Membrane proteins which comprise approximately a third of all proteins are classified for their roles in specific cell signalling, catalysis of metabolic reactions and transport of ions and molecules. One specific membrane protein, called proteorhodopsin (PR) belongs to the family of microbial rhodopsins and functions as a light-driven proton pump. Its lysine residue (Lys231) on helix G forms a Schiff base (C=N) with retinal, its chromophore which photo-isomerizes from the all-trans to the 13-cis form. Photo-isomerization initiates a photocycle, with distinct intermediates (K, M, N, and O). This study tries to emphasize the importance of interactions occurring between the membrane bilayer and PR by examining the kinetics of its photocycle and structure of the retinal chromophore using time-resolved spectroscopy in the visible range and static Raman spectroscopy. Some of the parameters of the membrane that were found to be important include protein to lipid ratio, bilayer thickness, bilayer fluidity and surface charge. The main conclusion is that PR has a very fast photocycle in negatively charged membranes, but a slower photocycle in positively charged ones, as well as in more rigid, thicker membranes. These slower cycles can originate from 1) suppression of conformational changes by the rigid bilayer or dehydration; 2) lack of available protons due to surface charge and 3) impeded isomerization.

La synthèse de l'adénosine triphosphate (ATP) est un événement clé dans la bioénergétique cellulaire. ATP synthesis est possible quand un gradient de potentiel électrochimique de protons est présent sur les membranes des cellules ou des organelles. Ce gradient est produit par les réactions d'oxydoréduction ou les réactions photochimiques qui sont contrôlées par l'enzyme. Bactériorhodopsine (bR) est la protéine la plus simple et la plus étudiée qui convertit l'énergie lumineuse en potentiel électrochimique. bR est un protéine transmembranaire de Halobacterium salinarum. bR absorbe des photons de lumière et transmet un proton à partir du cytoplasme vers l'espace extracellulaire. Grâce à sa disponibilité en relativement grandes quantités, la procédure de purification facile et stable, bR reste un des protéines membranaire les plus étudiés au cours des 40 dernières années.Pour comprendre le mécanisme moléculaire de la bR fonctionnement il faut connaître les changements structurels, provoqués par l'absorption de photon, qui accompagnent le cycle de travail des protéines et poussent à transporter le proton. Cela implique l'obtention des structures cristallographiques de bR état fonctionnel avec une résolution atomique. Selon cette approche, il est important d'avoir les cristaux protéiques très ordonnés et les méthodes de fixage des molécules de protéines dans les états intermédiaires. Les méthodes de fixage dans des conditions cryogéniques ont été développées précédemment. Les cristaux de la qualité désirée peuvent être obtenus par la cristallisation in meso où lipide mésophase bicontinue est utilisé pour la cristallisation des protéines membranaires.Le mécanisme de la cristallisation in meso est actuellement étudié pauvrement. Cette situation limite grandement son application potentielle pour des protéines membranaires. Malgré ses limites l’approche in meso a récemment permis d'obtenir les structures de base ainsi que les structures intermédiaires des états de bR. Cependant, différents groupes de scientifiques ont publié de différents structures cristallographiques des mêmes états intermédiaires. Les mécanismes de protons transport proposés par des auteurs différents sont contradictoires. Les raisons de l'absence de consensus dans les structures intermédiaires restent floues. Les raisons possibles discutées dans la littérature sont: la qualité insuffisante de la diffraction des cristaux protéiques, twinning merohedral et détérioration des cristaux par l'irradiation de rayonnement X, ainsi que la génération de nouvelles protéines états provoqués par rayons X.L'objectif de l'étude était de trier les raisons de contradictions dans le domaine de l'analyse cristallographique de bR états fonctionnels et de trouver des moyens de surmonter les problèmes connexes. Ceci implique plusieurs sous-objectifs distincts: l'étude de twinning merohedral de bR cristaux; étude des changements dans la structure bR induit par les 'irradiation de rayonnement X; étude des changements structurels dans bR par les petites doses de radiations. Un autre objectif de ce travail était d'étudier un rôle de molécules de la matrice de in meso cristallisation dans la stabilisation des cristaux de protéines membranaires. / The synthesis of adenosine triphosphate (ATP) is a key event in the cell bioenergetics. ATP synthesis is only possible when a proton electrochemical potential gradient is present on the membranes of cell or organelle. This gradient is produced by enzyme-controlled redox or photochemical reactions. Bacteriorhodopsin (bR) is the simplest and most studied protein that converts light energy into electrochemical