对5,6,7,8-四氢-6-羟基甲基蝶呤的激发态动力学进行的深入理论研究

《Chemical Physics Letters》：An in-depth theoretical investigation of the excited state dynamics of 5,6,7,8-tetrahydro-6-hydroxymethylpterin

5,6,7,8-四氢-6-羟基甲基蝶亭的紫外光物理机制研究通过高阶量子化学计算和激发态非绝热分子动力学模拟，揭示了其从S3态快速衰变至S1态，并经两种竞争路径（环卷曲为主，羰基键伸长为辅）实现150fs内高效基态恢复的机制，为理解天然光稳定紫外-B传感器及设计生物启发光敏剂奠定理论基础。

　　

刘玉英|李晓倩|徐志杰|董鹏|闫文辉|刘旭轩|鲍书阳|赵莉

中国石油大学（华东）理学院，山东省青岛市266580

摘要

5,6,7,8-四氢-6-羟基甲基蝶呤是生物必需的四氢生物蝶呤辅因子的关键结构类似物，这些辅因子参与包括一氧化氮合成和芳香族氨基酸羟基化在内的关键酶促过程。最新研究表明，这类分子在蓝细菌和植物中还充当紫外线光受体，但由于其超快动力学特性难以通过实验探测，其光稳定性机制仍不清楚。本研究结合了高级从头算计算（CASPT2//CASSCF）和实时的非绝热分子动力学模拟，以原子尺度揭示了该系统的失活途径。系统从S₃状态快速衰变为S₁状态，在随后的S₁状态衰变过程中发现了两条竞争性的内部转化途径：一条主要的无障碍环皱缩途径（分支比为92%）和一条需要更高能量激活的次要羰基键延长途径（分支比为8%），两者共同使得系统在150飞秒内几乎定量地恢复到基态。这些发现为理解还原型蝶呤作为天然光稳定UV-B传感器提供了统一的框架，并为设计稳健的仿生光受体和减轻药物应用中的光降解提供了机制原理。

引言

四氢生物蝶呤是一类关键的酶促辅因子，支持着众多重要的生物过程，包括一氧化氮合成、芳香族氨基酸羟基化和烷基甘油代谢[1]、[2]、[3]、[4]。它们的重要性不仅体现在基础生物化学领域，还延伸到治疗学领域[5]。例如，在白癜风光疗中，紫外线诱导的四氢生物蝶呤氧化会破坏过氧化氢产生的病理循环，从而减轻黑素细胞的氧化应激[6]、[7]、[8]。同样，在光动力癌症治疗中，这些分子作为光敏剂的目标，生成具有强抗肿瘤效果的超氧自由基，即使在缺氧条件下也是如此[9]。这种不断扩展的治疗潜力与它们与光的相互作用密切相关，但使其具备生物功能和临床应用能力的超快光物理机制仍很大程度上是个谜。为了揭示这些机制，5,6,7,8-四氢-6-羟基甲基蝶呤（H₄Hmp）是一个理想的模型系统。作为生物上至关重要的四氢生物蝶呤的结构类似物，并且具有关键的C6-羟基甲基取代基，H₄Hmp展现了其更复杂同类的关键光物理特性。因此，研究其激发态动力学不仅是一个学术追求，也是理解自然界如何设计光稳定UV-B传感器以及合理优化光触发治疗剂的关键步骤[10]。

