Unser Sehsinn beruht auf exakt choreographierten, ultraschnellen Molekülbewegungen: Die Aufnahme von Licht durch Pigmente in der Netzhaut, im Fachvokabular Rhodopsin oder auch Sehpurpur, ist die Grundlage unseres Sehsinns. Neue Experimente von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie und der University of Toronto haben gezeigt, dass der erste photochemische Schritt dieses Prozesses an der fundamentalen molekularen Geschwindigkeitsgrenze abläuft. Die Ergebnisse wurden online in der Fachzeitschrift Nature Chemistry vorgestellt.
Künstlerische Darstellung der molekularen Bewegung des Chromophors Retinal, welche das Sehen ermöglicht. © J. M. Harms/MPSD
Der Chromophor im Rhodopsin, Retinal oder auch Vitamin-A-Aldehyd genannt, leitet seine Lichtempfindlichkeit aus einer sich wiederholenden Kette von einzeln und doppelt gebundenen Kohlenstoffatomen ab. Die Absorption eines Photons durch Retinal führt zu einer extrem kurzzeitigen Schwächung einer bestimmten Doppelbindung, wodurch eine Rotation um diese Bindung ausgelöst wird. Wie schnell diese sogenannte Isomerisierungsreaktion tatsächlich erfolgt, konnte lange Zeit nicht genau beobachtet werden und war im Wesentlichen von den technologischen Fortschritten im Bereich gepulster Laserquellen abhängig. Mit Femtosekunden-Lasern konnte bereits vor einiger Zeit gezeigt werden, dass die Isomerisierung innerhalb von maximal 200 Femtosekunden abläuft (das sind 200 Millionstel einer Milliardstel Sekunde) und, dass es sich dabei um eine vibrationskohärente chemische Reaktion handeln könnte. Das bedeutet, dass die Schwingungsbewegungen des Chromophors Retinal selbst bei der Steuerung der Isomerisierung mitwirken.
Mithilfe einer hochempfindlichen Methode aus der Ultrakurzzeitspektroskopie, der heterodyne-detected transient grating spectroscopy, untersuchten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in den Laboren von Professor R. J. Dwayne Miller (Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie, University of Toronto, CUI) und Professor Oliver P. Ernst (University of Toronto) die Isomerisierungsreaktion von Rinder-Rhodopsin mit beispielloser Empfindlichkeit und vorher unerreichter zeitlicher Auflösung. Diese neuen Messungen zeigten, dass die Isomerisierung auf einer Zeitskala von 30 Femtosekunden erfolgt. „Es stellt sich heraus, dass der erste Schritt des Sehens beinahe zehnmal schneller ist als bisher angenommen,“ sagt Professor Miller, der auch Sprecher des CUI ist, „und die molekularen Bewegungen sind durch Rhodopsin perfekt choreographiert“.
Die Analyse der zeitaufgelösten experimentellen Daten enthüllt diese choreographierte Schwingungsdynamik, die sich aus örtlich begrenzten Streck-, Wipp- und Drehbewegungen zusammensetzt. Dr. Philip Johnson, Erstautor der Studie: „Eine solch schnelle Zeitskala stellt eine eindeutige Eingrenzung der vibrationskohärenten Reaktionskoordinate dar. Und diese Arbeit lässt darauf schließen, dass die Reaktion lokal an der bestimmten isomerisierenden Doppelbindung angesiedelt ist. Darüber hinaus findet die Isomerisierungsreaktion innerhalb einer einzelnen Periode der relevanten Drehschwingung statt. Der Begriff der vibrationskohärenten chemischen Reaktionen wird mindestens seit den 1930er Jahren verwendet, aber erst jetzt wurden sie eindeutig nachgewiesen.“
Citation:
Philip J. M. Johnson, Alexei Halpin, Takefumi Morizumi, Valentyn I. Prokhorenko, Oliver P. Ernst, and R. J. Dwayne Miller
„Local vibrational coherences drive the primary photochemistry of vision“
Nature Chemistry 7, 980–986 (2015)
DOI: 10.1038/nchem.2398