视黄醛在视觉成像过程中的激发态动力学

The retinal chromophore acts as a receiver of the optical signal in the eyeball and plays a key role in the formation of human vision. A large number of studies have been performed, aiming to determine to determine the mechanism of action of retinal in the process of visual formation. However, there are still a lot of controversies on some fundamental excited-state dynamics information, such as the photoisomerization, nonadiabatic relaxation and possible intermediate states along the isomerization process. The effects of various factors on the dynamics process are also required to be explored. In this project, we intend to study excited-state potential energy surfaces, charge distributions, dipole moments and stereoselectivity of products of retinal molecules along the photoisomerization process employing the many-body Green’s function theory. The effects of various factors on the excited state of retinal and its participating reaction mechanism will be obtained by changing the electrical properties of retinal, the conjugate length of carbon skeleton, and the protein environment. The applicant has previously conducted an in-depth study on the energy transfer performance of excited state for carotenoids in the photosynthetic system, which lays a good foundation for the studies on retinal in this project. The retinal excited state kinetics information obtained in this project will help to deepen people's understanding of the mechanism of visual formation. It will also provide theoretical information for designing retinal-based photoactive molecular devices and expanding the application field of retinal.

视黄醛发色团作为眼球中光信号的接收者，在人类视觉形成中起着关键作用。大量研究尝试确定视黄醛在视觉形成过程中的作用机制，但其中的光致异构化、非绝热弛豫、中间态等重要激发态动力学信息仍有诸多争议，各种因素对动力学过程的影响也有待进一步研究。本项目拟采用多体格林函数方法，对视黄醛分子进行光致异构化反应的激发态势能面、电荷分布、偶极矩、产物的立体选择性等性质开展研究。通过改变视黄醛的电性、碳骨架共轭长度、蛋白质环境等，探究各因素对视黄醛激发态性质及反应机理的影响。申请人之前对细菌类胡萝卜素激发态能量传递性能的研究，为本项目的视黄醛研究打下了良好的基础。本项目所获得的视黄醛激发态动力学信息将有助于加深人们对视觉形成机理的理解，也可以为设计基于视黄醛的光活性分子器件、拓展视黄醛的应用领域提供理论信息。

不同的脊椎动物拥有不同的视蛋白，可以看到不同的单色，但它们却拥有相同的发色团，也是现在唯一可以确定的发色团——视黄醛。在千万年的独立进化中，并没有其他分子代替视黄醛的地位，表明了视黄醛独特结构的重要性。我们结合使用密度泛函方法和多体格林函数方法，对视黄醛独特的共轭度N=6、饱和官能团甲基、醛基等结构特点与其功能之间的关系进行研究。我们设计拥有多种共轭度、多种官能团等特性的视黄醛衍生物与视黄醛进行对比实验，以明确视黄醛结构的特殊性。11-cis视黄醛首先经过质子化，然后在光激发下扭转为all-trans构型，这期间周围的视蛋白发生变化从而刺激视神经产生视觉。我们的研究结果表明，虽然视黄醛的捕光范围小于光合系统中常见的其他类胡萝卜素，但只有当共轭度为6时，结构的质子化可以在扩大捕光范围方面发挥最大作用。质子化是否能够扩大物质吸光范围、降低扭转能垒，与官能团的种类有关。在多种官能团中，甲基饱和结构与氢饱和结构的能级大小、吸光范围、轨道分布形状最相似。在增加结构稳定性的同时，能最大程度的保留原始结构的性质，这有可能是甲基广泛出现在类胡萝卜素中的原因。我们的研究可以进一步理解视黄醛结构与性质的对应关系，促进视黄醛相关病变的治疗以及视黄醛相关药物的研发，对其他类胡萝卜素的结构改良和功能研究也有借鉴意义。

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