像H₄Hmp这样的还原型蝶呤的光物理行为受到了越来越多的关注，多项研究拼凑出了一个复杂但不完整的图景[11]、[12]、[13]、[14]。一个基本的观察结果是它们明显缺乏荧光或磷光[12]，这与它们的氧化形式形成了鲜明对比。这种缺乏辐射衰减的现象强烈暗示存在在超快时间尺度上使激发态失活的异常高效的非辐射途径。Buglak和Telegina的开创性工作[11]首次提供了重要的理论见解，他们利用时依赖密度泛函理论（TD-DFT）提出了H₄Hmp的光稳定性机制，类似于核苷酸鸟嘌呤的机制。他们的计算表明，该分子通过嘧啶环的平面外变形快速内部转化为基态S₁(ππ*)/S₀锥形交叉点，势能面扫描显示这是一个无障碍的途径。这项研究成功解释了发射的缺失，并与生物学中已建立的光保护机制建立了令人信服的类比。然而，由于主要基于静态计算，它无法捕捉激发态的实时动态演变。该研究留下了几个关键问题未解答：它没有量化这一过程的动力学，没有探讨多个失活途径的存在及其竞争性[15]、[16]，也没有明确说明C6-羟基甲基取代基如何调节这些动态。对类似杂环系统（特别是DNA核苷酸）的研究强调了静态描述的局限性[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。例如，非绝热分子动力学模拟显示鸟嘌呤和腺嘌呤的激发态寿命为几百飞秒，通过复杂的相互作用途径衰变，这只能通过显式时域模拟才能完全解析[22]、[23]、[24]。这表明H₄Hmp也可能存在类似的动态复杂性。此外，C6取代基的具体作用——它赋予了构象灵活性并可以改变电子密度分布——仍然是一个猜测的话题[25]、[26]。这个对生物活性至关重要的基团是否也会在紫外线激发下引入不可预见的光降解风险？现有的静态计算框架和传统超快光谱学在解析竞争性飞秒级过程中的局限性，使得这些问题仍未得到解决，从而在提出的机制和对H₄Hmp光物理的定量动态理解之间形成了显著差距。

为了弥合这一知识空白，我们进行了全面的多尺度理论研究，将高级电子结构理论与实时的激发态非绝热动力学相结合。我们的模拟显示，H₄Hmp的失活主要由一条超快的无障碍环皱缩途径主导（分支比为92%），辅以一条次要的羰基键延长途径（分支比为8%），两者共同使得系统在150飞秒内几乎定量地恢复到基态。这项工作为理解还原型蝶呤建立了一个统一且动态的框架，不是将它们视为静态结构，而是将其视为由多种原子尺度运动共同作用而产生的具有动态特性的实体。

计算方法

所有静态电子结构计算均使用OpenMolcas软件包中的多组态完全活性空间自洽场（CASSCF）方法结合多态二阶微扰理论（MS-CASPT2）进行[27]。基态（S₀）和激发态（S₁、S₂、S₃）的几何结构优化，以及两个相邻电子态（S₃/S₂、S₂/S₁和S₁/S₀）之间的最小能量锥形交叉点（MECIs）也进行了优化

稳定结构和最小能量锥形交叉点

图1显示了H₄Hmp在基态（S₀-min）下的最稳定结构，表1总结了相关的关键几何参数。如图所示，C₆O₁键长为1.231 ?，具有典型的羰基双键特征。C₁C₂和C₂O₂键长分别为1.532 ?和1.419 ?，与分子框架中的单键一致。C₇N₅键长为1.381 ?，表明该杂环结构中存在部分双键特性

激发态动力学

使用36条轨迹对H₄Hmp的非绝热动力学进行了500飞秒的模拟。如图3所示，时间依赖的种群演变揭示了一个多阶段的失活过程。最初为100%的S₃态种群从3飞秒开始迅速衰减，主要是通过内部转化为S₁态。同时，S₁态种群稳步上升，在大约100飞秒时达到约46%的最大值

结论

本研究通过结合高级静态电子结构计算和非绝热分子动力学模拟，建立了H₄Hmp超快非辐射失活的全面机制图景。我们的发现揭示了一个分层的松弛过程，其中环皱缩途径占主导地位，分支比为92%，通过一个无障碍的锥形交叉点实现了高效的S₁ → S₀内部转化

CRediT作者贡献声明

刘玉英：撰写——原始草稿，研究，概念化。李晓倩：验证，形式分析，数据管理。徐志杰：可视化，验证，资金获取，概念化。董鹏：撰写——原始草稿，可视化，数据管理，概念化。闫文辉：验证，方法学，研究。刘旭轩：可视化，方法学，研究，形式分析。鲍书阳：研究。赵莉：撰写——审阅与编辑，验证，

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：赵莉报告获得了中国国家自然科学基金的支持。赵莉还报告获得了中央高校基本科研业务费的支持。徐志杰也报告获得了中央高校基本科研业务费的支持。如果有其他作者，他们声明

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（编号：21803077）和中央高校基本科研业务费（编号：24CX03009A和23CX03016A）的支持。我们还要感谢山东省高等学校青年创新团队计划项目（编号：2023KJ072）的支持。