potential. Being transmembrane protein of Halobacterium salinarum it absorbs light photon and transfers a proton from the cytoplasmic to the extracellular space. Due to its availability of relatively large quantities, easy purification procedure and protein stability bR remains one of the most extensively studied membrane proteins during the past 40 years.Current state of investigated problems. To understand the molecular mechanism of bR functioning is necessary to know the structural changes caused by light absorption which accompany the protein working cycle and lead to the directional transport of the proton. It implies obtaining of X-ray structures of bR functional states with atomic resolution. Following this approach it is important to have highly ordered three-dimensional protein crystals on the one hand and effective methods of trapping protein molecules in intermediate states on the other one. Trapping procedures for bR intermediate states under cryogenic conditions have been developed previously. Crystals of the desired quality can be obtained by in meso crystallization where lipid bicontinuous mesophase is used for the crystallization of membrane proteins. The mechanism of in meso crystallization is currently poorly investigated. This situation greatly limits its potential applicability for membrane proteins. Despite its limitations in meso approach have recently made possible to obtain the ground and some intermediate states structures of bR. However, different scientific groups have published different X-ray models of the same bR intermediate states. The proposed by different authors mechanisms of proton transport are contradictory. The reasons for the lack of the consensus in intermediate structures remain unclear. The possible reasons for this contradiction which have been discussed in literature are: insufficient quality of diffraction data, merohedral twinning and radiation damage of protein crystals, as well as the generation of new protein states caused by X-ray illumination.The aim of the study was to sort out the reasons for contradictions in the field of X-ray crystallographic analysis of bR functional states and to find ways to overcome related problems. This implies several separate subgoals: study of merohedral twinning of bR crystals; study of X-ray-radiation-induced changes in bR structure; study of low-dose radiation-induced structural changes in bR structure. An additional goal of the work was to study a role of molecules of the in meso crystallization matrix in the stabilization of membrane protein crystals.

Les techniques de spectroscopie femtoseconde permettent d’étudier les processus de conversion d’énergie dans les système organiques. Elles permettent d’étudier les populations photo-générées et leur évolution à l’échelle de ces photoréactions. Elles permettent de comprendre les transferts d’énergie et de charge intra- et inter-moléculaires à l’origine du fonctionnement de ces systèmes.La protéine de rétinal Anabaena sensroy Rhodopsin est un photocommutateur naturel, qui est étudié afin de comprendre les paramètres à l’origine de l’efficacité quantique d’isomérisation. Nous avons pu déterminer cette efficacité quantique pour les deux formes stables du rétinal ainsi que leur dynamique d’isomérisation dans les mêmes conditions expérimentales.La génération de charge dans des couches actives pour le photovoltaique organique est étudiée dans un système composé d’un mélange de PCBM et d’un donneur organique dérivé du colorant BODIPY. L’influence de la nanostructuration de la couche active sur la génération de charge est étudiée. La génération de charge est limitée dans ce système par la recombinaison des charges générées et par la diffusion des excition aux interfaces donneur-accepteur. Ces observations indiquent que l’amélioration de la nanostructuration de la couche active peut permettre d’augmenter les rendements de photo-génération de charge. / Femtosecond transient spectroscopies are used to investigate photonic energy conversion inorganic systems. These techniques allow to observe the ground and excited states of themolecules at the timescale of the photoreactions. It is used to understand the inter- andintramolecular energy and charge transfers leading to the desired photochemical process.The natural photoswiching retinal protein Anabaena sensory Rhodopsin is studied to understand the key parameters ruling the isomerisation quantum yield. We could determine the isomerisation quantum yield of both stable forms and their dynamics in the very same experimental conditions.Charge generation is investigated in small molecule bulk heterojunction active layers for organic solar cells made of PCBM and a BODIPY dye-derivative donor. The influence of the active layer morphology on charge generation is studied. The charge generation is limited by charge recombination but also by exciton diffusion to the donor-acceptor interface. The active layer morphology has to be improved to achieve more efficient organic solar cells with these materials.

