當前位置：首頁 » 原創文章 » Nat. Chem. | 視紫紅質的量子經典模擬揭示激發態布局分裂及其對量子效率的影響 Nat. Chem. | 視紫紅質的量子經典模擬揭示激發態布局分裂及其對量子效率的影響 數百條QM/MM軌跡證明，吸收光15fs后，反應激發態和鄰近態之間的簡并導致視紫紅質布局分裂為亞布局。 背景介紹 視紫紅質(Rhodopsin, Rh)是脊椎動物中負責微光視覺的光敏G蛋白偶聯受體，特征是一個11-順式視網膜質子化的Schiff堿基(rPSB11)發色團共價結合到由7個α-螺旋形成的蛋白(視蛋白)腔體上。根據光異構化理論，光子的吸收誘導rPSB11發生亞皮秒級異構化，形成其全反式立體異構體(rPSBAT)，從而啟動受體的光循環，并最終進行視覺轉導。Rh光異構化具有低的熱噪聲，結合其67%的量子效率(Φcis–trans)，可以產生極高的光靈敏度。但光敏性的起源并不清楚，一個核心問題是同相核運動是否控制量子效率值。 三種rPSB11模式涉及S1-to-S0的轉移(圖1b)。它們是C11=C12的逆時針扭轉(α)， HC11=C12H氫原子的氫離面變形(β)和共軛骨架的骨架鍵長度交替(BLA)拉伸。在圖1c中，研究者定義了二面角δop，表示氫相對于碳骨架的面外變形，以及τ，表示在異構鍵上的軌道重疊。如圖1c所示，S1-to-S0轉移是用一個多模態坐標描述的，該坐標連接著PES的S1垂直激發區和S1/S0相交空間(ISS1/S0)附近的衰減區。 圖1. Rh光異構化理論。圖片來源：Nat. Chem. ? 過去的研究結果表明，特定模式的相位之間的關系決定了rPSB11是否會向rPSBAT方向移動，形成泡視紫紅質(bathoRh)光產物或松弛回其初始構型。也即，在單分子水平上，α和δop速度相在衰變時的關系決定了異構化的成功與否。δop的變化似乎是關鍵的。它的物理意義意味著，為了生成bathoRh，β角描述的H11/H12氫旋轉(圖1b)的減少速度要比α描述的骨骼異構化的減少速度快。因此，如圖1d所示，當C10/C13碳旋轉和H11/H12氫旋轉為同相時，τ速度為負，衰減到S0導致了類積重疊，導致rPSBAT的形成。當τ?=?α?–?δop/2時，α主要向負逆時針方向變化(dα/dt < 0)，在衰減時，成功的異構化相當于正的δop速度(dδop/dt?> 0)。通過實驗證明，在H11和/或H12上的氘取代可調節Φcis–trans?反應，α和δop速度相與Rh的光敏性之間存在著聯系。 主要內容 美國博林格州立大學、意大利錫耶納外籍大學和法國斯特拉斯堡大學的Massimo, Olivucci團隊采用了Rh的混合多構型QM/MM模型，利用200軌跡研究了初始室溫S0布局的S1動力學。結果表明，陡斜S1 PES產生的核力使最初描述緊湊型“同相”進展的軌跡同步。然而，這種進展在光激發后僅15 fs，反應激發態和鄰近態之間的簡并導致視紫紅質布局分裂為亞布局。這些亞布局以不同的速度傳播，并導致對量子效率的獨特貢獻。研究者在這里表明，這種分裂是由蛋白質靜電調節的，從而將氨基酸序列的變化與量子效率調制聯系起來。最后，研究者討論了這種原則上可以用來實現更高量子效率的連接，同時增加受體熱噪聲，以獲得可能在視紫紅質進化中發揮作用的權衡。相關的研究成果以“Quantum-classical simulations of rhodopsin reveal excited-state population splitting and its effects on quantum efficiency”為題發布在國際著名期刊Nature Chemistry上。 S1布局分裂 在圖2a中，研究者展示了整個軌跡集的α的演化過程。從圖中可以看出，當α值為?90±30°時(即C11=C12 π鍵斷裂時)，S1-to-S0發生衰變，并持續約150 fs，開始于~35 fs的早期衰變。