Red Shift in the Absorption Spectrum of Phototropin LOV1 upon the Formation of a Semiquinone Radical: Reconstructing the Orbital Architecture

深铬移 光化学 嗜光蛋白 黄素单核苷酸 材料科学 化学 黄素组 隐色素 物理 核磁共振 荧光 生物钟 生物化学 量子力学 基因
作者
Patrick Kurle,Christian Wiebeler,Lisa Köhler,Ruonan Qin,Ziyue Zhao,Mantas Šimėnas,Andreas Pöppl,Jörg Matysik
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:128 (18): 4344-4353
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.4c00397
摘要

Flavin mononucleotide (FMN) is a ubiquitous blue-light pigment due to its ability to drive one- and two-electron transfer reactions. In both light-oxygen-voltage (LOV) domains of phototropin from the green algae Chlamydomonas reinhardtii, FMN is noncovalently bound. In the LOV1 cysteine-to-serine mutant (C57S), light-induced electron transfer from a nearby tryptophan occurs, and a transient spin-correlated radical pair (SCRP) is formed. Within this photocycle, nuclear hyperpolarization is created by the solid-state photochemically induced dynamic nuclear polarization (photo-CIDNP) effect. In a side reaction, a stable protonated semiquinone radical (FMNH·) forms undergoing a significant bathochromic shift of the first electronic transition from 445 to 591 nm. The incorporation of phototropin LOV1-C57S into an amorphous trehalose matrix, stabilizing the radical, allows for application of various magnetic resonance experiments at ambient temperatures, which are combined with quantum-chemical calculations. As a result, the bathochromic shift of the first absorption band is explained by lifting the degeneracy of the molecular orbital energy levels for electrons with alpha and beta spins in FMNH· due to the additional electron.

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