Universiẗat, Diss., 2004--Düsseldorf.

No description available.

Un changement de pH peut induire une modification des propriétés chimiques et physiques des molécules, par exemple leur interaction avec la lumière. La modélisation de tels phénomènes est complexe en raison de l’ensemble statistique des états de protonation microscopiques et de la nature quantique de la propriété étudiée. Dans cette thèse, nous présentons un protocole de calcul qui associe une méthode capable d'échantillonner à la fois ces micro-états et les changements structuraux à un pH donné, et un cadre traitant la partie pertinente de la macromolécule avec des traitements avancés de mécanique quantique et le reste du système avec la mécanique moléculaire classique. Nous rapportons également la validation de ce protocole sur le relativement petit peptide M et son application à la rhodopsine sensorielle d'Anabaena, une protéine microbienne. Nous avons pu révéler quels sont les acides aminés titrables responsables du spectre d'absorption dépendant du pH de cette biomolécule / A change in the pH can modify the chemical and physical properties of molecules such as the way they interact with light. Modeling such phenomena is complex, because of the statistical ensemble of microscopic protonation states and of the very quantum nature of the property of interest. In this thesis, we present a computational protocol which merges a method capable of sampling at the same time these microstates and the structural changes at a given pH, and a framework treating the relevant portion of the macromolecule with advanced quantum mechanics treatments and the rest of the system with classical molecular mechanics. We also report the validation of this protocol on the relatively small peptide M and its application to the anabaena sensory rhodopsin, a microbial protein. We have revealed which are the titratable amino-acids responsible for the pH-dependent absorption spectrum of this biomolecule

