通过振动特征解密色氨酸光电离过程中的初始电子转移过程

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：Deciphering the initial Electron transfer in tryptophan photoionization by vibrational signature

　　李朝宇|朱江瑞|马子阳|张亚群|刘明|顾子健|文宇辰|崔建峰|崔金山|边琳|牛强|曹婷|王永城|黄梅东|戴秦|李云亮
中国辽宁省沈阳市沈阳理工大学理学院，110159

摘要
在水中环境中，色氨酸（Trp）的紫外线（UV）诱导的光物理和光化学过程对于揭示紫外线对人类组织的生物学影响以及优化基于Trp的功能材料至关重要。虽然Trp的纳秒级光电离动力学已经得到了很好的记录，但控制早期电子转移（ET）和质子耦合电荷分离的飞秒（fs）到皮秒（ps）级中间体仍然不明确。在此，我们采用了飞秒时间分辨的瞬态中红外（mid-IR）光谱技术，并结合密度泛函理论（DFT）计算，来解析266 nm UV激发下Trp阳离子自由基（Trp•+）和三重态激发态（T?）的振动特征和超快动力学。我们的研究结果确定第二单重态激发态（S?）是关键的分支中间体，其独特的振动特征（1315, 1341, 1448 cm?1）验证了顺序激发路径（S? → S? → S?）。两个不同的振动模式分别位于约1396 cm?1（吲哚CN伸缩）和约1612 cm?1（吲哚环阳离子伸缩），这些特征明确归属于Trp•+，作为早期ET的补充证据。时间分析揭示了双重动力学：亚皮秒级（0–800 fs）的快速组分对应于从S?的快速电子喷射，以及皮秒级（800 fs–60 ps）的缓慢衰减，这与溶剂稳定的电荷分离相关。通过弥合飞秒级电子激发和纳秒级溶剂化动力学之间的时间差距，我们的宽带中红外光谱方法建立了电子态动力学与光反应过程分子结构标志物之间的直接联系。这些发现不仅加深了我们对UV诱导生物损伤的理解，还为设计光遗传工具和推进光动力治疗策略提供了关键见解。

引言
色氨酸（Trp）是一种具有独特吲哚环结构的必需芳香族氨基酸，在生物系统中扮演着多重角色，其功能远远超出了作为蛋白质合成基本构建块的范畴。其独特的电子构型源于吲哚部分的共轭π系统，使其在各种生理和光化学过程中发挥着关键作用[1]。Trp不仅是动物体内神经递质血清素和激素褪黑素以及植物体内生长素等关键分子的生物合成前体，其在蛋白质结构中的行为也极大地增强了其重要性[2][3]。Trp通常嵌入疏水性核心中，位于结构域接口处或寡聚体连接处，其局部微环境使其成为一个天然的内源性荧光团。这一特性被广泛用于探测蛋白质折叠、构象动态和分子相互作用[4][5][6]。然而，这种高敏感性也使得Trp在暴露于环境压力源（特别是紫外线（UV）时成为主要的发色团[7]。随后的光化学反应，包括电子转移、自由基形成和能量迁移，可能引发一系列事件，如DNA损伤、酶活性的光调控以及白内障等病理状况[8][9][10][11][12]。此外，Trp在生物电子转移链中充当关键的氧化还原活性位点[13]。作为电子供体，Trp导致阳离子自由基（Trp•+）的形成，这是几种重要氧化还原酶（如核糖核苷酸还原酶和细胞色素c过氧化物酶）催化循环中的关键步骤，突显了其在生物能量代谢中的角色[14][15]。尽管对Trp的光化学已有数十年的专门研究，但我们对其在水环境中超快光反应动力学的理解仍存在显著空白[16][17][18][19]。传统的稳态光谱技术和纳秒级激光闪光光解研究已成功识别出光电离过程中产生的长寿命中间体，如Trp阳离子自由基（Trp•+）和水合电子（eaq?）[20][21][22]。然而，激发后关键的飞秒到皮秒时间范围内发生的初始决定性事件——这些事件决定了最终的反应路径——仍然没有得到充分表征。这一关键的知识空白涵盖了激发态的演变、初始电荷分离事件、伴随的溶剂重组动力学，以及直接光电离与到三重态的系间跃迁等竞争路径[23][24]。传统实验方法的局限性，主要在于时间分辨率不足，无法追踪这些超快过程并解析瞬态物种的振动特征，这阻碍了对其机制的全面理解。尽管计算模拟提出了多种潜在机制，但迫切需要通过直接的时间分辨实验观察来验证[25][26]。最近发展的超快光谱技术，特别是飞秒瞬态中红外（fs-mid-IR）光谱技术，提供了一种实时可视化Trp光化学结构动态的变革性方法。这种强大的方法提供了所需的时间分辨率（数十飞秒量级），以监测与反应中间体相关的特征振动模式（例如，约1396 cm?1的CN伸缩振动）的演变[27][28]。通过将这些时间依赖的光谱变化与量子化学计算的见解相结合，可以明确地确定瞬态物种的几何和电子结构，从而构建整个反应轨迹的分子级“电影”。

