Retinal photoisomerization versus counterion protonation in light and dark-adapted bacteriorhodopsin and its primary photoproduct

细菌视紫红质 质子化 光异构化 光化学 发色团 反离子 光激发 化学 亚稳态 激发态 异构化 基态 质子 化学物理 暗状态 离子 物理 原子物理学 生物化学 有机化学 量子力学 催化作用
作者
Partha Malakar,Samira Gholami,Mohammad Aarabi,Ivan Rivalta,Mordechai Sheves,Marco Garavelli,Sanford Ruhman
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:15 (1) 被引量:8
标识
DOI:10.1038/s41467-024-46061-w
摘要

Abstract Discovered over 50 years ago, bacteriorhodopsin is the first recognized and most widely studied microbial retinal protein. Serving as a light-activated proton pump, it represents the archetypal ion-pumping system. Here we compare the photochemical dynamics of bacteriorhodopsin light and dark-adapted forms with that of the first metastable photocycle intermediate known as “K”. We observe that following thermal double isomerization of retinal in the dark from bio-active all- trans 15-anti to 13- cis, 15-syn , photochemistry proceeds even faster than the ~0.5 ps decay of the former, exhibiting ballistic wave packet curve crossing to the ground state. In contrast, photoexcitation of K containing a 13- cis , 15 -anti chromophore leads to markedly multi-exponential excited state decay including much slower stages. QM/MM calculations, aimed to interpret these results, highlight the crucial role of protonation, showing that the classic quadrupole counterion model poorly reproduces spectral data and dynamics. Single protonation of ASP212 rectifies discrepancies and predicts triple ground state structural heterogeneity aligning with experimental observations. These findings prompt a reevaluation of counter ion protonation in bacteriorhodopsin and contribute to the broader understanding of its photochemical dynamics.

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