Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Das Sehen beginnt mit einem molekularen Breakdance

17.11.2015

Unser Sehsinn beruht auf exakt choreographierten, ultraschnellen Molekülbewegungen.

Die Aufnahme von Licht durch Pigmente in der Netzhaut, die man Rhodopsin oder auch Sehpurpur nennt, ist die Grundlage unseres Sehsinns. Neue Experimente von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie und der University of Toronto haben gezeigt, dass der erste photochemische Schritt dieses Prozesses an der fundamentalen molekularen Geschwindigkeitsgrenze abläuft. Die Ergebnisse wurden heute online in der Fachzeitschrift Nature Chemistry vorgestellt.


Künstlerische Darstellung der Molekülbewegung in der Netzhaut.

J.M. Harms, MPSD

Der Chromophor im Rhodopsin, Retinal oder auch Vitamin-A-Aldehyd genannt, leitet seine Lichtempfindlichkeit aus einer sich wiederholenden Kette von einzeln und doppelt gebundenen Kohlenstoffatomen ab.

Die Absorption eines Photons durch Retinal führt zu einer extrem kurzzeitigen Schwächung einer bestimmten Doppelbindung, wodurch eine Rotation um diese Bindung ausgelöst wird. Wie schnell diese sogenannte Isomerisierungsreaktion tatsächlich erfolgt, konnte lange Zeit nicht genau beobachtet werden und war im Wesentlichen von den technologischen Fortschritten im Bereich gepulster Laserquellen abhängig.

Mit Femtosekunden-Lasern konnte bereits vor einiger Zeit gezeigt werden, dass die Isomerisierung innerhalb von maximal 200 Femtosekunden abläuft (das sind 200 Millionstel einer Milliardstel Sekunde) und, dass es sich dabei um eine vibrationskohärente chemische Reaktion handeln könnte. Das bedeutet, dass die Schwingungsbewegungen des Chromophors Retinal selbst bei der Steuerung der Isomerisierung mitwirken.

Mithilfe einer hochempfindlichen Methode aus der Ultrakurzzeitspektroskopie, die man heterodyne-detected transient grating spectroscopy nennt, haben Wissenschaftler in den Laboren von Professor R. J. Dwayne Miller (Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie und University of Toronto) und Professor Oliver P. Ernst (University of Toronto) die Isomerisierungsreaktion von Rinder-Rhodopsin mit beispielloser Empfindlichkeit und vorher unerreichter zeitlicher Auflösung erneut untersucht.

Diese neuen Messungen zeigten, dass die Isomerisierung auf einer Zeitskala von 30 Femtosekunden erfolgt. „Es stellt sich heraus, dass der erste Schritt des Sehens beinahe zehnmal schneller ist als bisher angenommen,“ sagt Professor Miller, „und die molekularen Bewegungen sind durch Rhodopsin perfekt choreographiert“.

Die Analyse der zeitaufgelösten experimentellen Daten enthüllt diese choreographierte Schwingungsdynamik, die sich aus örtlich begrenzten Streck-, Wipp- und Drehbewegungen zusammensetzt. „Eine solch schnelle Zeitskala stellt eine eindeutige Eingrenzung der vibrationskohärenten Reaktionskoordinate dar,“ sagt Dr. Philip Johnson, Erstautor der Studie.

„Und diese Arbeit lässt darauf schließen, dass die Reaktion lokal an der bestimmten isomerisierenden Doppelbindung angesiedelt ist.“ „Darüber hinaus findet die Isomerisierungsreaktion innerhalb einer einzelnen Periode der relevanten Drehschwingung statt,“ fügt er hinzu. „Der Begriff der vibrationskohärenten chemischen Reaktionen wird mindestens seit den 1930er Jahren verwendet, aber erst jetzt wurden sie eindeutig nachgewiesen.“

Diese Forschungsarbeit wurde von der Max-Planck-Gesellschaft, vom Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC), vom Programm Canada Excellence Research Chairs (CERC) und vom Canadian Institute for Advanced Research (CIFAR) unterstützt. Professor Miller und Professor Ernst sind Co-Direktoren des CIFAR-Programms Molekulare Architektur des Lebens, das die Details der komplexen molekularen Prozesse entschlüsselt, die allen lebenden Organismen zu Grunde liegen.