Channelrhodopsin 2 (ChR2) aus dem Augenfleck von C. rheinhardtii gehört zur Gruppe der mikrobiellen Rhodopsine (Typ1-Rhodopsine). ChR2 besteht aus einem extrazellulär gelegenen N-Terminus, 7 Transmembranhelices und einem zytosolisch gelegenen C-Terminus. Der lichtreaktive Bestandteil (Chromophor) all-trans-Retinal ist via Schiff´ Base kovalent an ein Lysinrest der siebten Transmembranhelix gebunden. Bei Applikation von Blaulicht isomerisiert all-trans- zu 13-cis-Retinal, was in einer Konformationsänderung und dem Öffnen des Kanals resultiert. Abhängig vom elektrochemischen Gradienten können ein- und zweiwertige Kationen in die Zelle ein- oder aus der Zelle herausströmen. Eine retinalabhängige Stabilität konnte bereits für Bakteriorhodopsin (BR) bestätigt werden (Booth, Farooq et al. 1996, Turner, Chittiboyina et al. 2009, Curnow and Booth 2010), bezüglich ChR2 waren bisher nur wenige Daten verfügbar (Hegemann, Gartner et al. 1991, Lawson, Zacks et al. 1991). Die heterologe Expression von wildtypischem und modifiziertem ChR2 in Oozyten von X. laevis erlaubte einen detaillierteren Einblick in die retinalabhängige Stabilität und pH-abhängige Dunkelleitfähigkeit von Guanidinium. Wildtypisches Chop2 zeigte bei Zugabe von Retinal zum Inkubationsmedium, direkt nach RNA-Injektion, Stromamplituden im µA-Bereich und deutliche Fluoreszenzintensitäten. Ausschließlich endogen vorhandenes Retinal hatte verminderten Fluoreszenzen und Stromamplituden zur Folge, was auf ein geringes Vorhandensein von Chop2-Proteinen in der Plasmamembran hindeutete. Da die Inkubation über Nacht in retinalsupplementierter Lösung nur eine minimale Erhöhung des resultierenden Stromes erbrachte, deuten die in dieser Arbeit erhaltenen Ergebnisse stark auf eine verminderte Stabilität des Proteins bei fehlender Bindung des Kofaktors Retinal. Das Einfügen einer aromatischen Aminosäure (Y/F/W) an Position 159 führte zu einer, von der Retinalsupplementation unabhängigen, in beiden Ansätzen gleichwertigen Expressionsstärke. Diese äusserte sich in äquivalenten Fluoreszenzintensitäten. Die erhaltenen Stromamplituden wiesen eine starke Differenz auf: ohne Zugabe zusätzlichen Chromophors lag die Stromstärke bei nur wenigen Nanoampere, die bei Inkubation in einer retinalhaltigen Lösung über Nacht auf das Niveau von retinalsupplementierten Oozyten anstieg. Des Weiteren konnte die Zunahme der Stromamplitude innerhalb von 15 Minuten beobachtet werden, wenn die vermessenen Oozyten mit einer retinalhaltigen Lösung perfundiert wurden. Zusammengefasst weisen die Ergebnisse auf eine Stabilisierung des aromatisch substituierten Proteins hin. Bei der von Berndt et al. (2011) beschriebenen Mutante T159C konnten diese Eigenschaften nicht nachgewiesen werden. Die Modifikation der Retinalbindestelle (K257) in Verbindung mit einer aromatischen Substitution an Position 159 resultierte in deutlichen Fluoreszenzintensitäten, unabhängig von der Retinalverfügbarkeit bei, in beiden Fällen, fehlenden lichtaktivierten Strömen. Diese und die gleichwertigen Bandenstärken des Proteinimmunoblots von aromatisch substituierten ChR2-Varianten unterstützen die Hypothese der retinalunabhängigen Stabilität zusätzlich. Die Ergebnisse legen, im Falle von Chop2-WT, eine Degradation des Apoproteins nahe. Bei Einfügen einer aromatischen AS an Position 159 ist das Apoprotein davor geschützt (siehe Abb. 75). Infolge der strukturellen Similarität, dem Vorhandensein delokalisierter π-Elektronen und der räumlichen Größe der aromatischen AS ist eine strukturelle Veränderung des Apoproteins denkbar, die eine Degradation aufgrund von nunmehr unzugänglichen Ubiquitinierungsstellen verhindert. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass sich bei fehlender Bindung des Kofaktors Wassermoleküle in der Nähe der Bindetasche befinden, welche von umliegenden Aminosäuren (u.a. T159, D156) unter großem Energieaufwand koordiniert werden und die strukturelle Integrität bis hin zur Degradation beeinträchtigen können. Dies könnte durch eine Erhöhung der Hydrophobizität bei Einfügen einer aromatischen Aminosäure verhindert werden. Bei Substitutionen durch eine aromatische AS (Y/W/F) an Position 159 zeigte sich ein weiteres, bisher nicht beschriebenes, Charakteristikum. Bei Perfusion der Oozyten mit einer guanidiniumhaltigen Lösung, konnten in Abhängigkeit des pH-Wertes ohne die Applikation von Licht Stöme im µA Bereich aufgezeichnet werden. Die Größe der Stromamplitude korreliert hierbei mit dem Anstieg des pH-Wertes und der Konzentration an Guanidiniumionen der perfundierten Lösung und kann durch das Hinzufügen von 1mM Lanthan reversibel geblockt werden. Des Weiteren konnten die vorgenommenen Messungen die Ergebnisse der retinalabhängigen Degradation verifizieren, da der Einstrom von Gua+ sowohl bei retinalsupplementierter Inkubation, als auch bei ausschließlich endogen vorhandenem Retinal zu beobachten war. Des Weiteren zeigte auch die Doppelmutante T159Y/K257R trotz ihres Unvermögens Retinal zu binden, die beschriebenen lichtunabhängigen Ströme. Die Ergebnisse bei Substitution durch Phenylalanin (F) stellen eine Abweichung des Musters dar. Bei Inkubation von T159F-injizierten Zellen bei ausschließlich endogen vorhandenem Retinal konnte eine stark erhöhte Guanidiniumleitfähigkeit festgestellt werden, diese kam jedoch bei retinalsupplementierter Inkubation nicht zum Tragen. Dies könnte ein Hinweis auf eine sterische Hinderung durch das gebundene Chromophor sein, die bei den Substitutionen durch Tyrosin und Tryptophan, möglicherweise durch unterschiedliche chemische Eigenschaften der AS, nicht auftreten. Die hervorgerufene pH-Abhängigkeit kann in zwei möglichen Ursachen begründet liegen: • Vorhandensein einer (de)protonierbaren Gruppe wie Histidin, Arginin oder Lysin, die als pH-Sensor dienen könnte • Deprotonierung der Schiff´ Base durch Guandininium Das Vorhandensein eines pH-Sensors konnte durch die vorgenommenen Modifikationen von H114, R115, R120 und H249 nicht bestätigt werden. Bei Substitution von K257 (in Verbindung mit T159Y) zu Arginin (R) konnte weiterhin ein pH-abhängiger Gua+-Dunkelstrom festgestellt werden. Die Modifikation zu Alanin (A) oder Glutamin (Q) hingegen resultierte im Ausbleiben der Ströme. Der Austausch einer basischen zu einer neutralen Gruppe ohne protonierbaren Rest deutet auf die Beteiligung der Schiff´ Base bzw. der Aminosäure an Position 257 am Mechanismus der Dunkelleitfähigkeit hin. / Channelrhodopsin 2 (ChR2) from the eyespot of C. rheinhardtii belongs to the group of microbial-type rhodopsins (Type1-rhodopsins). It consists of an extracellular N-terminus, seven transmembranehelices and a cytosolic C-terminus. The light-reactive element (Chromophor) all-trans-retinal is covalently bound to a lysine of the seventh transmembrane helix via Schiff´ Base. The isomerisation from all-trans- to 13-cis-Retinal after illumination leads to a conformational change within the protein, resulting in the opening of the channel and thereby in an in- or efflux of mono- and divalent cations, depending on the electrochemical gradient. For bacteriorhodopsin (BR) a retinal dependent stability could be confirmed (Booth, Farooq et al. 1996, Turner, Chittiboyina et al. 2009, Curnow and Booth 2010), concerning ChR2 only limited data is available (Hegemann, Gartner et al. 1991, Lawson, Zacks et al. 1991). Heterologous expression of wildtype (WT) and mutant ChR2 in the oocytes of X. laevis revealed a more detailed insight into retinal dependent stability and pH-dependent conductance of guanidinium without the application of light. ...

