通讯作者:  李春森，张敏熠，中国科学院福建物质结构研究所

作者：Jiawei Xu (徐嘉伟), Jian Hao (郝健), Caijie Bu (卜财杰), Yajie Meng (孟亚杰), Han Xiao (肖晗), Minyi Zhang (张敏熠), Chunsen Li (李春森)

多态反应广泛存在于各种化学过程中，有关多态反应的研究由来已久。通过定位极小能量交叉点(minimum energy crossing point, MECP)，可以从能量和结构的角度上讨论态与态之间的转换过程。相比于难度高、计算代价昂贵的非绝热分子动力学等方法，直接优化MECP可以在不损失关键化学信息的前提下简便地获得反应途径的能量和拓扑信息，是深入理解多态反应的一个重要工具。

现有的量化计算程序可较为广泛地支持采用各类QM方法优化MECP结构，但对于生物、材料等多尺度复杂体系，全QM计算的代价一般无法接受，因而兼顾化学反应环境影响因素和计算精度效率的QM/MM等多尺度计算方法成为了该领域的主要关注对象。目前尚没有公开的量化计算程序能较好地实现在多尺度QM/MM级别下优化MECP结构，以满足研究生物蛋白环境、溶液或材料的体相环境对MECP和多态反应影响的需求。为解决相关科学问题，中国科学院福建物质结构研究所李春森课题组开发了能够在多尺度QM/MM级别下优化MECP结构的XMECP程序，通过多个应用案例展现了如何使用XMECP研究复杂生物体系中的多态反应，该工作发表在 Journal of Chemical Theory and Computation 上，并入选ACS Editors’ Choice。

使用XMECP程序研究胞嘧啶-腺嘌呤碱基对的光致质子耦合电子转移反应，可以发现远离反应中心的核苷酸残基可通过π-π堆积的非共价相互作用链对非绝热耦合矩阵元产生贡献，从而促进反应中心的非绝热跃迁过程。而在含铁的2-氧代谷氨酸依赖酶活化氧气的机理研究中，使用XMECP程序可以计算定位到此前未报道过的三重态-五重态交叉，描绘了静息态的金属酶活性中心结合三线态氧后演进到产物所在的五重态势能面的多态反应图景。同时，在无需直接计算旋轨耦合矩阵元的情况下，间接得到了与活性中心相距较远的不直接参与反应的精氨酸残基通过两组氢键作用对旋轨耦合矩阵元的相对大贡献百分比。以上两例结果表明，在复杂生物蛋白环境中，远离生物酶活性中心的残基可通过非共价相互作用链对非绝热耦合或旋轨耦合矩阵元产生显著贡献，从而影响活性中心发生的非辐射跃迁过程。

此外，通过XMECP程序研究了不同外加电场强度对黄素蛋白光敏化机理的影响，结果表明，虽然增大外加电场强度时，FMN辅因子的S1和T1激发态发生能级交错，但光敏化机理受此影响甚微，即黄素蛋白能在较大电场强度变化范围内保持功能稳定。该结果阐释了广泛存在于生物体内的黄素蛋白虽然结构各异，内建电场对FMN或FAD辅因子作用不同，但其功能却都相仿的可能原因。

图1. 胞嘧啶-腺嘌呤碱基对光致质子耦合电子转移的机理，其中远离活性中心的残基沿着DNA中π-π堆积链对非绝热耦合矩阵元产生贡献，并随距离衰减。

图2. 含铁的2-氧代谷氨酸依赖酶活化氧气的机理，其中不直接参与反应的Arg383残基通过两组氢键对旋轨耦合矩阵元产生了显著的贡献，甚至高于活性中心的铁氧物种。

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