What Happens to a Pyrrole Hemithioindigo Photoswitch Trapped in a Fluorescent Protein?

光电开关 光异构化 荧光 发色团 异构化 光化学 化学 分子间力 位阻效应 分子开关 分子 立体化学 有机化学 物理 量子力学 催化作用
作者
Ke Ding,Qianqian Gong,Gang Wang,Cheng‐Xing Cui,Fengyi Liu
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.3c05894
摘要

Artificial molecular photoswitches that can be reversibly controlled into different configurations by external light stimulation have broad application prospects in various fields, such as materials and chemical biology. Among them, the pyrrole hemithioindigo (PHT) photoswitch has a geometric structure similar to that of the fluorescent protein chromophore. What happens when the chromophore is replaced by PHT, and does it achieve similar functions to the original one? To answer these questions, we carried out ONIOM(QM/MM) and classical molecular dynamics studies on the photoisomerization mechanism and spectroscopic properties of PHT in the fluorescent protein. The results showed that in the protein environment, the fate of excited PHT is governed by the competition between fluorescence emission and hula-twist isomerization. Due to the strong steric hindrance effects caused by the interlacing residues in the protein that restrict the PHT conformation transformation, the cis-to-trans isomerization process of PHT needs to overcome a barrier of at least 4.9 kcal/mol; thus, fluorescence emission is more dominant in competition. It is also found that the intermolecular interaction between LYS67 and the carbonyl oxygen of PHT has a significant effect on the fluorescence emission. These results revealed the photochemical reaction mechanism of a light-driven molecular switch in the fluorescent protein and provided further theoretical support for the field of chemical biology.
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