Ultrafast mid-infrared spectroscopy by chirped pulse upconversion in 1800-1000cm(-1) region

Broadband femtosecond mid-infrared pulses can be converted into the visible spectral region by chirped pulse upconversion. We report here the upconversion of pump probe transient signals in the frequency region below 1800c

Transfert de ligand dans la cytochrome c oxydase observé par des expériences femtosecondes infrarouge intégrées et résolues spectralement.

Dynamic experiments on hemoproteins, in particuliar spectroscopy experiments, are essential to understand how these proteins accomplish their function. In this context, we have employed infrared femtosecond spectroscopy in order to study the transfer of carbon monoxide in cytochrome c oxidase, from the iron to the copper atom of its bimetallic active site. Infrared experiments are sensitive to the CO vibrational frequency changes and enable us to follow directly the dynamics of the CO transfer. This transfer from the iron to the copper atom takes place on a subpicosecond scale, this is why femtosecond resolution is needed. We developped two infrared femtosecond experiments : a spectrally integrated experiment and a spectrally resolved experiment. In the spectrally integrated experiment, we identified a signal due to the heme absorption. This signal was subtracted from the cinetics in order to extract the signal induced by the CO transfer. A caracteristic time of 400 fs was determined for this transfer. In the spectrally resolved experiment, we observed the evolution of the absorption bands of CO. This evolution shows a delay of 200 fs suggesting a ballistic contribution in the CO transfer. The spectrally resolved experiment uses a new technique recently developped in the laboratory for the characterization of the infrared pulse through upconversion. The signal-to-noise ratio and the resolution accessible with this technique enable the acquisition of an ensemble of differential spectra that is sufficient to validate a new filtering procedure for systematic removal of oscillations due to the pump-perturbed polarization artifacts. Molecular dynamic simulations were performed to model the transfer of CO in cytochrome c oxidase, from the iron to the copper atom of its bimetallic site. These simulations are in good agreement with the experimental results and show that the path from the iron to the copper atom is reproducible. This corroborates the presence of a ballistic component in the transfer.L'étude dynamique des hémoprotéines, indispensable à la compréhension du fonctionnement de leur site actif, a considérablement progressé grâce aux expériences de spectroscopie. Nous avons étudié dans ce cadre le transfert du ligand CO au sein du site actif bimétallique de la cytochrome c oxydase, du Fer de l'hème à l'atome de Cuivre, par spectroscopie femtoseconde infrarouge. Les expériences dans l'infrarouge permettent d'analyser les caractéristiques vibrationnelles des molécules et de suivre ainsi directement le transfert du ligand par l'intermédiaire de sa signature vibrationnelle. Afin de résoudre le transfert étudié, qui se produit sur une échelle subpicoseconde, l'expérience doit avoir une résolution femtoseconde. Deux expériences pompe-sonde femtoseconde dans le domaine infrarouge, une expérience intégrée spectralement et une expérience résolue spectralement, ont été mises en place. Ces deux expériences ont apporté des informations complémentaires sur le transfert du ligand CO au sein du site actif de la cytochrome c oxydase. Dans le cas de l'expérience intégrée spectralement, un signal supplémentaire dû à l'absorption des molécules d'hème a été identifié et soustrait aux cinétiques afin d'isoler le signal induit par le transfert du CO. Le temps caractéristique de ce transfert a ainsi pu être évalué à 400 fs. Lors de l'expérience résolue spectralement, l'évolution des raies d'absorption du CO présente un décalage de 200 fs qui suggère une composante balistique dans le transfert. L'expérience résolue spectralement a été réalisée à l'aide d'une nouvelle technique de mesure du spectre infrarouge par conversion vers le visible, développée au laboratoire. Cette technique, qui offre un meilleur rapport signal sur bruit et une meilleure résolution que les approches concurrentes, a permis d'acquérir un ensemble de spectres différentiels suffisant pour valider expérimentalement une nouvelle technique de filtrage des oscillations de cohérence. Nous avons réalisé des simulations de dynamique moléculaire qui modélisent le transfert du ligand CO dans la cytochrome c oxydase, du Fer de l'hème vers l'atome de Cuivre. Ces simulations sont en bon accord avec les résultats expérimentaux et ont montré que le trajet emprunté par le CO lors de son transfert est reproductible, ce qui corrobore un transfert balistique

Transfert de ligand dans la cytochrome coxydase observé par des expériences femtoseconde infrarouge intégrées et résolues spectalement

PALAISEAU-Polytechnique (914772301) / SudocSudocFranceF

Direct observation of ligand transfer and bond formation in cytochrome c oxidase by using mid-infrared chirped-pulse upconversion

We have implemented the recently demonstrated technique of chirped-pulse upconversion of midinfrared femtosecond pulses into the visible in a visible pump–midinfrared probe experiment for high-resolution, high-sensitivity measurements over a broad spectral range. We have succeeded in time-resolving the CO ligand transfer process from the heme Fe to the neighboring CuB atom in the bimetallic active site of mammalian cytochrome c oxidase, which was known to proceed in <1 ps, using the full CO vibrational signature of Fe–CO bond breaking and CuB–CO bond formation. Our differential transmission results show a delayed onset of the appearance of the CuB-bound species (200 fs), followed by a 450-fs exponential rise. Trajectories calculated by using molecular-dynamics simulations with a Morse potential for the CuB–C interaction display a similar behavior. Both experimental and calculated data strongly suggest a ballistic contribution to the transfer process

Ultrafast Ligand Binding Dynamics in the Active Site of Native Bacterial Nitric Oxide Reductase

International audienceThe active site of nitric oxide reductase from Paracoccus denitrificans contains heme and non-heme iron and is evolutionarily related to heme-copper oxidases. The CO and NO dynamics in the active site were investigated using ultrafast transient absorption spectroscopy. We find that, upon photodissociation from the active site heme, 20% of the CO rebinds in 170 ps, suggesting that not all the CO transiently binds to the non-heme iron. The remaining 80% does not rebind within 4 ns and likely migrates out of the active site without transient binding to the non-heme iron. Rebinding of NO to ferrous heme takes place in approximately 13 ps. Our results reveal that heme-ligand recombination in this enzyme is considerably faster than in heme-copper oxidases and are consistent with a more confined configuration of the active site