No description available.

This thesis focuses on the ultrafast isomerization reaction of retinal in both rhodopsin and bacteriorhodopsin, examples of sensory and energy transduction proteins that exploit the same photoactive chromophore for two very different functions. In bacteriorhodopsin, retinal isomerizes from an all-trans to 13-cis conformation as the primary event in light- driven proton pumping. In the visual pigment rhodopsin, the retinal chromophore isomerizes from an 11-cis to all-trans geometry as the primary step leading to our sense of vision. This diversity of function for nominally identical systems raises the question as to just how optimized are these proteins to arrive at such drastically different functions? Previous work has employed transient absorption spectroscopy to probe retinal protein photochemistry, but many of the relevant electronic and nuclear dynamics of isomerization are masked by inhomogeneous broadening effects and strong spectral overlap between reactant and photoproduct states. This work exploits the unique properties of two-dimensional photon echo spectroscopy to deconvolve inhomogeneous broadening and spectral overlap effects and fully reveal the dynamics that direct retinal isomerization in proteins. In bacteriorhodopsin, vibrational coupling to the reaction coordinate results in a surface crossing event prior to the conventional conical intersection associated with isomerization to the J intermediate. In rhodopsin, however, a similarly early vibrationally-mediated barrier crossing event is observed, resulting in spectral signals consistent with the known photoproduct state appearing an order of magnitude faster than determined from conventional transient absorption measurements. The competing overlapping spectral signals that obscured the initial dynamics when probed with transient absorption spectroscopy are now clearly resolved with two-dimensional photon echo spectroscopy. These experiments illustrate the critical role of the protein in directing the outcome of retinal photochemistry. The protein controls the reaction pathway through steric interactions between the binding pocket and the retinal chromophore, the result of which directly sets the isomerization coordinate and indirectly controls the vibrational coupling to the reaction coordinate based on the local retinal structure. The new insight from this work is the extraordinary degree of selective vibrational coupling involved in directing the isomerization reaction in retinal proteins.

