Faculté des sciences de base SB, Section de physique (Laboratoire de spectroscopie ultrarapide LSU)

Solvent effects on the ultrafast dynamics of the retinal chromophore of bacteriorhodopsin

Zgrablic, Goran ; Chergui, Majed (Dir.) ; Haacke, Stefan (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3493.

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    Summary
    Photo-induced excited-state reactions stand in the center of function of the photosensitive biological systems. These reactions can be accompanied by structural changes of the chromophore (for example isomerization) which are influenced by the nearest environment of the chromophore, and vice versa. In bacteriorhodopsin (bR), the effects of the protein environment are crucial to assure high rate and outstanding bond selectivity of isomerization. In order to identify if these effects are of steric or electrostatic origin, we carried out an extensive femtosecond time resolved fluorescence study on the retinal chromophore of bR in a large class of solvents. The latter differ in viscosity, dielectric constant, polarizability and hydrogen bonding abilities. To carry out this study a novel experimental setup – the polychromatic fluorescence up-conversion, has been designed and constructed that allows broad band detection of the fluorescence spectra, with the time resolution of 100 fs. It is found that in all studied solvents here essential part of the ultrafast excited-state dynamics is dominated by intramolecular processes. Indeed, the relaxation times and the period of the vibrational coherences, which are the markers of the protein-solvent difference, do not show significant dependence with respect to viscosity and/or to dielectric constant of studied solvents. Additionally, we find that in solvents that are able to evacuate the excess energy from the Franck-Condon zone, the chromophore is less likely to take a non-reactive path (return to the initial state). Consequently, the photoisomerization efficiency gets enhanced. Nevertheless, this solvent-induced enhancement is far smaller than the enhancement induced by the photocatalytic effect of the protein binding pocket. These observations lead us to conclude that in fact the dynamics of isomerization in protein are essentially determined by steric effects.
    Résumé
    Les réactions photo induites d'états excités sont au centre de la fonction des systèmes biologiques photosensibles. Ces réactions peuvent être accompagnées par des changements structuraux du chromophore (par exemple l'isomérisation) qui sont affectés par l'environnement le plus proche du chromophore, et vice versa. Dans la bacteriorhodopsine (bR), les effets d'environnement de la protéine sont cruciaux pour assurer un taux élevé et une grande sélectivité de l'isomérisation. Afin d'identifier si ces effets ont une origine stérique ou électrostatique, on a mesuré la fluorescence résolue en temps l'échelle femtoseconde, du chromophore rétinal de la bR dissous dans des différents solvants. Ces derniers ont été choisis parce qu'ils varient par leur viscosité, constante diélectrique, polarisabilité et capacité de formation des liaisons hydrogène. Pour réaliser cette étude, un nouveau type d'expérience – la conversion de fluorescence avec détection polychromatique (polychromatic fluorescence up-conversion), a été conçu et construit, qui permet la détection de la fluorescence dans une large bande spectrale, avec une résolution temporelle de 100 fs. Il a été montré que dans tous les solvants étudiés, l'essentiel de la dynamique ultrarapide de l'état excité est dominée par des processus intramoléculaires. En effet, les marqueurs de la différence protéine-solvant que sont les temps de relaxation et les périodes des cohérences vibrationnelles, ne montrent pas de dépendance significative avec la viscosité et/ou la constante diélectrique des différents solvants utilisés. En outre, on a trouvé que pour les solvants évacuant plus efficacement l'énergie en excès de la zone Franck-Condon, le chromophore a moins de probabilité de prendre le chemin non réactif (retour vers l'état initial). En conséquence, l'efficacité d'isomérisation est améliorée. Néanmoins, cette amélioration induite par le solvant reste beaucoup plus faible que l'amélioration induite par l'effet photocatalytique de la cavité de la protéine. Ces observations nous amènent à conclure que ce sont essentiellement des effets stériques qui déterminent la dynamique d'isomérisation dans la protéine.