Nat. Chem. | 视紫红质的量子经典模拟揭示激发态布局分裂及其对量子效率的影响

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数百条QM/MM轨迹证明,吸收光15fs后,反应激发态和邻近态之间的简并导致视紫红质布局分裂为亚布局。

背景介绍
视紫红质(Rhodopsin, Rh)是脊椎动物中负责微光视觉的光敏G蛋白偶联受体,特征是一个11-顺式视网膜质子化的Schiff碱基(rPSB11)发色团共价结合到由7个α-螺旋形成的蛋白(视蛋白)腔体上。根据光异构化理论,光子的吸收诱导rPSB11发生亚皮秒级异构化,形成其全反式立体异构体(rPSBAT),从而启动受体的光循环,并最终进行视觉转导。Rh光异构化具有低的热噪声,结合其67%的量子效率(Φcistrans),可以产生极高的光灵敏度。但光敏性的起源并不清楚,一个核心问题是同相核运动是否控制量子效率值。
三种rPSB11模式涉及S1-to-S0的转移(图1b)。它们是C11=C12的逆时针扭转(α), HC11=C12H氢原子的氢离面变形(β)和共轭骨架的骨架键长度交替(BLA)拉伸。在图1c中,研究者定义了二面角δop,表示氢相对于碳骨架的面外变形,以及τ,表示在异构键上的轨道重叠。如图1c所示,S1-to-S0转移是用一个多模态坐标描述的,该坐标连接着PES的S1垂直激发区和S1/S0相交空间(ISS1/S0)附近的衰减区。
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图1. Rh光异构化理论。图片来源:Nat. Chem.
 
过去的研究结果表明,特定模式的相位之间的关系决定了rPSB11是否会向rPSBAT方向移动,形成泡视紫红质(bathoRh)光产物或松弛回其初始构型。也即,在单分子水平上,α和δop速度相在衰变时的关系决定了异构化的成功与否。δop的变化似乎是关键的。它的物理意义意味着,为了生成bathoRh,β角描述的H11/H12氢旋转(图1b)的减少速度要比α描述的骨骼异构化的减少速度快。因此,如图1d所示,当C10/C13碳旋转和H11/H12氢旋转为同相时,τ速度为负,衰减到S0导致了类积重叠,导致rPSBAT的形成。当τ = α  δop/2时,α主要向负逆时针方向变化(dα/dt < 0),在衰减时,成功的异构化相当于正的δop速度(op/dt > 0)。通过实验证明,在H11和/或H12上的氘取代可调节Φcis–trans 反应,αδop速度相与Rh的光敏性之间存在着联系。
主要内容
美国博林格州立大学、意大利锡耶纳外籍大学和法国斯特拉斯堡大学的Massimo, Olivucci团队采用了Rh的混合多构型QM/MM模型,利用200轨迹研究了初始室温S0布局的S1动力学。结果表明,陡斜S1 PES产生的核力使最初描述紧凑型“同相”进展的轨迹同步。然而,这种进展在光激发后仅15 fs,反应激发态和邻近态之间的简并导致视紫红质布局分裂为亚布局。这些亚布局以不同的速度传播,并导致对量子效率的独特贡献。研究者在这里表明,这种分裂是由蛋白质静电调节的,从而将氨基酸序列的变化与量子效率调制联系起来。最后,研究者讨论了这种原则上可以用来实现更高量子效率的连接,同时增加受体热噪声,以获得可能在视紫红质进化中发挥作用的权衡。相关的研究成果以“Quantum-classical simulations of rhodopsin reveal excited-state population splitting and its effects on quantum efficiency”为题发布在国际著名期刊Nature Chemistry上。
S1布局分裂
在图2a中,研究者展示了整个轨迹集的α的演化过程。从图中可以看出,当α值为−90±30°时(即C11=C12 π键断裂时),S1-to-S0发生衰变,并持续约150 fs,开始于~35 fs的早期衰变。轨迹可以用来计算许多观测值,包括S1寿命、光产物出现时间和Φcis-trans
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图2. Rh布局动力学。图片来源:Nat. Chem.
 
