Modellstudien zum Photochromismus des Phytochroms – proteingesteuerte Photoisomerisierung eines nicht kovalent gebundenen offenkettigen Tetrapyrrols

Abstract

Professor Günther Wilke zum 75. Geburtstag gewidmetOffenkettige Tetrapyrrole wie Phytochromobilin 1 und Phycocyanobilin 2 dienen als Chromophore in einer Reihe von Chromoproteinen. Ihre Photoreaktivität wird zum groûen Teil durch die Proteinumgebung gesteuert. Während 2 in den Lichtsammelpigmenten der Cyanobakterien einen der Antennenchromophore darstellt, [1] ist 1 der Chromophor des pflanzlichen Photorezeptors Phytochrom, [2] der über eine reversible Photoisomerisierung der C 15 -C 16 -Doppelbindung zwischen der physiologisch inaktiven P r -Form und der aktiven P fr -Form wechselt. [2,3] Diese Art der photochromen Kontrolle, die über die Doppelbindungsisomerisierung erfolgt, ist jedoch nicht allein auf 1 beschränkt. So dient 2, ganz analog zu 1, in dem Phytochrom der Alge Mesotaenium caldariorum als photochemischer Schalter. [4] Ebenso kann 2 diese Rolle in rekombinanten Phytochromen höherer Pflanzen übernehmen. [5] In allen diesen Photorezeptoren ist der Chromophor über eine Thioether-Bindung zu einem Cysteinrest kovalent an das Protein gebunden.In dieser Arbeit haben wir untersucht, ob die kovalente Bindung des Chromophors eine zwingend notwendige Voraussetzung für die Funktion als photochemisch gesteuerter Auslöser ist. Zum ersten Mal kann hier gezeigt werden, dass dies nicht der Fall ist. Vielmehr kann das Apoprotein den Chromophor in die chromophorbindende Tasche einbetten und über Wirt-Gast-Wechselwirkungen den P r -P fr -Photozyklus steuern, ohne dass eine kovalente Bindung zwischen beiden besteht.Die Grenzbedingungen, die für den Einfluss der Proteinumgebung auf die spektralen und photochemischen Eigenschaften des Phytochromchromophors maûgebend sind, sind bisher noch nicht gründlich untersucht worden. Die regioselektive Isomerisierung der Doppelbindung an C-15 von Chromophoren wie 1 und 2 in der Protein-gebundenen Form wird der Steuerung durch die sie umgebende Proteinmatrix zugeschrieben. In homogenen organischen Lösungen wird dagegen eine Photoisomerisierung bevorzugt an der Doppelbindung an C-10 angenommen. [6] Zudem ist das 10E-Isomer von 2 thermisch labil und wandelt sich bei Raumtemperatur innerhalb von Nanosekunden in die Z-Form um. [6,7] Weiterhin hat sich gezeigt, dass die Photochromie des Phytochroms A (PhyA) durch einige wenige Aminosäuren beeinflusst wird [8] und, wie auch der Einbau von 2 in das Apoprotein, entscheidend von den beiden Propionsäureresten des Chromophors abhängt, mit deren Hilfe sich der Chromophor vor der Bildung der kovalenten Thioether-Bindung entsprechend zu positionieren und seine endgültige Konformation einzunehmen scheint. [8a] Wir konnten ebenfalls zeigen, [9] dass eine Veränderung des Substitutionsmusters im Ring D des Phytochromobilin-Isomers 3 im P r -P fr -Photozyklus von der Proteinumgebung toleriert wird, wobei allerdings selektiv das Absorptionsmaximum der P fr -Form zu kürzeren Wellenlängen hin verschoben ist.Schlieûlich wird die Bedeutung dieser Untersuchung eines phytochromähnlichen Proteins mit einem nicht kovalent gebundenen Chromophor hervorgehoben dur...