Die Photophysik und Photochemie von Flavinen sind aufgrund ihrer biologischen Funktion, inbesondere von Flavoproteinen, von großen Interesse. Flavoproteine spielen eine große Rolle in einer Vielzahl von biologischen Prozessen, z.B. Biolumineszenz, Entfernung von Radikalen, die bei oxidativem Stress entstehen, Photosynthese und DNA-Reparatur. Die spektroskopischen Eigenschaften des Flavin-Cofaktors machen diesen zu einem natürlichen Reporter für Veränderungen innerhalb des aktiven Zentrums. Deshalb sind die Flavoproteine eine der am meisten untersuchten Enzymfamilien. Eine biologische Aktivität des Flavins führt über einen elektronisch angeregten Zustand, wo dann, abhängig von der Aminosäureumgebung, ein bestimmter Mechanismus zu einem biologischen Prozess führt (Photozyklus).
Ein wichtiges Analysetool zum Verständnis des anfänglichen Photoanregungsschritts der Flavine sind die elektronische und die Schwingungsspektroskopie.
In dieser Arbeit wurden die Prozesse von Riboflavin (RF) während und nach optischer Anregung mit theoretischen Mitteln beleuchtet. Dazu wurden quantenchemische Berechnungen für Schwingungsspektren (vibratorische) von Riboflavin, auch Laktoflavin oder Vitamin B2 genannt, dem Grundmolekül der Chromophore biologischer Blaulichtrezeptoren, in dessen elektronischem Grundzustand und dessen niedrigsten angeregten Zustand durchgeführt. Weiterhin wurden vibronische (vibratorische+elektronische) Absorptionsspektren und ein vibronisches Emissionsspektrum berechnet. Die so berechneten Schwingungs- und elektronischen Spektren sind in guter qualitativer wie quantitativer Übereinstimmung mit gemessenen Werten, und helfen so, die experimentellen Signale der Photoanregung von Flavinen zuzuweisen. Unmittelbar nach der Photoanregung wurde ein Verlust des Doppelbindungscharakters im polaren Bereich des Ringssystems beobachtet, was zu der vibronischen Feinstruktur im elektronischen Absorptions- und Emissionsspektrum führte. Hier zeigte sich zudem, dass neben den vibronischen Effekten auch die Lösungsmitteleffekte wichtig für das quantitative Verständnis der Photophysik der Flavine in Lösung sind.
Um Details des optischen Anregungsprozesses als initialen, elementaren Schritt zur Signalweiterleitung zu entschlüsseln, wurden ultraschnelle (femtosekundenaufgelöste) Experimente durchgeführt, die die Photoaktivierung des Flavins untersuchen. Diese Arbeit soll zu einem weiteren Verständnis und der Interpretation dieser Experimente durch das Studium der Post-Anregungsschwingungsdynamik von Riboflavin und mikrosolvatisiertem Riboflavin beitragen. Dazu wurde eine 200 fs lange Molekulardynamik in angeregten Zuständen betrachtet. Durch die Analyse charakteristischer Atombewegungen und durch die Berechnungen zeitaufgelöster Emissionsspektren fand man heraus, dass nach der optischen Anregung Schwingungen im Ringssystem des Riboflavins einsetzen. Mit Hilfe dieser Berechnungen kann die Umverteilung der Energie im angeregten Zustand beobachtet werden.
Neben den theoretischen Untersuchungen zu Riboflavin in der Gasphase und auch in Lösung wurde ein Modell für eine BLUF (Blue-Light Photoreceptor Using Flavin) Domäne, ein Flavin benutzender Photorezeptor, erstellt. Hierbei zeigt sich, dass man die in dieser Arbeit angewendeten Analysemethoden auch auf biologisch relevante Systeme anwenden kann. / The photophysics and photochemistry of flavins are due to their biological function, in particular of flavoproteins, of great interest. Flavoproteins play a major role in a variety of biological processes, eg Bioluminescence, removal of free radicals, resulting in oxidative stress, photosynthesis and DNA repair. The spectroscopic properties of the flavin cofactor make this a natural reporter for changes within the active site. Therefore flavoproteins are one of the most studied enzyme families. A biological activity of the flavin via an electronically excited state, which then performs a function of the amino acid environment, a specific mechanism to a biological process (photo cycle).
An important analytical tool for the understanding of the initial step of the photoexcitation flavins are the electronic and vibrational spectroscopy.
In this study, the processes of riboflavin (RF) during and after optical excitation illuminated by theoretical means. These quantum chemical calculations for the vibrational spectra (vibrational) of riboflavin, or vitamin B2 lactoflavin also been mentioned, the basic molecule of biological chromophores blue light receptors in the electronic ground state and the lowest excited state performed. Furthermore, vibronic (vibrational + electronic) absorption spectra and vibronic emission spectra were calculated. The calculated vibrational and electronic spectra are in good qualitative and quantitative agreement with measured values, and help to assign the experimental signals of the photo-excitation of flavins. Immediately after photoexcitation a loss of the double bond character was observed in the polar region of the ring system, leading to the vibronic fine structure in the electronic absorption and emission spectrum. It showed also that in addition to the vibronic effects, the solvent effects are important for a quantitative understanding of the photophysics of flavins in solution.
To decipher details of the optical excitation process as initial, elementary step in signal transduction, ultrafast were performed (femtosecond-resolved) experiments that investigate the photoactivation of the flavin. This work will contribute to a further understanding and interpretation of these experiments by studying the post-excitation vibrational dynamics of riboflavin and riboflavin mikrosolvatisiertem. To a 200 fs long molecular dynamics in excited states was considered. By the analysis of characteristic atomic motions and by the calculations of time-resolved emission spectra, it was found that, after the optical excitation oscillations in the ring system of the riboflavin used. Using these calculations, the energy redistribution in the excited state can be observed.
In addition to the theoretical studies of riboflavin in the gas phase and in solution, a model for a BLUF (Blue Light Photoreceptor Using flavin) domain, a flavin-use photoreceptor created. It is shown that one can apply the analytical methods employed in this work and to biologically relevant systems.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:Potsdam/oai:kobv.de-opus-ubp:6317 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Klaumünzer, Bastian |
| Publisher | Universität Potsdam, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät. Institut für Chemie |
| Source Sets | Potsdam University |
| Language | German |
| Detected Language | English |
| Type | Text.Thesis.Doctoral |
| Format | application/pdf |
| Rights | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/de/ |
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