如上所述(图1e),为了达到最大量子效率,Rh会产生一个S1布局,当dδop/dt > 0时,S1布局衰减。然而,图2a中的数据显示,沿着α,布局在小于30 fs的时间内保持紧凑,然后分裂。分裂产生的亚布局在不同的时间衰减,形成峰I-IV(图2b),其特征是,如预期的那样,一组成功的衰减事件的δop值增加(图2c)。峰值I对应的是衰减最快的亚布局,衰减在35到80 fs之间(图2a中的曲线(i))。相反,对于最慢的衰变亚布局,最初的逆时针旋转变为顺时针旋转,将α推回到0°(图2a中的曲线(ii)),然后在110-170 fs的时间范围内恢复衰减,形成峰III和峰IV。
分裂事件的超短时间尺度表明,Franck-Condon (FC)力是其主要原因。这些力通过图2d(上)显示的Rh共振拉曼(RR)光谱进行了实验识别。研究发现,当只计算平衡Rh结构的S1力来模拟光谱时(图2d,底部),某些观察到的光谱区域没有得到很好的再现,这表明布局动力学中有其他电子态的参与。
 
S1和S2混合分裂机理
如图3a所示,第一组(49条轨迹)和第二组(48条轨迹)分别代表了最快和最慢的亚布局。然而,图3b中报道的沿BLA和δop的进展表明,两组仅仅在15 fs后就开始沿BLA分裂。研究者证明了分裂是由视蛋白的静电调节的。实际上,图3c,d显示,当将所有视蛋白原子电荷设置为原始值的一半后,重复模拟时,分裂被降低,因此,有效地降低了作用于发色团的静电场。在用半电荷模型计算了200条轨迹的完整集合后,研究者证实了S1布局仍然更紧凑,并在更快的时间尺度上衰减到S0。事实上,这种行为更接近于单个布局的衰减(图1e),这使研究者重新计算了Φcis-trans,发现值为0.72,高于未改变的Rh模型获得的0.68。这说明(1)分裂降低了Φcis-trans值;(2)在Rh中分裂值没有达到最大值。
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图3. 亚布局动力学分析。图片来源:Nat. Chem.
通过计算S1-S1间隙和S1电子特征沿快、慢轨迹组的演化,研究者初步探讨了S1初始松弛过程中S1S2电子特征的混合导致较慢α进程的假设。图3e显示,快(上)集合和慢(下)集合在~ 10fs内都进入了S2S1退化的区域(即ISS2/S1区域)。快速轨迹(图3f,顶部)的电荷分布经历了逐渐变化(例如,含N的骨架部分的电荷,图4a,顶部),慢速组的轨迹(图3f,底部)显示了电荷的多次突然变化,指向S1电子特征的多次变化,与ISS2/S1附近一致。
 
S2/S1圆锥相交区域内的运动
3e,f所示的结果,可以通过回顾0时刻Rh的S1S2态分别被1Bu2Ag的电子特征所支配来解释。如图4a(中)所示,1Bu的特征是通过电荷转移(离子)构型来描述的,其中C11=C12键获得了单键特征,促进了扭转变形和反应性。另一方面,2Ag特征以双激发为主,具有双自由基特征(图4a,底部),具有C11=C12键,剩余的双键顺序。因此,慢集合与1Bu/2Ag特征混合和反转抑制双键扭转有关。
属于ISS2/S1区域的点用S2/S1最小能量圆锥相交结构(MinCIS2/S1)表示(图4b),该结构位于FC点下方。从图4c所示的MinCIS2/S1分支平面截面中可以清楚地看出,快、慢轨迹在MinCIS2/S1的相对两侧运行。虽然快集沿着1Bu特征占主导地位的一边传播,但慢集进入另一边2Ag特征较大的区域,然后重新进入1Bu特征的区域。
在慢轨道集合中,1Bu/2Ag混合的存在不仅表明S1 PES上的键合增强,而且表明有可能发生非绝热跃迁。如图4d-f所示,当计算中包含PES时,沿着轨迹检测到从S1S2的跳跃,这表明非绝热效应可能有助于抑制慢集相对于快集的运动。事实上,图4d显示了与较慢的α进程相关的轨迹显示了较高百分比的顺序S1→S2S2→S1转变。
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图4. 混合激发态分析。图片来源:Nat. Chem.
 
