多態(tài)反應(yīng)是一類廣泛存在于金屬酶催化、光化學(xué)弛豫、電子轉(zhuǎn)移等過(guò)程中的獨(dú)特化學(xué)反應(yīng)。準(zhǔn)確描述多態(tài)反應(yīng)中的態(tài)與態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程，對(duì)理解闡釋相關(guān)化學(xué)反應(yīng)機(jī)制至關(guān)重要。通過(guò)定位極小能量交叉點(diǎn)(minimum energy crossing point,MECP)，可以從能量和結(jié)構(gòu)的角度討論態(tài)與態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程。相比于難度高、計(jì)算代價(jià)昂貴的非絕熱分子動(dòng)力學(xué)等方法，直接優(yōu)化MECP可以在不損失關(guān)鍵化學(xué)信息的前提下簡(jiǎn)便地獲得反應(yīng)途徑的能量和拓?fù)湫畔?，是深入理解多態(tài)反應(yīng)的一個(gè)重要工具。

現(xiàn)有的量化計(jì)算程序可較為廣泛地支持采用各類量子力學(xué)（QM）方法優(yōu)化MECP結(jié)構(gòu)，但對(duì)于生物、材料等復(fù)雜體系，全QM計(jì)算的代價(jià)一般無(wú)法接受，因而兼顧化學(xué)反應(yīng)環(huán)境影響因素和計(jì)算精度效率的組合量子力學(xué)/分子力學(xué)（QM/MM）等多尺度計(jì)算方法成為了該領(lǐng)域的主要關(guān)注對(duì)象。目前尚沒(méi)有公開(kāi)的量化計(jì)算程序能較好地實(shí)現(xiàn)在多尺度QM/MM級(jí)別下優(yōu)化MECP結(jié)構(gòu)，以滿足研究生物蛋白環(huán)境、溶液或材料的體相環(huán)境對(duì)MECP和多態(tài)反應(yīng)影響的需求。為解決相關(guān)科學(xué)問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所李春森課題組開(kāi)發(fā)了能夠在多尺度體系QM/MM級(jí)別下優(yōu)化MECP結(jié)構(gòu)的XMECP程序，該工作以題目“XMECP: Reaching State-of-the-Art MECP Optimization in Multiscale Complex Systems”發(fā)表在理論計(jì)算化學(xué)的權(quán)威刊物Journal of Chemical Theory and Computation上，并入選ACS Editors’?Choice亮點(diǎn)文章，作為頭條新聞在美國(guó)化學(xué)會(huì)網(wǎng)站報(bào)道。

文章系統(tǒng)描述了MECP優(yōu)化的算法和注意事項(xiàng)，通過(guò)多個(gè)應(yīng)用案例展示了如何使用XMECP研究復(fù)雜生物體系的多態(tài)反應(yīng)。

（1）使用XMECP程序研究胞嘧啶-腺嘌呤堿基對(duì)的光致質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)離反應(yīng)中心的核苷酸殘基通過(guò)π-π堆積的非共價(jià)相互作用鏈對(duì)非絕熱耦合矩陣元產(chǎn)生貢獻(xiàn)，從而促進(jìn)反應(yīng)中心的非絕熱躍遷過(guò)程。

圖1.胞嘧啶-腺嘌呤堿基對(duì)光致質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移的機(jī)理，其中遠(yuǎn)離活性中心的殘基沿著DNA中π-π堆積鏈對(duì)非絕熱耦合矩陣元產(chǎn)生貢獻(xiàn)，并隨距離衰減。

（2）在含鐵的2-氧代谷氨酸依賴雙加氧酶活化氧氣的機(jī)理研究中，使用XMECP程序可以計(jì)算定位到三重態(tài)-五重態(tài)交叉，描繪了靜息態(tài)的金屬酶活性中心結(jié)合三線態(tài)氧后演進(jìn)到產(chǎn)物所在的五重態(tài)勢(shì)能面的多態(tài)反應(yīng)圖景，同時(shí)發(fā)現(xiàn)距離活性中心較遠(yuǎn)的不直接參與反應(yīng)的精氨酸殘基通過(guò)兩組氫鍵作用對(duì)旋軌耦合矩陣元存在相對(duì)大的貢獻(xiàn)。

以上兩例結(jié)果表明，在復(fù)雜生物蛋白環(huán)境中，遠(yuǎn)離生物酶活性中心的殘基可通過(guò)非共價(jià)相互作用鏈對(duì)非絕熱耦合或旋軌耦合矩陣元產(chǎn)生顯著貢獻(xiàn)，從而影響活性中心發(fā)生的非輻射躍遷過(guò)程。

圖2.含鐵的2-氧代谷氨酸依賴酶活化氧氣的機(jī)理，其中不直接參與反應(yīng)的Arg383殘基通過(guò)兩組氫鍵對(duì)旋軌耦合矩陣元產(chǎn)生了顯著的貢獻(xiàn)，甚至高于活性中心的鐵氧物種。

（3）應(yīng)用XMECP程序研究了不同電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)黃素蛋白光敏化機(jī)理的影響，結(jié)果表明黃素蛋白能在較大電場(chǎng)強(qiáng)度變化范圍內(nèi)保持功能穩(wěn)定，闡釋了廣泛存在于生物體內(nèi)的黃素蛋白雖然結(jié)構(gòu)各異，內(nèi)建電場(chǎng)對(duì)FMN或FAD輔因子作用不同，但其功能卻都相仿的可能原因。

XMECP在研究復(fù)雜多尺度體系（如生物酶、材料、聚合物等）的多態(tài)反應(yīng)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，尤其是為相關(guān)領(lǐng)域的研究工作者提供了簡(jiǎn)單便捷的工作流程。開(kāi)發(fā)者未來(lái)將進(jìn)一步完善和發(fā)展XMECP程序的功能，以期更便捷、更精準(zhǔn)地闡釋復(fù)雜多尺度體系中MECP及相關(guān)化學(xué)機(jī)制問(wèn)題。

中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所碩士生徐嘉偉為論文的第一作者，張敏熠副研究員和李春森研究員為論文的共同通訊作者。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和福建省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

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