Das aus dem Apoprotein Opsin und dem kovalent gebundenen Liganden bestehende Rhodopsin dient als Modellsystem für den Aktivierungsmechanismus der größten Klasse von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCR). Infolge einer photochemischen Reaktion vollführt Rhodopsin eine Bewegungsabfolge von Sekundärstrukturelementen, wodurch es aktiviert wird, das G-Protein bindet und den Stimulus auf zellinterne Signalwege überträgt. Mithilfe der ortsspezifischen Mutagenese wurden Mutanten des bovinen Rhodopsins erzeugt, in eine künstliche Lipidumgebung eingelagert und hauptsächlich mittels FTIR-Spektroskopie untersucht. Anhand der Y191F- und Y192F-Mutanten konnte die Translokation des transienten Gegenions der Schiffschen Base Glu181 während der Aktivierung bestimmt werden. Die Interaktionen des Tyr206 sind für die gekoppelte Bewegung von EL2 und TM5 mitbestimmend, was mittels Y206F-Mutante gezeigt wurde. Eine Anhäufung von Methioninen auf der cytoplasmatischen Seite des Rezeptors ist u.a. für das Ausklappen der TM6 zuständig. Diese Bewegung ist wichtige Determinante der Rezeptoraktivierung. Hierfür wurden insgesamt fünf Mutanten verwendet. Im zweiten, hauptsächlichen Teil der Arbeit wird das bislang kaum untersuchte humane Rhodopsin mit dem bovinen Rezeptor verglichen. Ausgehend von verschiedenen Dunkelzuständen, konnte gezeigt werden, dass die Aktivierungsmechanismen beider Rezeptoren voneinander divergieren, um letztlich bei der Bildung der aktiven Spezies wieder zu konvergieren. Über die Analyse der Aminosäuresequenzen der Mammalia-Rhodopsine wurden zwei Bereiche hoher Variabilität identifiziert, die u.a. die molekulare Ursache für diese Diskrepanzen liefern. Diese Feststellung wurde mit human-bovinen-Rhodopsinchimären bewiesen. Ergänzend zu dieser Studie wurde Schafsrhodopsin einem Vergleich sowohl mit bovinem als auch mit humanem Rezeptor unterzogen. Es zeigte, als eine weitere natürlich vorkommende Variante des Lichtrezeptors, einen eigenständigen Weg der Aktivierung. / Rhodopsin, which consists of the apoprotein opsin and its covalently bound ligand, is used as a model system to understand the activation mechanism of the large family of G protein coupled receptors (GPCRs). As a result of a photochemical reaction, rhodopsin undergoes activating structural changes, enabling it to bind the G protein and transmitting the stimulus to intracellular signaling pathways. In the first part of this work, site-directed mutants of bovine rhodopsin were produced, incorporated into an artificial lipid environment, and studied mainly by FTIR spectroscopy. The translocation of the transient Schiff base counterion (Glu181) during the activation process was determined using the Y191F- and Y192F-mutants. The interactions of Tyr206 contributed to the coupled movement of EL2 and TM5, which was shown by Y206F-mutant. A striking accumulation of methionines on the cytoplasmic side of the receptor was observed to be a key-player for the activating outward motion of TM6. In the second and primary part of this work, human rhodopsin, which has been rarely studied, was compared with the bovine receptor. Starting from various dark states, it was shown that the activation mechanisms of both receptors diverge from each other and yet ultimately converge in the formation of the active species. By analyzing the amino acid sequences of mammalian rhodopsins, two regions of high variability were identified, which provide the molecular basis for these discrepancies. This finding was verified by the investigation of human/bovine rhodopsin chimeras. In addition to this study, ovine rhodopsin was compared with both the bovine and human forms. It showed, as another naturally occurring variant of the light receptor, an independent pathway of activation.