軌跡可以用來計算許多觀測值，包括S1壽命、光產物出現時間和Φcis-trans。 圖2. Rh布局動力學。圖片來源：Nat. Chem. ? 如上所述(圖1e)，為了達到最大量子效率，Rh會產生一個S1布局，當dδop/dt?> 0時，S1布局衰減。然而，圖2a中的數據顯示，沿著α，布局在小于30 fs的時間內保持緊湊，然后分裂。分裂產生的亞布局在不同的時間衰減，形成峰I-IV(圖2b)，其特征是，如預期的那樣，一組成功的衰減事件的δop值增加(圖2c)。峰值I對應的是衰減最快的亞布局，衰減在35到80 fs之間(圖2a中的曲線(i))。相反，對于最慢的衰變亞布局，最初的逆時針旋轉變為順時針旋轉，將α推回到0°(圖2a中的曲線(ii))，然后在110-170 fs的時間范圍內恢復衰減，形成峰III和峰IV。 分裂事件的超短時間尺度表明，Franck-Condon (FC)力是其主要原因。這些力通過圖2d(上)顯示的Rh共振拉曼(RR)光譜進行了實驗識別。研究發現，當只計算平衡Rh結構的S1力來模擬光譜時(圖2d，底部)，某些觀察到的光譜區域沒有得到很好的再現，這表明布局動力學中有其他電子態的參與。 ? S1和S2混合分裂機理 如圖3a所示，第一組(49條軌跡)和第二組(48條軌跡)分別代表了最快和最慢的亞布局。然而，圖3b中報道的沿BLA和δop的進展表明，兩組僅僅在15 fs后就開始沿BLA分裂。研究者證明了分裂是由視蛋白的靜電調節的。實際上，圖3c,d顯示，當將所有視蛋白原子電荷設置為原始值的一半后，重復模擬時，分裂被降低，因此，有效地降低了作用于發色團的靜電場。在用半電荷模型計算了200條軌跡的完整集合后，研究者證實了S1布局仍然更緊湊，并在更快的時間尺度上衰減到S0。事實上，這種行為更接近于單個布局的衰減(圖1e)，這使研究者重新計算了Φcis-trans，發現值為0.72，高于未改變的Rh模型獲得的0.68。這說明(1)分裂降低了Φcis-trans值；(2)在Rh中分裂值沒有達到最大值。 圖3. 亞布局動力學分析。圖片來源：Nat. Chem. 通過計算S1-S1間隙和S1電子特征沿快、慢軌跡組的演化，研究者初步探討了S1初始松弛過程中S1和S2電子特征的混合導致較慢α進程的假設。圖3e顯示，快(上)集合和慢(下)集合在~ 10fs內都進入了S2和S1退化的區域(即ISS2/S1區域)?？焖佘壽E(圖3f，頂部)的電荷分布經歷了逐漸變化(例如，含N的骨架部分的電荷，圖4a，頂部)，慢速組的軌跡(圖3f，底部)顯示了電荷的多次突然變化，指向S1電子特征的多次變化，與ISS2/S1附近一致。 ? S2/S1圓錐相交區域內的運動 圖3e,f所示的結果，可以通過回顧0時刻Rh的S1和S2態分別被1Bu和2Ag的電子特征所支配來解釋。如圖4a(中)所示，1Bu的特征是通過電荷轉移(離子)構型來描述的，其中C11=C12鍵獲得了單鍵特征，促進了扭轉變形和反應性。另一方面，2Ag特征以雙激發為主，具有雙自由基特征(圖4a，底部)，具有C11=C12鍵，剩余的雙鍵順序。因此，慢集合與1Bu/2Ag特征混合和反轉抑制雙鍵扭轉有關。 屬于ISS2/S1區域的點用S2/S1最小能量圓錐相交結構(MinCIS2/S1)表示(圖4b)，該結構位于FC點下方。從圖4c所示的MinCIS2/S1分支平面截面中可以清楚地看出，快、慢軌跡在MinCIS2/S1的相對兩側運行。雖然快集沿著1Bu特征占主導地位的一邊傳播，但慢集進入另一邊2Ag特征較大的區域，然后重新進入1Bu特征的區域。 在慢軌道集合中，1Bu/2Ag混合的存在不僅表明S1 PES上的鍵合增強，而且表明有可能發生非絕熱躍遷。如圖4d-f所示，當計算中包含PES時，沿著軌跡檢測到從S1到S2的跳躍，這表明非絕熱效應可能有助于抑制慢集相對于快集的運動。