zu einem Faden verhaken. Dabei zeigte sich, dass die längsten Proteinfibrillen überraschenderweise als Ausgangsmaterial schlechter geeignet sind als Proteinfibrillen minderer Qualität. Das Team um Dr. Christofer Lendel und Dr. Fredrik Lundell von der Königlich-Technischen Hochschule (KTH) Stockholm stellt seine Ergebnisse in den „Proceedings“ der US-Akademie der Wissenschaften vor.

Seide ist ein begehrtes Material mit vielen erstaunlichen Eigenschaften: Sie ist ultraleicht, belastbarer als manches Metall und kann extrem elastisch sein....

Im Focus: Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

An Bord einer Höhenforschungsrakete wurde erstmals im Weltraum eine Wolke ultrakalter Atome erzeugt. Damit gelang der MAIUS-Mission der Nachweis, dass quantenoptische Sensoren auch in rauen Umgebungen wie dem Weltraum eingesetzt werden können – eine Voraussetzung, um fundamentale Fragen der Wissenschaft beantworten zu können und ein Innovationstreiber für alltägliche Anwendungen.

Gemäß dem Einstein’schen Äquivalenzprinzip werden alle Körper, unabhängig von ihren sonstigen Eigenschaften, gleich stark durch die Gravitationskraft...

Im Focus: Quantum optical sensor for the first time tested in space – with a laser system from Berlin

For the first time ever, a cloud of ultra-cold atoms has been successfully created in space on board of a sounding rocket. The MAIUS mission demonstrates that quantum optical sensors can be operated even in harsh environments like space – a prerequi-site for finding answers to the most challenging questions of fundamental physics and an important innovation driver for everyday applications.

According to Albert Einstein's Equivalence Principle, all bodies are accelerated at the same rate by the Earth's gravity, regardless of their properties. This...

Im Focus: Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum - einzellige Urform des Sehens

Am 24. Januar 1917 stach Heinrich Klebahn mit einer Nadel in den verfärbten Belag eines gesalzenen Seefischs, übertrug ihn auf festen Nährboden – und entdeckte einige Wochen später rote Kolonien eines "Salzbakteriums". Heute heißt es Halobacterium salinarum und ist genau 100 Jahre später Mikrobe des Jahres 2017, gekürt von der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM). Halobacterium salinarum zählt zu den Archaeen, dem Reich von Mikroben, die zwar Bakterien ähneln, aber tatsächlich enger verwandt mit Pflanzen und Tieren sind.

Rot und salzig
Archaeen sind häufig an außergewöhnliche Lebensräume angepasst, beispielsweise heiße Quellen, extrem saure Gewässer oder – wie H. salinarum – an...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Neuer Algorithmus in der Künstlichen Intelligenz

24.01.2017 | Veranstaltungen

Gehirn und Immunsystem beim Schlaganfall – Neueste Erkenntnisse zur Interaktion zweier Supersysteme

24.01.2017 | Veranstaltungen

Hybride Eisschutzsysteme – Lösungen für eine sichere und nachhaltige Luftfahrt

23.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Im Interview mit Harald Holzer, Geschäftsführer der vitaliberty GmbH

24.01.2017 | Unternehmensmeldung

MAIUS-1 – erste Experimente mit ultrakalten Atomen im All

24.01.2017 | Physik Astronomie

European XFEL: Forscher können erste Vorschläge für Experimente einreichen

24.01.2017 | Physik Astronomie