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Les Tryptophanes comme voltmètres ultrarapides dans les protéines de rétinal

Les Tryptophanes comme voltmètres ultrarapides dans les protéines de rétinal. J. Léonard , S. Haacke, Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg, France E. Portuondo-Campa, A. Cannizzo, F. van Mourik, M. Chergui,

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Les Tryptophanes comme voltmètres ultrarapides dans les protéines de rétinal

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Presentation Transcript

  1. Les Tryptophanes comme voltmètres ultrarapides dans les protéines de rétinal J. Léonard, S. Haacke, Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg, France E. Portuondo-Campa, A. Cannizzo, F. van Mourik, M. Chergui, Laboratoire de Spectroscopie Ultrarapide, EPFL, Lausanne, Switzerland J. Tittor, Max-Planck-Institut für Biochemie, Martinsried, Germany G. Van der Zwan, Vrije Universiteit, Amsterdam,The Netherlands

  2. Bacteriorhodopsine: Pompe à proton photo-activée de Halobacterium salinarum

  3. Bacteriorhodopsine: Pompe à proton photo-activée de Halobacterium salinarum Chromophore = Protonated Schiff Base Retinal (PSBR)

  4. d0 Photo-excitation du rétinal d+ d+

  5. d1 Photo-excitation du rétinal d+ d+ Retinal:Dd = 10-30D Mathies & Stryer (1976) Huang & Lewis (1989) Groma et al. (2004) Colonna et al. (2007)

  6. C13 Photo-excitation du rétinal 500 fs Rendement = 66 %

  7. Les protéines de rétinal sont des enzymes:la protéine contrôle la vitesse d’isomerization et la forme isomérisée du photoproduit

  8. Stockage d’énergie Tranferts successifs de protons Isomérisation Dd = 10-30D du rétinal Géométrie contrainte du rétinal; Energie mécanique Réponse (di)électrique de la protéine; Energie électrostatique Edman K, et al. Nature 1999 Warshel & colleagues, 1979, …, 2008. Schobert et al. J. Mol. Biol. 2002 (Lanyi) Mécanisme d’activation de la fonction biologique? hn D[H+] ? Luecke et al., Science 1999

  9. Dd Photo-excitation du rétinal: Effet de l’environnement protéique Trp182 +e -e Trp86 Contre ions: Song et al. (1993) Heyne et al. (2000) Zinth et al. (2000) Kennis et al. (2002) Asp85 Tout le reste: Ac. aminés polaires ou non, réseau de liaisons hydrogènes, molécules d’eau, etc…

  10. Sonder la réponse de l’environnement Trp182 Trp86

  11. Probe Pump Manip pompe VIS / sonde UV sur la bR: S. Schenkl et al., Science 2005, PNAS 2006 Sonder la réponse de l’environnement Trp182 bR Trp86 Problème: à la fois Trp ET rétinal absorbent vers 270-280 nm

  12. d Comparaison protéine naturelle / mutants: Trp182 W182F Trp86

  13. d Comparaison protéine naturelle / mutants: Trp182 W182F W86F Trp86

  14. Comparaison protéine naturelle / mutants: wt bR W182F W86F

  15. Modélisation des interactions dipolaires Retinal-Trp86-Trp182 S. Schenkl et al., Science 2005 Interactions entre dipoles de transition: Couplage excitonique, Mélange d’états quantiques Interaction entre dipoles d’état: Stark shift, Pas de mélange

  16. Structure de la bR Dma Dipoles d’état:

  17. Retinal dipole Structure de la bR Dma Trp86 Dipoles d’état: Trp86 : Stark shift significatif de la bande d’abs. La

  18. Structure de la bR Retinal dipole Trp182 Dipoles d’état: Trp86 : Stark shift significatif de la bande d’abs. La Trp182 : pas (ou tres peu) de couplage Stark

  19. Retinal dipole Trp182 Modélisation des interactions dipolaires retinal-Trp86-Trp182 Dma Dmb Trp86

  20. wt bR W182F W86F Modélisation des interactions dipolaires retinal-Trp86-Trp182 J. Léonard et al., PNAS 2009, sous presse.

  21. Contribution du Trp86 @ 310 nm= wt bR – W86F J. Léonard et al., PNAS 2009, sous presse.

  22. Décroissance = 500 fs = temps d’isomérisation Plateau >> 20 ps !!! = réponse durable (di)électrique de la protéine Montée instantanée (résolution temp = 90 fs) Champ électrique au voisinage de Trp86 310 ± 5 nm Trp comme sonde de changement FONCTIONEL de champs électriques J. Léonard et al., PNAS 2009, sous presse.

  23. Conclusions • comparison quantitative des absorptions transitoires de bR et 2 mutants • (VIS-pump UV-probe) • Extraction de la contribution des Tryptophanes individuels: • Trp86 : Stark shift • Trp86 sonde efficace pour le dipole du rétinal et environnement diélectrique • Environnement électrostatique change durablement • => réponse (di)électrique ultrarapide de la protéine • => Trp comme sonde de changements fonctionnels de champs électriques au sein des protéines • = voltmètre ultrarapide local

  24. Thank you S. Haacke, Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg, France, E. Portuondo-Campa, A. Cannizzo, F. Van Mourik, M. Chergui, Laboratoire de Spectroscopie Ultrarapide, EPFL, Lausanne, Switzerland, J. Tittor, Max-Planck-Institut für Biochemie, Martinsried, Germany, G. van der Zwan, Vrije Universiteit, Amsterdam, Netherlands. € CNRS, Université de Strasbourg, EPFL, European Science Foundation (DYNA programme)

  25. Réclame Peut-on reproduire une isomérisation si rapide et efficace avec un photoswitch en solution ? Indanylidene–Pyrroline M. Olivucci (Italie et USA) et collègues 400 fs :plus rapide que bR ! Cohérence vibrationelle conservée à travers IC

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