近期研究表明，超快振动光谱结合DFT计算是一种通用且强大的策略，可用于识别瞬态中间体、解析激发态分支路径，并量化多种π共轭分子系统中的光诱导电荷分离动力学[29][30]。这些工作强调，振动特征对于追踪超快时间尺度上结构变化与电子转移的耦合至关重要。尽管这种组合方法具有广泛的适用性，但它尚未被用于揭示色氨酸的早期UV诱导电离动力学和自由基形成机制，而色氨酸是一种生物学上关键的芳香族发色团，其fs–ps激发态分支和电荷喷射过程尚未得到解析。因此，我们应用飞秒中红外光谱和DFT来填补这一关键空白。通过建立一种系统化框架来探测光激发下的芳香族生物分子，我们的工作为理解控制光损伤和光治疗过程的基本光化学机制提供了新的见解。

在这项研究中，我们使用飞秒瞬态中红外光谱和DFT计算来阐明水溶液中色氨酸的光电离和光解超快动力学。我们的研究基于三个核心科学目标：（1）在不同实验条件下（如pH值和激发参数）解析Trp阳离子自由基（Trp•+）和三重态之间的时间演变和耦合；（2）量化溶剂动力学对最初形成的离子对电荷重组速率的影响；（3）识别Trp在多步骤电子转移过程中的特定反应路径，类似于复杂的酶系统中的过程。通过弥合初始飞秒电子激发与随后纳秒级溶剂化事件之间的时间差距，这项工作旨在揭示Trp作为光受体和氧化还原介质的双重作用背后的复杂机制。这些发现预计将提供一个基本的机制框架，不仅深化我们对UV诱导生物过程的理解，还为开发改进的光保护策略提供依据，并有助于减轻生理系统中的UV介导的损伤。

**材料与方法**
一般来说，超快中红外（mid-IR）光束的生成通常依赖于光学参量放大（OPA）与差频生成（DFG）的结合。具体来说，在OPA过程中，连续白光用于在非线性晶体中放大800 nm的基本光束，产生信号光束和闲置光束。随后对这些光束进行DFG处理以产生中红外脉冲；然而，这种方法受到带宽限制（仅约200 cm?1），这意味着只能...

**光谱识别和光诱导物种的全球超快动力学**
采用飞秒时间分辨的中红外光谱技术来探测266 nm紫外线激发下水溶液中色氨酸（Trp）的超快光电离动力学，在四个特征中红外光谱窗口（1290–1360, 1300–1440, 1420–1490和1580–1680 cm?1）中获得了差分光密度（OD）光谱（见图2）。在这些光谱中，正吸收特征对应于光生成的瞬态中间体的形成，而负吸收特征...

**结论与展望**
总之，本研究通过飞秒时间分辨的中红外（mid-IR）光谱和密度泛函理论（DFT）计算的协同整合，揭示了水溶液中色氨酸（Trp）的超快光电离动力学，克服了传统技术的局限性，解决了Trp早期光物理学的长期模糊问题。有三个核心发现：（1）第二单重态激发态（S?）是关键的分支中间体，其...

**作者贡献声明**
李朝宇：验证、方法论、形式分析。
朱江瑞：写作–原始草稿、方法论、资金获取、形式分析、数据管理。
马子阳：可视化、软件、资源。
张亚群：项目管理、研究。
刘明：资源、资金获取。
顾子健：可视化、数据管理。
文宇辰：可视化、概念化。
崔建峰：验证、监督、资源。
崔金山：可视化、项目管理。
边琳：未引用的参考文献[37][38]

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能会影响本文报告的工作。

**致谢**
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号922050307）的支持。