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绿色荧光蛋白(GFP)是一种不需要借助辅因子或者其他酶就可以发出强烈可见荧光的重要蛋白。在过去的20年中,GFP及其变体从几乎不为人所知到广泛运用于众多领域。为了调控荧光蛋白的亮度和颜色,人们设计了许多种GFP变体。总的来说,突变主要有两种方式,第一种突变直接发生在那些参与形成生色团的氨基酸残基上面,第二种突变发生在紧挨着生色团的氨基酸残基。第一种突变方式是通过改变生色团的结构(实质上主要是通过改变生色团的共轭长度)来达到改变荧光蛋白的光谱,主要代表是蓝色荧光蛋白(BFP)和青色荧光蛋白(CFP)。尽管红色荧光蛋白(RFP)不是直接来自于维多利亚多管发光水母,但是依旧可以把它归属于第一类的突变。第二种突变方式所引起的光谱的变化主要是由生色团周边的氨基酸残基的相互作用引起的。黄色荧光蛋白(YFP)是这一类突变方式的代表,它是基于GFP,用芳香性的氨基酸(组氨酸,色氨酸,苯丙氨酸和络氨酸等)定点突变位于203位的苏氨酸。在仅仅改变蛋白环境的情况下,YFP是具有最大吸收/发射波长的GFP变体。为了设计具有较高亮度和特定波长的GFP变体,我们需要了解其光谱特征和结构-性质之间的关系。尽管人们对GFP及其变体做了大量的理论和实验研究,但是对于某些特定的荧光蛋白,其结构与光物理和光化学的关系依旧不明确。所以,我们从两类突变方式中各选择一个代表性的荧光蛋白作为研究对象,它们分别是一个具有大的Stokes位移(LSS)的RFPLSSmKatel和一种YFP Citrine。与此同时,我们还研究了苝酰亚胺(PBI)衍生物聚集体的结构和光谱。我的博士工作主要集中于利用分子动力学模拟及量子化学计算研究处于蛋白环境中的荧光发光基团的光物理现象及光化学过程和水溶液中PBI衍生物手性聚集的现象。论文主要包括下面三部分:第一部分:表征处于激发态质子转移(ESPT)过程中的红色荧光蛋白LSSmKate1的结构,光谱和势能曲线。通过分子动力学(MD)模拟和量子力学/分子力学(QM/MM)的计算,我们表征了红色荧光蛋白LSSmKate1的ESPT过程中所涉及的态以及具体的过程。MD模拟的结果表明,在电子基态的时候,LSSmKate1生色团具有两种稳定的离子态,一种是中性态的生色团,另一种是阴离子态的生色团,分别对应着质子化和去质子化的状态。理论计算和实验观察得到的具有一定能量间隙的两个吸收带,正是由这两种离子态的吸收引起的。这两种离子态之间的转变,是通过光激发以后的ESPT实现的。当LSSmKate1被光激发以后,生色团上的电子会从酚环的位置迁移到生色团非五元环的碳氮双键的位置,该电子转移的方式会增加生色团酚羟基的酸性,这为后续ESPT的发生提供了有利的条件。我们计算了 ESPT过程中特定键长的势能曲线(PEC),从能量角度上看,ESTP的发生是允许的。通过QM/MM理论计算得到的LSS能够与实验上所观察到的现象产生很好的吻合,这在理论层面为LSSmKatel的ESPT过程提供了坚实的依据。同时我们的研究表明分子环境对生色团的结构和吸收/发射光谱有着重要的影响。通过对比我们还发现,尽管TD-ωB97X-D计算的结果会系统性的高估体系的激发能,但是TD-ωB97X-D/MM相对于TD-B3LYP/MM能够更好地描述LSSmKatel的光谱性质。第二部分:理论研究蛋白质环境对YFP Citrine发光基团单双光子吸收特性的影响。这一部分我们研究了蛋白质微环境对YFP Citrine单光子(OPA)和双光子(TPA)光谱的影响。首先,通过计算YFP Citrine的阴离子态生色团(Anionic Chromophore,AC)和AC+Tyr203两个模型化合物在真空和不同溶剂中的纯电子和振动分辨的OPA和TPA光谱,我们揭示了在长波长处(S0→S1)TPA的吸收带相对于OPA的吸收带出现蓝移现象的内在物理机制。计算结果表明,Herzberg-Teller(HT)电声耦合和与生色团毗邻的残基Tyr203对TPA光谱有着重要的影响。然后,我们分别运用QM/MM方法和可极化嵌入式密度泛函理论(PE-DFT)研究了蛋白质环境对AC+Tyr203的OPA和TPA光谱的影响。计算结果表明,AC+Tyr203周围的各个残基和水分子对其光谱有着不同程度的影响,而且系统和环境之间的主要作用是极化的偶极相互作用。为了正确地描述残基Arg96对AC+Tyr203的TPA光谱影响,我们需要更大的模型用以屏蔽其胍基上的正电荷。第三部分:理论研究D-葡萄糖诱导下PBI衍生物的聚集行为。为了研究水溶液中PBI衍生物在加入D-葡萄糖的时候所发生的有规则的聚集行为,我们对结构进行了经典的MD模拟,然后根据MD结构理论计算了其二聚体的圆二色(CD)光谱。从MD模拟的结果中,我们可以看到PBI-C2-BA和PBI-C4-BA(分子示意图如图5.1所示)分别沿着逆时针和顺时针的方向在空间进行有序的螺旋堆积,并导致相反的CD信号。为了证实我们的猜想,我们计算了一系列取自于MD轨迹的二聚体的吸收光谱和CD光谱。计算结果表明,最大吸收峰的位置与实验值一致(500 nm),这一吸收是来自PBI衍生物芳香共轭环的贡献。CD光谱的结果表明,PBI-C2-BA和PBI-C4-BA的二聚体具有相反的CD信号,它们可以看成是一对对映异构体。通过模拟PBI衍生物的折叠和计算简化的二聚体的CD光谱,我们重现了实验上观察到的现象,证实了CD信号的产生是由空间螺旋堆积引起的。