LH1-RC复合物中初级电荷分离机制的多尺度模拟

《JACS Au》：Multiscale Simulation of Primary Charge Separation Mechanisms in an LH1-RC Complex

电荷分离始于活性分支的P_L/B_L对而非传统特殊对，蛋白质环境对稳定低自旋电荷转移态至关重要。研究挑战了传统模型，强调了环境因素在光捕获效率与电子传递路径中的作用。

　　紫色细菌中的光合反应中心（RC）在将太阳能转化为化学能的过程中起着至关重要的作用。RC通过吸收光能，将光子激发的电子-空穴对分离，从而启动一系列后续的化学反应，最终导致ATP的合成。尽管对于LH2复合物中的能量转移过程已有较为详尽的研究，但对于RC内部的电荷分离机制，尤其是其原子级别的细节，仍然存在许多未解之谜。本研究通过结合经典分子动力学（MD）、从头算量子力学/分子力学（QM/MM）MD以及时间依赖密度泛函理论（TD-DFT）的方法，对紫色细菌*Thermochromatium tepidum*中的LH1-RC复合物进行了系统分析，揭示了电荷分离的起始位置并非传统的“特殊对”（P），而是位于相邻的P/B BChl对中。这一发现挑战了传统模型，表明蛋白支架在电荷分离过程中的作用是至关重要的。

### 1. 引言

光合作用是将太阳能量高效转化为化学能的基本机制之一，它在植物、细菌和藻类等生物中普遍存在。这一过程依赖于多种色素分子，如叶绿素、细菌叶绿素（BChl）、类胡萝卜素（Car）等，这些分子被包裹在特定的蛋白质支架中，形成光捕获天线复合物。这些复合物在优化光合效率方面发挥着关键作用。例如，LH2复合物主要负责捕获太阳光，并将其能量转移到LH1复合物，而LH1复合物则将能量进一步传递至RC。在RC中，电子-空穴对的分离会触发一系列化学反应，最终产生质子动力势，这是光合作用中能量转换的核心步骤。

在紫色细菌中，RC通常位于LH1复合物的外围，其结构通常由14到17个α（内层）和β（外层）亚基构成。RC中包含L、M和H亚基，有时还会有一个额外的亚基，即细胞色素（Cyt）亚基。L和M亚基分别代表活跃和非活跃的路径，也被称为A和B分支。在这些亚基中，存在一对特殊的BChl分子，即P_L和P_M，以及另外两个BChl分子B_L和B_M，两个细菌叶绿素原（BPh）H_L和H_M，以及两个电子受体，即初级和次级醌（Q_A和Q_B）。RC整体呈现出C₂对称性，这种对称性在LH1-RC复合物的结构中得到了体现。在能量转移过程中，Q_B会从膜内侧吸收两个电子和两个质子，进而被还原为Q_BH₂。随后，Q_BH₂会穿过LH1复合物，向膜内的醌池移动，从而将还原能力传递给细胞色素b/c1复合物，并在膜外侧释放质子。虽然直接的实验证据有限，但普遍认为这一醌运输机制在大多数甚至所有紫色细菌中都存在。

### 2. 结果与讨论

#### 2.1 LH1复合物中的激发能量分布

为了分析LH1复合物中的激发能量分布，我们采用了一种多尺度方法，结合经典MD模拟、QM/MM优化和QM/MM MD模拟，以及TD-DFTB和TD-DFT方法进行激发态计算。首先，我们对LH1环中的32个BChl分子进行了计算，提取了其在不同时间点的激发态能量，并绘制了能量分布图。通过这种方式，我们能够构建出LH1环中的激发能量景观。在图2中，左侧展示了α和βBChl分子的平均激发能量分布，右侧则展示了每个分子的平均激发能量及其波动情况，包括有和无环境的影响。这些分布图显示了Gaussian型的能量分布，这种现象在光捕获复合物中较为常见。

在LH1环中，大多数BChl分子的激发能量变化相似，但某些分子的平均能量略高，而另一些则略微降低。这些微小的能量差异主要源于环境采样效应。然而，对α和βBChl分子的平均密度态分析显示，它们的能量分布几乎相同。这与LH1环中α和β亚基对称排列以及暴露于相似电荷环境的特性相一致。即使在忽略环境的情况下，计算出的平均激发能量也显示出类似的趋势。然而，与有机溶剂中的BChl分子相比，这些能量在有环境的情况下发生了红移，这一现象与我们之前的研究结果一致。