Contact person:
Prof. Dr. R. J. Dwayne Miller
Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie
Center for Free-Electron Laser Science
Luruper Chaussee 149
22761 Hamburg
Germany
+49 (0)40 8998-6200
dwayne.miller@mpsd.mpg.de

Original publication:
Philip J. M. Johnson, Alexei Halpin, Takefumi Morizumi, Valentyn I. Prokhorenko, Oliver P. Ernst, and R. J. Dwayne Miller, “Local vibrational coherences drive the primary photochemistry of vision,” Nature Chemistry 7, 980–986 (2015), DOI: 10.1038/nchem.2398

Weitere Informationen:

http://dx.doi.org/10.1038/nchem.2398 Originalpublikation
http://www.mpsd.mpg.de/forschung/ard Forschungsgruppe von Prof. Dr. R. J. Dwayne Miller
http://www.mpsd.mpg.de Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

Dr. Michael Grefe | Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht IMMUNOQUANT: Bessere Krebstherapien als Ziel
19.10.2018 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

nachricht Auf dem Weg zu maßgeschneiderten Naturstoffen
19.10.2018 | Goethe-Universität Frankfurt am Main

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: Auf dem Weg zu maßgeschneiderten Naturstoffen

Biotechnologen entschlüsseln Struktur und Funktion von Docking Domänen bei der Biosynthese von Peptid-Wirkstoffen

Mikroorganismen bauen Naturstoffe oft wie am Fließband zusammen. Dabei spielen bestimmte Enzyme, die nicht-ribosomalen Peptid Synthetasen (NRPS), eine...

Im Focus: Größter Galaxien-Proto-Superhaufen entdeckt

Astronomen enttarnen mit dem ESO Very Large Telescope einen kosmischen Titanen, der im frühen Universum lauert

Ein Team von Astronomen unter der Leitung von Olga Cucciati vom Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) Bologna hat mit dem VIMOS-Instrument am Very Large...

Im Focus: Auf Wiedersehen, Silizium? Auf dem Weg zu neuen Materalien für die Elektronik

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz haben zusammen mit Wissenschaftlern aus Dresden, Leipzig, Sofia (Bulgarien) und Madrid (Spanien) ein neues, metall-organisches Material entwickelt, welches ähnliche Eigenschaften wie kristallines Silizium aufweist. Das mit einfachen Mitteln bei Raumtemperatur herstellbare Material könnte in Zukunft als Ersatz für konventionelle nicht-organische Materialien dienen, die in der Optoelektronik genutzt werden.

Bei der Herstellung von elektronischen Komponenten wie Solarzellen, LEDs oder Computerchips wird heutzutage vorrangig Silizium eingesetzt. Für diese...

Im Focus: Goodbye, silicon? On the way to new electronic materials with metal-organic networks

Scientists at the Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) in Mainz (Germany) together with scientists from Dresden, Leipzig, Sofia (Bulgaria) and Madrid (Spain) have now developed and characterized a novel, metal-organic material which displays electrical properties mimicking those of highly crystalline silicon. The material which can easily be fabricated at room temperature could serve as a replacement for expensive conventional inorganic materials used in optoelectronics.

Silicon, a so called semiconductor, is currently widely employed for the development of components such as solar cells, LEDs or computer chips. High purity...

Im Focus: Blauer Phosphor – jetzt erstmals vermessen und kartiert

Die Existenz von „Blauem“ Phosphor war bis vor kurzem reine Theorie: Nun konnte ein HZB-Team erstmals Proben aus blauem Phosphor an BESSY II untersuchen und über ihre elektronische Bandstruktur bestätigen, dass es sich dabei tatsächlich um diese exotische Phosphor-Modifikation handelt. Blauer Phosphor ist ein interessanter Kandidat für neue optoelektronische Bauelemente.

Das Element Phosphor tritt in vielerlei Gestalt auf und wechselt mit jeder neuen Modifikation auch den Katalog seiner Eigenschaften. Bisher bekannt waren...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Natürlich intelligent

19.10.2018 | Veranstaltungen

Rettungsdienst und Feuerwehr - Beschaffung von Rettungsdienstfahrzeugen, -Geräten und -Material

18.10.2018 | Veranstaltungen

11. Jenaer Lasertagung

16.10.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Ultraleichte und belastbare HighEnd-Kunststoffe ermöglichen den energieeffizienten Verkehr

19.10.2018 | Materialwissenschaften

IMMUNOQUANT: Bessere Krebstherapien als Ziel

19.10.2018 | Biowissenschaften Chemie

Raum für Bildung: Physik völlig schwerelos

19.10.2018 | Bildung Wissenschaft

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics