氧杂单亚甲基和硫杂单亚甲基花青与RNA复合物中的三重态：重原子效应与溶剂可及表面积依赖的显色团屏蔽

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Triplet states of oxa- and thiamonomethine cyanines in complexes with RNA: Heavy atom effect and SASA-dependent chromophore shielding

　　

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  O → S 取代增强 MCD–RNA 复合物中的系间窜越。
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  SOCME 随重原子效应增大（O < S < Se）；SASA 将结合模式与动力学关联起来。
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  嵌入结合暴露 14–17%（三重态衰减慢）；沟槽结合暴露 33–49%（衰减快）。
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  SASA 是 RNA 复合物中三重态光物理学的结构描述符。

引言

研究有机染料与蛋白质和核酸（NAs）等生物大分子复合物的光化学性质，对于多种生物医学应用具有重要意义，从光敏剂光生物活性的设计与预测到新类型分子探针的创建 [1], [2], [3]。由于其独特的性能组合，多甲川（菁）染料引起了研究人员的特别关注 [1], [3], [4], [5], [6]。由于多甲川链中的 π 电子共轭，菁染料在广泛的波长范围内具有高的消光系数（高达 ~10⁵ M^?1 cm^?1，取决于多甲川链的长度），并已被用作核酸的非共价荧光探针 [7]。与此同时，柔性多甲川链作为电子激发能超快非辐射耗散的关键结构因素：甲炔桥的构象运动性打开了有效的内转换（IC）通道，这些通道比荧光和系间窜越（ISC）至三重态（T）态（S? – T）快几个数量级 [8], [9], [10]。当菁染料与生物大分子形成非共价复合物时，配体的构象不稳定性受到限制，荧光和 T 态的量子产率均可急剧增加 [3], [11], [12], [13], [14]。

单甲川菁染料（MCDs）的特点是它们的发色团仅含有一个 –CH＝ 单元。对于这些染料，通过 IC 和 ISC 途径的激发态失活通道之间的竞争对生物聚合物基质施加的运动性限制最为敏感 [3], [15]，使其成为研究微环境结构与三重态动力学之间关系的理想模型体系 [16]。

在极性有机溶剂中，MCDs 主要以单体形式存在，荧光量子产率保持较低 [3], [16]。向 MCD 水缓冲溶液中加入 DNA 或 RNA 会导致一系列特征光谱变化，表明复合物的形成。对于所有化合物，与核酸结合都会导致荧光强度急剧增加 [3], [4], [5], [6], [16], [17]。复合物中的高量子产率直接表明由于染料在核酸结合位点上的固定而对内转换（IC）的有效抑制 [3]。在过量核酸存在下的荧光激发光谱呈现单一谱带，对应于结合态的单形式染料 [16], [17]。

需要注意的是，迄今为止，MCD 的 T 态主要在 DNA 复合物中进行了研究 [3]。对于 RNA，相应的数据则几乎不存在。

决定 MCD 中 ISC 效率的关键因素是末端环中杂原子的本质。将氧原子（苯并噁唑）替换为硫原子（苯并噻唑）可能导致自旋-轨道耦合（SOC）显著增强，并因此导致 ISC 速率常数增大（重原子效应）[9], [18]。因此，在相同条件下平行研究 MCD 的氧代和硫代衍生物，提供了评估重原子效应对 T 态布居的贡献以及追踪其与结合位点结构之间关系的机会。

三重态动力学的非均匀性问题也很重要；此前已表明，MCD–DNA 复合物中 MCD T 态的衰减动力学是非单指数的 [16]。这表明存在至少两种具有不同微环境的三重态分子群体。然而，尚未提出对该现象的令人满意的解释。同样值得注意的是，RNA 双螺旋的 A 型形式与 DNA 的 B 型形式之间存在显著的结构差异：更宽更浅的小沟、碱基对偏离轴线位移以及核糖中 2′-羟基的存在 [19], [20]。这些特征可显著影响配体结合的类型（嵌入、小沟或大沟），从而对其运动性限制的程度和发色团对溶剂的屏蔽程度产生影响。

这种屏蔽的定量度量是溶剂可及表面积（SASA），最初由 Lee 和 Richards 开发，用于估计蛋白质功能基团的暴露程度 [21], [22], [23], [24], [25]。在文献 [26] 中，表明基于被氧化氨基酸残基的单独贡献之和（考虑其 SASA），可以相当准确地估计蛋白质被单线态氧氧化的速率常数。SASA 已成功应用于分析配体–DNA 结合中的疏水贡献 [27] 以及确认与 G-四链体 RNA 的复合物形成 [28]。然而，此前尚未使用该参数来解释非共价染料–RNA 复合物中的三重态动力学。与此同时，SASA 作为发色团对溶剂（因此也是对溶解于其中的分子）可及性的定量指标的物理含义，使 SASA 成为解释配体 T 态动力学特征的自然结构描述符。

在本工作中，我们通过结合闪光光解、量子化学计算、分子对接和溶剂可及表面积（SASA）分析，研究了氧代和硫代单甲川菁染料与 RNA 复合物中的三重态。五种染料（MCD 1–5，图 1）是不对称衍生物，含有喹啉部分和可变的末端基团（苯并噁唑或苯并噻唑）以及侧取代基 [29]；第六种化合物（MCD 6）是对称的双苯并噻唑类似物。

在本研究中，我们使用从分子对接构象估算的发色团溶剂可及表面积（SASA）作为结构描述符，与观测到的三重态寿命进行直接关联。通过结合闪光光解（直接和敏化 T 态布居）和自旋-轨道耦合（SOC）矩阵元的量子化学计算，我们建立了杂原子本质与 MCD T 态布居效率之间的关系。我们的分析表明，MCD T 态衰减的双指数动力学是嵌入和沟槽定位的染料配体分子共存的结果。获得了发色团屏蔽程度（SASA）与 T 态寿命之间的关系，为基于结构的光活性配体设计奠定了基础。我们的结果表明，SASA 可作为预测性结构描述符，与双指数三重态衰减动力学相关，可能为解释生物聚合物环境中染料的光物理学提供新的基于结构的框架。

节选片段

试剂、溶液和样品制备

按照已发表的方法 [29] 合成的单甲川菁染料 MCD 1–5，由乌克兰国家科学院分子生物学与遗传学研究所提供（S.M. Yarmoluk 教授）。对称苯并噻唑染料 MCD 6 购自俄罗斯科学院 N.D. Zelinsky 有机化学研究所（Zh.A. Krasnaya 教授）。MCD 6 按照基于季盐缩合的常规程序合成。

MCD 与 RNA 复合物中三重态的光谱和动力学特征

在 c_RNA = 0 M 时，对脱气染料溶液的直接闪光光激发未能检测到 T–T 吸收信号。这是由于靛菁染料的激发单线态（S₁）的非辐射失活（IC）过程占主导地位，导致 ISC 至 T 态的量子产率较低 [3]。对于靛菁染料，IC 速率常数（k_IC）可能比 ISC 至 T 态的速率常数（k_ISC）高出几个数量级，这导致非常低的量子产率。

结论

在本工作中，我们利用闪光光解、量子化学计算、分子对接和 SASA 分析，系统地研究了一系列 MCD 与酵母 RNA 非共价复合物中的三重态。

在溶液中，MCD 不表现出可检测的 ISC 至 T 态。模型苯并噁唑（YO，0.771 cm^?1）和苯并噻唑（TO，1.957 cm^?1）发色团的计算 SOCME 值与实验数据定性一致：硫代衍生物在布居

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本论文所报告的工作。

致谢

作者感谢乌克兰国家科学院分子生物学与遗传学研究所的 S.M. Yarmoluk 教授和俄罗斯科学院 N.D. Zelinsky 有机化学研究所的 Zh.A. Krasnaya 教授提供靛菁染料。

本工作是在俄罗斯科学院 IBCP 的国家任务下进行的：三重态光谱实验研究、分子对接和 SASA 计算在国家任务编号 122041400102-9 范围内完成。

Pavel G. Pronkin|Tatiana Yu. Astakhova|Elena N. Timokhina|Alexander S. Tatikolov