In der vorliegenden Arbeit wurde der lichtinduzierte Reaktionszyklus des bakteriellen Phytochroms Agp2 aus Agrobacterium tumefaciens mit FTIR‑ und UV‑Vis‑Spektroskopie untersucht. Der Photorezeptor besteht aus einem photosensorischen Modul und einer signalgebenden Histidin-Kinase-Domäne. Das photosensorische Modul bindet das Tetrapyrrol Biliverdin als Chromophor. Der Grundzustand von Agp2 (Pfr, 750 nm) ist gegenüber dem lichtaktivierten Zustand (Pr, 700 nm) rotverschoben, weshalb Agp2 den Bathyphytochromen zugeordnet wird. Die Untersuchungen erfolgten unter Verwendung von Isotopenmarkierung, H/D-Austauschexperimenten und ortsspezifischer Mutagenese. Daraus ließen sich folgende molekulare Änderungen charakterisieren, welche im Reaktionszyklus von Agp2 erfolgen: Die lichtinduzierte Isomerisierung des Chromophors führt zu einem Übergang vom Pfr- in den Pr-Zustand, wobei zwei Intermediate, Lumi‑F und Meta‑F, durchlaufen werden. Neben der Konformationsänderung des Chromophor‑D‑Rings ist auch die C‑Ring-Propionsäureseitenkette an der Photoreaktion beteiligt. Die C-Ring-Propionsäureseitenkette ist im Pfr-Zustand protoniert und wird im Übergang von Meta-F zu Pr deprotoniert. Der Pr-Zustand weist eine pH-Abhängigkeit auf, welche auf die pH-abhängige Ladung des Histidins 278 der Chromophortasche zurückzuführen ist. Je nach Ladung des Histidins 278 wird die Keto‑ bzw. Enolform der C(19)=O‑Gruppe des D‑Rings stabilisiert. Die Keto/Enol-Tautomerie ist auf eine innerhalb des Chromophors erfolgende Protontranslokation zurückzuführen und moduliert die Relaxation in den Pfr-Zustand. Änderungen der Amid-I-Absorption im Pfr-Pr-Übergang werden der Umstrukturierung der Tongue-Region des photosensorischen Moduls von einer Alpha-helikalen zu einer Beta‑Faltblatt-Struktur zugeordnet. Diese Strukturänderung wird als möglicher Weg der proteininternen Signaltransduktion zwischen photosensorischem und signalgebendem Modul vorgeschlagen. / In this thesis the light-induced reaction cycle of the bacterial phytochrome Agp2 from Agrobacterium tumefaciens was investigated using FTIR and UV‑vis spectroscopy. The photoreceptor comprises a photosensitive module and a signalling histidine kinase domain. The photosensitive module binds the biliverdin tetrapyrrol as chromophore. The Agp2 ground state (Pfr, 750 nm) is red-shifted in comparison with its light-activated state (Pr, 700 nm). Therefore, Agp2 is assigned to the group of bathy phytochromes. The investigations were conducted using isotopically labelled protein, labelled chromophore as well as hydrogen‑deuterium (H‑D) exchange and site-directed mutagenesis. Based on these the following molecular changes could be characterized that occur in the reaction cycle of Agp2: The light-induced isomerization of the chromophore leads to a transition from the Pfr to the Pr state, involving two intermediates, Lumi-F and Meta-F. Besides conformational changes of the chromophore D-ring, the C-ring propionic side chain is involved in the photoreaction as well. The C-ring propionic side chain is protonated in the Pfr state and gets deprotonated in the Meta-F to Pr transition. The Pr state exhibits pH‑dependent alterations which can be explained by pH dependent polarity changes of histidine 278 in the chromophore pocket. Depending on the charge of histidine, the D‑ring C(19)=O group is stabilized either in keto or enol form. The keto/enol tautomerism involves a proton translocation within the chromophore and modulates the relaxation to the Pfr state. The changes in the amide I region in the Pfr-Pr transition are associated with an alpha‑helix to beta‑sheet secondary structure change of the PHY domain tongue‑region. This structural change is proposed as the potential path of signal transduction between the photosensitive and the signalling module.