Der lichtinduzierte Ladungstransport in Bacteriorhodopsin

Eine hochauflösende Datenerfassung für die Messung der Photospannungskinetik von 25 ns bis 100 ns

Moltke, Stephan


Die Nutzung von Lichtenergie zur Bildung von chemischen Verbindungen ist einer der grundlegendsten Prozesse in der belebten Natur. Bei der Hydrolyse dieser Verbindungen wird nämlich so viel freie Energie gewonnen, daß sie zur Herstellung der positiven Energiebilanz vieler Stoffwechselvorgänge genutzt werden kann. Das bakterielle Membranprotein Bacteriorhodopsin ist ein solcher primärer Energiewandler. Die Absorption eines Photons führt zum Aufbau eines elektro-chemischen Protonengradienten über der Zellmembran.
Die vorliegende Arbeit verwendet eine Methode zur Messung der Ladungsbewegungen in diesem Protein, die allgemein für Membranproteine einsetzbar ist. Neben einer allgemeinen Einführung in die Problematik und das untersuchte System (Bacteriorhodopsin) wird die Methode der elektrischen Messungen ausführlich erläutert.
Um die für den Protonentransport entscheidenden molekularen Prozesse zu identifizieren, werden unter "pathologischen" Bedingungen durchgeführte Experimente beschrieben und diskutiert. Zum einen wird das Verhalten des Proteins bei sehr hohen Protonenkonzentrationen im wässrigen Medium untersucht und ein Verschwinden des Nettotransportes nachgewiesen. Zum anderen konnte mit Hilfe gezielter, auf molekularbiologischem Wege hergestellter Punktmutationen die funktionelle Bedeutung der auf der Umschlagabbildung schematisch markierten Aminosäuren charakterisiert werden.


Inhalt:

Vorwort
  1. Einführung
    1. Der biologische Aspekt
    2. Der physikalische Aspekt
  2. Grundlagen
    1. Bacteriorhodopsin: Struktur
    2. Bacteriorhodopsin: Funktion
    3. Photozyklus und Reaktionskinetik
    4. Photozyklus und Ladungsverschiebung
    5. Zielsetzung
      1. Aufbau einer neuen Datenerfassung
      2. Bacteriorhodopsin bei sehr tiefem pH
      3. Gentechnische Modifikation von Bacteriorhodopsin
  3. Methoden und Materialien
    1. Elektrische Messungen: Das Prinzip der kapazitiven Kopplung
    2. Das Übertragungsverhalten des Meßsystems: Ersatzschaltbild
    3. Die Meßapparatur
    4. Datenerfassung
    5. Auswertung und Kurvenanpassung
    6. Standardbedingungen
    7. Fehlerabschätzung
  4. Ergebnisse I: Bacteriorhodopsin Wildtyp
    1. Übersicht über den pH-Bereich von 0 bis 12
    2. Standardsignale bei pH 7
      1. Photospannung
      2. Photostrom
      3. Vergleich von Strom und Spannung
    3. Titration in salzfreier Lösung
    4. Zugabe von KCl bei pH 0
    5. Titration in KCl-Lösung
    6. Masseneffekte durch D2O und KBr
    7. Das Systemverhalten bei extrem tiefem pH
      1. Die Stützfolie
      2. Vergleich von Strom und Spannung bei pH 0
  5. Diskussion I: Bacteriorhodopsin Wildtyp
    1. Die Photospannung bei pH 7
    2. Das Verschwinden des Nettotransports bei tiefem pH
    3. Die Größe der Ladungsbewegung bei pH 0
    4. Die Richtung der Ladungsverschiebung bei tiefem pH
    5. Der bR568® bRª 605 und der bR568® bRª 565 Übergang
    6. Überlegungen zu den molekularen Ursachen
  6. Ergebnisse II: Punktmutanten
    1. Überblick
    2. Die konservativen Mutanten von Asp96, Asp85 und Asp212
      1. Asp96 ® Glu
      2. Asp85 ® Glu und Asp212 ® Glu
    3. Entfernung der protonierbaren Gruppe an den Positionen 96, 82, 85 und 212
      1. Asp96 ® Asn und Asp96 ® Ala
      2. Asp85 ® Asn und Asp85 ® Ala
      3. Asp212 ® Asn
      4. Arg92 ® Gln und Arg82 ® Ala
  7. Diskussion II: Punktmutanten
    1. Die blaue Signatur
    2. Die Funktion der Asparaginsäure 96
    3. Die Funktion von Aspartat 85
    4. Die Funktion von Aspartat 212
    5. Die Funktion von Arginin 82
    6. Molekulares Modell des Protonentransportes
Literatur

Zusammenfassung

 




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