This thesis focuses on the ultrafast isomerization reaction of retinal in both rhodopsin and bacteriorhodopsin, examples of sensory and energy transduction proteins that exploit the same photoactive chromophore for two very different functions. In bacteriorhodopsin, retinal isomerizes from an all-trans to 13-cis conformation as the primary event in light- driven proton pumping. In the visual pigment rhodopsin, the retinal chromophore isomerizes from an 11-cis to all-trans geometry as the primary step leading to our sense of vision. This diversity of function for nominally identical systems raises the question as to just how optimized are these proteins to arrive at such drastically different functions? Previous work has employed transient absorption spectroscopy to probe retinal protein photochemistry, but many of the relevant electronic and nuclear dynamics of isomerization are masked by inhomogeneous broadening effects and strong spectral overlap between reactant and photoproduct states. This work exploits the unique properties of two-dimensional photon echo spectroscopy to deconvolve inhomogeneous broadening and spectral overlap effects and fully reveal the dynamics that direct retinal isomerization in proteins. In bacteriorhodopsin, vibrational coupling to the reaction coordinate results in a surface crossing event prior to the conventional conical intersection associated with isomerization to the J intermediate. In rhodopsin, however, a similarly early vibrationally-mediated barrier crossing event is observed, resulting in spectral signals consistent with the known photoproduct state appearing an order of magnitude faster than determined from conventional transient absorption measurements. The competing overlapping spectral signals that obscured the initial dynamics when probed with transient absorption spectroscopy are now clearly resolved with two-dimensional photon echo spectroscopy. These experiments illustrate the critical role of the protein in directing the outcome of retinal photochemistry. The protein controls the reaction pathway through steric interactions between the binding pocket and the retinal chromophore, the result of which directly sets the isomerization coordinate and indirectly controls the vibrational coupling to the reaction coordinate based on the local retinal structure. The new insight from this work is the extraordinary degree of selective vibrational coupling involved in directing the isomerization reaction in retinal proteins.

Neotropical cichlid fishes are highly diverse and occupy diverse environments. Visual pigment evolution has been important in the diversification of African rift lake cichlids, but little is known of Neotropical cichlid visual systems. This thesis addresses the molecular evolution of rhodopsin in the Geophagini tribe of Neotropical cichlids. We use likelihood-based codon models of molecular evolution and newly isolated sequences for Neotropical cichlid rhodopsin to compare patterns of selective constraint among Neotropical, African rift lake, and African riverine cichlid rhodopsin. We provide evidence for differences in selective constraint among clades, with positive selection occurring in the Neotropical and African rift lake clades. Further, we find variation in selective constraint within geophagine cichlids. Our results suggest that Clade model C may be more appropriate than branch-site models for investigating variation in selective constraint among clades. Neotropical cichlids are emerging as an excellent system for investigating molecular evolution in visual pigments.

Neotropical cichlid fishes are highly diverse and occupy diverse environments. Visual pigment evolution has been important in the diversification of African rift lake cichlids, but little is known of Neotropical cichlid visual systems. This thesis addresses the molecular evolution of rhodopsin in the Geophagini tribe of Neotropical cichlids. We use likelihood-based codon models of molecular evolution and newly isolated sequences for Neotropical cichlid rhodopsin to compare patterns of selective constraint among Neotropical, African rift lake, and African riverine cichlid rhodopsin. We provide evidence for differences in selective constraint among clades, with positive selection occurring in the Neotropical and African rift lake clades. Further, we find variation in selective constraint within geophagine cichlids. Our results suggest that Clade model C may be more appropriate than branch-site models for investigating variation in selective constraint among clades. Neotropical cichlids are emerging as an excellent system for investigating molecular evolution in visual pigments.

Typescript. / Thesis (Ph. D.)--University of Hawaii at Manoa, 1984. / Bibliography: leaves 181-186. / Microfiche. / lMaster negative: Microfiche MS33173. / xiii, 186 leaves, bound ill. 29 cm