Kanalrhodopsine (ChRs) sind lichtgesteuerte Ionenkanäle aus einzelligen Grünalgen, die in der Optogenetik verwendet werden. Photonabsorption führt zur Isomerisierung des Retinal-Kofaktors, was eine Reihe von Reaktionen auslöst, die als Photozyklus bezeichnet werden und die Bildung des leitenden Zustands umfassen. In dieser Arbeit wurde der Photozyklus-Mechanismus ausgewählter ChRs mittels FTIR (Fourier Transform Infrarot)- und UV-Vis-Spektroskopie, sowie Retinalextraktion und HPLC (Hochleistungsflüssigkeitschromatographie)-Analyse untersucht. Photorezeptoren sind dafür optimiert, Lichtenergie zu nutzen, um Konformationsänderungen des Proteins hervorzurufen. Dafür wird ein Teil der Lichtenergie durch eine transiente Verdrillung des Chromophors gespeichert. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass der Transfer der gespeicherten Energie zum Protein in ReaChR stark vom Protonierungszustand von Glu163 beeinflusst wird; er wird durch eine erhöhte Rigidität des aktiven Zentrums bei protoniertem Glu163 verlangsamt. In Chrimson hingegen relaxiert der Chromophor nach Photoisomerisierung, was auf einen verdrillten Chromophor im Dunkelzustand hinweist, was vermutlich für die bathochrome Verschiebung von Bedeutung ist. Zusätzlich zur Chromophorgeometrie beeinflusst der Protonierungszustand von Glu163 in ReaChR und dem homologen Glu165 in Chrimson die Stereoselektivität der Photoreaktion. Ein weiterer Faktor der Stereoselektivität ist Asp196 in ReaChR (Asp195 in C1C2), welches im Photozyklus deprotoniert. Die Bildung des leitenden Zustands in C1C2 und ReaChR geht mit einem Wassereinstrom ins Protein einher, welcher den Transport größerer Kationen erleichtert. Die Deprotonierung von Glu130 in ReaChR (Glu129 in C1C2) verändert die Ionenselektivität des Kanals, wie aus elektrophysiologischen Messungen bekannt ist. In Chrimson ist das Ausmaß des Wassereinstroms deutlich reduziert, was – in Übereinstimmung mit elektrophysiologischen Experimenten – den Transport von Protonen begünstigt. / Channelrhodopsins (ChRs) are light-gated ion channels found in single-cell algae and used in optogenetics. Photon absorption leads to isomerization of the retinal cofactor, initiating a number of reactions that are referred to as photocycle and involve formation of the ion-conducting state. In this thesis, the photocycle mechanism of selected ChRs was investigated using FTIR (Fourier Transform Infrared) and UV-Vis spectroscopy, as well as retinal extraction and subsequent HPLC (High Performance Liquid Chromatography) analysis. Photoreceptors are optimized to use photon energy to drive conformational changes of the protein. Therefore, a fraction of the photon energy is stored by a transient distortion of the chromophore. In this thesis, it is shown that in ReaChR the transfer of the stored energy to the protein is largely affected by the protonation state of Glu163, being decelerated by protonated Glu163 due to an enhanced rigidity of the active site. In contrast, the chromophore in Chrimson relaxes upon photoisomerization, hinting at a distorted retinal geometry in the dark state, which is probably essential for its unprecedented bathochromic absorption. In addition to the chromophore geometry, the protonation state of Glu163 in ReaChR and the homologue Glu165 in Chrimson affects the stereoselectivity of the photoreaction. Another factor for stereoselectivity is Asp196 in ReaChR (Asp195 in C1C2) which deprotonates in the photocycle. Formation of the ion-conducting state in C1C2 and ReaChR involves water influx into the protein, facilitating transport of larger cations. Deprotonation of Glu130 in ReaChR (Glu129 in C1C2) alters the ion selectivity of the channel as known from electrophysiological experiments. In Chrimson, the extent of water influx is drastically reduced which favors the conductance of protons in agreement with electrophysiological characterization.