蛋白质静电效应
为了解释缩放的视蛋白电荷如何改变S1 PES,研究者绘制了蛋白质静电势(ESPopsin)的轨迹进展和分裂图。很明显,尽管ESPopsin具有复杂的结构(图5a),图5b中的截面表明,它在Schiff碱基区比在β-ionone区更负。事实上,发色团Schiff碱区S2S1的电荷(图5b)显示S2态的电荷更大,显示出2Ag的特征。ESPopsin的降低导致S2的失稳,MinCIS2/S1向更高的能量(相对于FC从−1到+14 kcal mol-1)位移,远离S1松弛路径(比较图4c中的蓝色和绿色圆圈)。
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图5 在MinCIS2/S1处的视蛋白静电势。图片来源:Nat. Chem.
 
控制Φcis-trans的机制及其可能的起源
如图6a所示,在S0→S1垂直激发后,Rh布局立即开始沿S1反应坐标的相移运动。然而,布局进入一个S2-S1间隙减小的区域,在15 fs内形成一组亚布局。然后,每个亚布局以不同的时间尺度和δop阶段进行传播。因此,观测到的Φcis-trans值必须是在ISS2/S1处布局分裂和在ISS1/S0处产生有利的dδop/dt相与dα/dt相之间同步的结果。
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图6. 控制Φcis-trans的机制及其可能的起源。图片来源:Nat. Chem.
 
根据研究者计算可知,具有2Ag性质的S2Rh动力学中的作用仅限于初始弛豫。然而,2Ag的暂时特征不仅证明了布局分裂的合理性,而且还证明了其对视蛋白静电场的敏感性和氨基酸序列的敏感性。换言之,序列中的一个变化,例如由自然选择引起的变化,可能会将一个单一的布局(图1e)转变为多个亚布局(图6a),并修改最终的Φcis-trans值。
从报道的λmaxET的反比例关系(图6b左右部分比较)出发,可以建立一个权衡假设,其中ET是控制rPSB11热异构化的能量垒。这一反比性意味着Rh可能已经进化到吸收蓝光以最大限度地增加ET,反过来又降低了热Rh活化的速率。然而,通过选择静电使S1相对于S0失稳的视蛋白序列,可以获得较短的λmax。由于S0S2具有相似的电荷分布(图6c),这种不稳定必然导致S2-S1间隙变小,从而导致布局分裂。这与ESPopsin的尺度效应一致,同时导致ΔES1-S0的减少(即λmax的红移)和ΔES2-S1的增加。因此,在Rh中发现的S2-S1间隙将是序列变化的结果,旨在降低其热噪声,但由于布局分裂也会导致相反的Φcis-trans减少。
 
结论总结
综上所述,布局分裂和Φcistrans之间的文献联系推进了理解Rh光敏感性所必需的理论框架的构建,并揭示了视蛋白静电对视觉中主要事件的一种新效应。另一方面,研究者提出的异构化效率理论,不仅超越了开创性的一维 Landau Zener 模型,即沿α方向的高速决定了高Φcis-trans,与过去的假设相比,为S2状态的参与提供了一个独特的多模态情景。与此同时,这对研究者定量预测突变对Φcis-trans的影响的能力提出了重要的问题,因为这需要理解发生在非常早期的生物发色团动力学中耦合的电子核动力学和可能的几何相位效应。
 
参考文献
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