【摘要】 本研究通过QM/MM与Frenkel激子理论联合策略，解析紫外光诱导α-螺旋肽构象转变的CD光谱特征，提出并行化计算框架与光谱蓝移修正方案，为蛋白质折叠与光活性材料开发提供理论工具。

电子圆二色性（CD）光谱是解析α-螺旋肽等生物大分子结构的核心实验手段。然而，其高精度模拟面临计算复杂性与光谱偏移等挑战。本研究通过量子力学/分子力学（QM/MM）与Frenkel激子理论的创新结合，首次实现了27氨基酸α-螺旋肽在水相环境中的光响应构象动态模拟，为光活性材料设计与蛋白质折叠研究提供了新范式。

 

光可逆构象变化的实验与计算验证

研究聚焦紫外光诱导的α-螺旋→α-发夹构象转变（图1A）。如图1B所示，Z连接肽与游离肽的模拟CD光谱与实验数据高度吻合：

图 1. A) 肽的 α 发夹构象草图。B)计算的 Z 衍生肽 (实蓝线) 与计算的游离肽 (实红线) 的 CD 光谱对比。【1】

 

数据表明，Z连接肽的峰强降低20%，而谱带形状保持稳定，印证螺旋度局部下降的分子动力学（MD）结论——光致弯曲主要发生在螺旋转角区域，完整螺旋骨架仍得以保留。

 

QM/MM与Frenkel激子理论的应用优势

1.高效并行化计算

通过系统碎片化策略，将大规模超分子体系分解为可独立计算的QM区域（包含氢键网络关键位点），显著提升任务并行度，降低对单节点算力的依赖。

2.光谱预测精度优化

对比传统方法，QM分区选择直接影响CD谱线形状。研究证实包含特定氢键模式的QM区域可使光谱蓝移误差减少15%，为后续网格化开发奠定基础。

 

未来研究方向与计算生物学展望

1.理论模型迭代

当前Frenkel激子理论虽实现计算可行性，但半经验参数导致约10 nm蓝移。需探索TD-DFT等全量子方法与非绝热耦合修正策略。

2.超分子结构解析工具开发

基于云计算的CD光谱预测平台将突破生物聚合物（如光敏视网膜类似物）的结构表征瓶颈，推动人工光合作用系统设计。

 

参考文献：【1】Gattuso H, Garcia-Iriepa C, Sampedro D, et al. Simulating the electronic circular dichroism spectra of photoreversible peptide conformations[J]. Journal of Chemical Theory and Computation, 2017, 13(7): 3290-3296.

 

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