#### 2.2 RC中的激发能量路径与初级电荷分离

接下来，我们分析了RC中的激发能量分布，重点考察了其中的四个BChl分子和两个BPh分子。我们使用了与LH1环相同的20,000个等间距时间点，从200 ns的经典MD轨迹中提取了每个色素分子的激发态能量，并通过TD-DFTB和TD-DFT方法进行了计算。图3展示了RC中这些分子的激发能量分布，显示了P_L和P_M分子在BChl网络中具有最高的和次高的平均激发能量，表明这些分子可能构成了主要的激发态。此外，我们还发现，B_M在非活跃分支中具有最低的激发能量，这可能意味着该色素分子起到了能量陷阱的作用，防止激发子在非活跃分支中传播，从而确保能量仅通过活跃的L分支传递。

在有环境的情况下，P_L/B_L对的激发态能量显示出最低的CT状态，表明这一对是电荷分离的起始点。然而，在没有环境的情况下，CT状态则消失，说明环境在CT状态的形成中起着至关重要的作用。对于P_M/B_M对，其激发态能量显示出混合的特征，即激发能量分布在P_M和B_M之间。这种混合激发态的特性与之前的实验结果一致，即电荷分离并未发生在P_M/P_L对上。

#### 2.3 CT状态与HOMO和LUMO的关系

通过分析不同色素对的HOMO和LUMO轨道，我们进一步探讨了长程CT状态的形成机制。在P_L/B_L对中，HOMO主要位于供体（P_L）上，而LUMO则位于受体（B_L）上，这种分离的电荷密度表明了CT状态的特征。而在P_M/B_M对中，HOMO和LUMO则呈现出混合的特性，说明该对可能不具备高效的CT状态。这一发现表明，HOMO和LUMO轨道的定位程度是决定CT状态形成的关键因素。

#### 2.4 LH1-RC复合物的激发态能量分布

为了验证LH1-RC复合物的激发态能量分布，我们计算了其吸收光谱，并将其与实验结果进行了比较。图12展示了我们计算的吸收光谱与实验数据的对比，显示出良好的一致性。我们采用的TrESP方法（基于静电势的过渡电荷）能够有效描述激发态之间的耦合，从而构建出精确的哈密顿量。通过这种方式，我们能够模拟出光谱的高频率振动特征，这与实验结果一致。然而，由于CT状态的贡献在TD-LC-DFTB方法中被忽略，导致激发态能量被高估，因此需要调整计算参数以更准确地反映真实的能量分布。

#### 2.5 电荷分离路径的动态特性

我们还分析了电荷分离路径的动态特性，特别是P_L/B_L对在不同时间点的CT状态分布。通过分析500个快照，我们发现P_L/B_L对的CT状态在有环境的情况下呈现出较低的能量，而在无环境的情况下则消失。这表明，电荷分离路径的高度依赖于环境的电荷分布。此外，我们还发现，在无环境的情况下，CT状态的分布不一致，这可能与环境的不对称性有关。

### 3. 结论与展望

本研究首次对紫色细菌的整个LH1-RC复合物进行了基于结构的原子级分析，揭示了电荷分离的起始位置并非传统认为的“特殊对”P，而是位于相邻的P/B BChl对中。这一发现挑战了传统的模型，强调了蛋白支架在电荷分离过程中的关键作用。我们还发现，非活跃分支中的CT状态方向性不稳定，导致其电荷分离效率较低。这些结果为未来研究提供了重要的参考，特别是在探索LH1-RC复合物中能量转移和电荷分离机制方面。

此外，我们还指出，由于电荷转移状态对环境的依赖性较强，使用单一几何结构进行分析可能会导致结果的偏差。因此，我们建议采用非绝热方法，以更准确地描述电荷转移与激发态之间的耦合。这种方法虽然计算成本较高，但能够提供更精确的动态信息。我们也在探索替代策略，如机器学习方法，以更高效地模拟非绝热动力学过程。

在材料与方法部分，我们基于*Thermochromatium tepidum*的LH1-RC复合物结构（PDB ID: 3WMM）进行了模拟，该结构来源于蛋白质数据库。我们使用CHARMM-GUI Web服务器将蛋白质嵌入到POPC双分子层中，并在LH1环和RC复合物之间插入了POPC脂质分子。我们发现，在平衡过程中，最多可以放置22个POPC分子。为了简化计算，我们选择了POPC脂质作为膜模型，因为它是一种中性磷脂，广泛用于光捕获膜蛋白的MD模拟。此外，我们还调整了QM/MM框架中的范围分离参数，以更准确地反映BChl和BPh分子的电荷转移特性。这些调整确保了在TD-DFT计算中，能够更精确地模拟出电荷转移过程中的能量变化和电子分布。

总之，本研究通过结合多种计算方法，对LH1-RC复合物中的电荷分离机制进行了深入分析，揭示了蛋白环境在这一过程中的关键作用。这些发现为理解光合作用的复杂机制提供了新的视角，并为未来的实验研究和理论模拟奠定了基础。