北理工郑小燕团队JCTC | 采用马尔可夫态模型揭示折叠体的折叠动力学及其对吸收光谱的影响

英文原题：Markov State Models Reveal How Folding Kinetics Influence Absorption Spectra of Foldamers

通讯作者：郑小燕（北京理工大学）；李楚（香港科技大学）

作者：Yijia Wang (王艺家), Chu Li (李楚)*, and Xiaoyan Zheng (郑小燕)*

超分子组装通过非共价相互作用驱动分子有序排列，实现对组装结构和功能的精准调控。折叠体是一种典型的仿生组装体，解析折叠过程动力学是实现组装结构和功能精准调控的基础。双核铂(II)多吡啶配合物折叠体受温度调控通过Pt···Pt和π-π相互作用协同驱动分子内折叠，并产生金属···金属-配体电荷转移（MMLCT）激发态，赋予折叠体丰富的光谱特征。然而，折叠体形成的动态过程及其引起光谱变化的本质仍不清楚。精确描述折叠体构象变化、识别动力学路径，解析热力学构象态对光谱的相对贡献，对推动刺激响应仿生发光材料的合理设计具有重要指导意义。

鉴于此，北京理工大学郑小燕副教授和香港科技大学李楚博士合作，采用分子动力学模拟、马尔可夫态模型（Markov State Model, MSM）和量化计算相结合的研究方案，对两个代表性的双核铂(II)三吡啶配合物（Pt-PEG, Pt-PE）的折叠动力学机制进行了系统的研究，阐明了化学结构及温度对其折叠动力学的影响，同时解析了热力学构象态对吸收光谱的相对贡献和折叠过程的光谱红移机制。在对醚链桥接的Pt-PEG折叠体研究中，基于325 K温度下的大批量分子动力学模拟，MSM确定了折叠过程中的六个关键中间构象态及其平衡分布（Unfolded, “S-shape”, “α-shape”, “C-shape”, “U-shape”, Folded），结果表明Folded构象态在热力学上最有利。进一步地，利用转移路径理论探讨了这些构象态之间的动力学路径。结果显示Pt-PEG沿着桥链主导路径、平面主导路径和协同路径形成折叠体。其中，桥链主导路径反映了PEG桥的构象变化，平面主导路径显示了两个铂-吡啶（Pt-tpy）平面逐渐接近的折叠过程，协同路径兼具以上两种路径的特征。这三种路径表明了中间桥链PEG桥和Pt-tpy平面在调节折叠动力学中的重要平衡作用。此外，平均首次通过时间（Mean First Passage Time, MFPTs）量化了大态间的转换时间，结果显示Pt-PEG沿三种折叠路径所需的时间大致相同。

图1. Pt-PEG的折叠动力学

不同的是，在烷基链桥接的Pt-PE折叠体研究中，由MSM确定了五个关键中间构象态（Unfolded, “L-shape”, “C-shape”, “U-shape”, Folded）。相对于Pt-PEG，Pt-PE缺乏“S-shape”和“α-shape”构象态，具有独特的“L-shape”构象，且仅存在平面主导路径一种。为了深入理解Pt-PEG和Pt-PE折叠动力学差异的内在原因，该研究对Pt-PEG和Pt-PE的“S-shape”构象态进行了自由能和分子内相互作用的分析。发现Pt-PE “S-shape”构象态的平均自由能高于“C-shape”构象态，而Pt-PEG的“S-shape”构象态比“C-shape”构象态更稳定，势能降低11.0 kJ/mol。这归因于PEG桥上O原子与其相邻的C原子之间的强吸引静电相互作用，在能量上稳定了Pt-PEG中因PEG桥扭曲形成的“S形”构象。桥内原子间的这种强静电相互作用与Pt-tpy平面之间的π-π，Pt⋯Pt及其与溶剂的疏水相互作用协同，产生了丰富的折叠路径。相比之下，对于Pt-PE，“S-shape”构象态的总势能比“C-shape”的高13.7 kJ/mol，因此，体系中没有“S”形构象的原因。这是源于PEG桥中的一些O原子被PE桥中的C原子取代，减弱了桥内的静电吸引相互作用。这些发现表明化学结构对双核铂(II)多吡啶配合物折叠体的形成产生了关键影响。

图2. Pt-PEG和Pt-PE动力学差异的原因分析

进一步地，该研究还对300 K下的动力学进行了分析，发现温度对折叠路径通量的影响也与中间构象的稳定性有关。在T= 300 K时，Pt-PEG也存在三类动力学路径，但路径通量从平面主导路径向桥链主导路径转移。这一变化与路径分叉点的构象稳定性有关。在300 K下，“S-shape”构象态和“C-shape”构象态的自由能差大于325 K时的自由能差，表明了“S-shape”构象态在低温下进一步被稳定。这种稳定性的相对变化导致了通过“S-shape”构象态的通量增加，使得桥链主导路径变得更加有利。

图3. Pt-PEG的温度依赖性折叠路径

最后，基于MSMs，该研究计算并拟合了Pt-PEG和Pt-PE在325 K下的吸收光谱。结果显示Pt-PEG显示出与实验结果相一致的三个主要吸收带，即高能量吸收峰出现在300 nm处，归因于配体内IL跃迁；低能量吸收峰在450 nm处，是MLCT/LLCT的典型吸收峰；以及550 nm处的低能量吸收尾，属于由Pt…Pt相互作用诱导的MMLCT。Pt-PE配合物的吸收光谱与Pt-PEG类似。对关键构象态吸收光谱的分析表明，Pt-PEG和Pt-PE的高能量吸收带源于单边的铂配合物（Unfolded、“C-shape”等），低能量吸收带源于折叠的构象态（“U-shape”、Folded等）的MMLCT跃迁，揭示了折叠诱导光谱红移的机制。

图4. Pt-PEG和Pt-PE化合物的吸收光谱

相关研究成果发表在Journal of Chemical Theory and Computation 上。第一作者为北京理工大学硕士研究生王艺家，通讯作者为北京理工大学郑小燕副教授、香港科技大学李楚博士。该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目（22173006）和北京市自然科学基金面上项目（2222027）的资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Markov State Models Reveal How Folding Kinetics Influence Absorption Spectra of Foldamers

Yijia Wang, Chu Li*, and Xiaoyan Zheng*

J. Chem. Theory Comput. 2024, 20, 13, 5396–5407

Publication Date: June 20, 2024

https://doi.org/10.1021/acs.jctc.4c00202 

Copyright © 2024 American Chemical Society

研究团队简介

郑小燕，北京理工大学长聘副教授，博士生导师。清华大学理学博士，香港科技大学博士后。长期致力于分子组装过程动力学与发光机制的理论研究。通过多尺度理论模拟、动力学网络模型与基于热振动关联函数的激发态速率理论结合，在复杂有机分子组装体结构的形成机制与聚集体发光机理方面取得了很多创新性成绩。迄今在PNAS, JACS, Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., JPCL等国际顶级期刊发表论文100余篇，H-index = 33。承担国家自然科学基金青年、面上项目及北京市自然科学基金面上项目等。担任Surfaces and Interfaces副主编，Aggregate青年编委，Luminescence青年编委，Smart Molecules青年编委等。

https://www.x-mol.com/groups/zheng_xiaoyan 

（本稿件来自ACS Publications）