事實上，圖4d顯示了與較慢的α進程相關的軌跡顯示了較高百分比的順序S1→S2和S2→S1轉變。 圖4. 混合激發態分析。圖片來源：Nat. Chem. ? 蛋白質靜電效應 為了解釋縮放的視蛋白電荷如何改變S1?PES，研究者繪制了蛋白質靜電勢(ESPopsin)的軌跡進展和分裂圖。很明顯，盡管ESPopsin具有復雜的結構(圖5a)，圖5b中的截面表明，它在Schiff堿基區比在β-ionone區更負。事實上，發色團Schiff堿區S2和S1的電荷(圖5b)顯示S2態的電荷更大，顯示出2Ag的特征。ESPopsin的降低導致S2的失穩，MinCIS2/S1向更高的能量(相對于FC從?1到+14 kcal mol-1)位移，遠離S1松弛路徑(比較圖4c中的藍色和綠色圓圈)。 圖5 在MinCIS2/S1處的視蛋白靜電勢。圖片來源：Nat. Chem. ? 控制Φcis-trans的機制及其可能的起源 如圖6a所示，在S0→S1垂直激發后，Rh布局立即開始沿S1反應坐標的相移運動。然而，布局進入一個S2-S1間隙減小的區域，在15 fs內形成一組亞布局。然后，每個亞布局以不同的時間尺度和δop階段進行傳播。因此，觀測到的Φcis-trans值必須是在ISS2/S1處布局分裂和在ISS1/S0處產生有利的dδop/dt相與dα/dt相之間同步的結果。 圖6. 控制Φcis-trans的機制及其可能的起源。圖片來源：Nat. Chem. ? 根據研究者計算可知，具有2Ag性質的S2在Rh動力學中的作用僅限于初始弛豫。然而，2Ag的暫時特征不僅證明了布局分裂的合理性，而且還證明了其對視蛋白靜電場的敏感性和氨基酸序列的敏感性。換言之，序列中的一個變化，例如由自然選擇引起的變化，可能會將一個單一的布局(圖1e)轉變為多個亞布局(圖6a)，并修改最終的Φcis-trans值。 從報道的λmax與ET的反比例關系(圖6b左右部分比較)出發，可以建立一個權衡假設，其中ET是控制rPSB11熱異構化的能量壘。這一反比性意味著Rh可能已經進化到吸收藍光以最大限度地增加ET，反過來又降低了熱Rh活化的速率。然而，通過選擇靜電使S1相對于S0失穩的視蛋白序列，可以獲得較短的λmax。由于S0和S2具有相似的電荷分布(圖6c)，這種不穩定必然導致S2-S1間隙變小，從而導致布局分裂。這與ESPopsin的尺度效應一致，同時導致ΔES1-S0的減少(即λmax的紅移)和ΔES2-S1的增加。因此，在Rh中發現的S2-S1間隙將是序列變化的結果，旨在降低其熱噪聲，但由于布局分裂也會導致相反的Φcis-trans減少。 ? 結論總結 綜上所述，布局分裂和Φcis–trans之間的文獻聯系推進了理解Rh光敏感性所必需的理論框架的構建，并揭示了視蛋白靜電對視覺中主要事件的一種新效應。另一方面，研究者提出的異構化效率理論，不僅超越了開創性的一維?Landau Zener?模型，即沿α方向的高速決定了高Φcis-trans，與過去的假設相比，為S2狀態的參與提供了一個獨特的多模態情景。與此同時，這對研究者定量預測突變對Φcis-trans的影響的能力提出了重要的問題，因為這需要理解發生在非常早期的生物發色團動力學中耦合的電子核動力學和可能的幾何相位效應。 ? 參考文獻 Yang, X., Manathunga, M., Gozem, S. et al. Quantum-classical simulations of rhodopsin reveal excited-state population splitting and its effects on quantum efficiency. Nat. Chem.?(2022). https://doi.org/10.1038/s41557-022-00892-6
