Molecular properties from combined QM/MM methods. 2. chemical shifts in large molecules

Journal of Physical Chemistry B

Volumn 104, Issue 15, 2000, Pages 3721-3743

  Cui, Qiang ^a   Karplus, Martin ^b  

^a HARVARD UNIVERSITY   (United States)

^b UNIVERSITÉ DE STRASBOURG   (France)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

HYDROGEN BONDS; MAGNETIC SUSCEPTIBILITY; MATHEMATICAL MODELS; PROBLEM SOLVING; TENSORS;

CHEMICAL SHIFTS; MYOGLOBIN;

NUCLEIC ACIDS;

EID: 0033748649     PISSN: 15206106     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/jp994154g     Document Type: Article

References (156)

1. See, for example: (a) Grant, D. M.; Harris, R. K., Eds. Encyclopedia of nuclear magnetic resonance; Wiley: New York, 1996.
2. (b) Wüthrich, K. NMR in structural biology; World Scientific: Singapore, 1995.
3. Brooks, C. L., Ill; Karplus, M.; Pettitt, B. M. Proteins: A Theoretical Perspective of Dynamics, Structure, & Thermodynamics; Adv. Chem. Phys. LXXI; John Wiley & Sons: New York, 1988.
4. See, for example: (a) Ösapay, K.; Case, D. A. J. Biomol. NMR 1994,4, 215.
5. (b) Case, D. A.; Dyson, H. J.; Wright, P. E. Methods Enzymol. 1994, 239, 392.
6. (c) Case, D. A. In Encyclopedia of Computational Chemistry; John Wiley: New York, 1998.
7. (d) Sitkoff, D.; Case, D. A. Prog. NMR Spectrosc. 1998, 32, 165.
8. (e) deDios, A. C.; Pearson, J. G.; Oldfield, E. Science 1993, 260, 1491.
9. (f) Le, H.; Oldfield, E. J. Biomol. NMR 1994, 4, 341.
10. (g) Halvin, R. H.; Le, H.; Laws, D. D.; deDios, A. C.; Oldfield, E. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 11951.
11. (h) Wishart, D. S.; Sykes, B. D.; Richards, F. M. J. Mol. Biol. 1991, 222, 311.
12. See, for example: (a) Ösapay, K.; Theriault, Y.; Wright, P. E.; Case, D. A. J. Mol. Biol. 1994,244, 183.
13. (b) Botuyan, M. V.; Toy-Palmer, A.; Chung, J.; Blake, R. C., II; Case, D. A.; Dyson, H. J. J. Mol. Biol. 1996, 263, 752.
14. (a) Ramsey, N. F. Phys. Rev, 1950, 78, 699.
15. (b) Ramsey, N. F. Phys. Rev. 1953, 91, 303.
16. Kolker, H. J.; Karplus, M. J. Chem. Phys. 1964, 41, 1259.
17. (a) Helgaker, T.; Jaszunski, M.; Rudd, K. Chem. Rev. 1999, 99, 293.
18. (b) Malkin, V. G.; Malkina, O. L.; Eriksson, L. A.; Salahub, D. R. In Modem Density Functional Tlieory: A Tool for Chemistry; Seminario, J. M., Politzer, P., Eds.; Elsevier Science B. V.: New York, 1995.
19. (a) Ditchfield, R. Mol. Phys. 1974, 27, 789.
20. (b) Wolinski, K.; Hinton, J. F.; Pulay, P. J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 8251.
21. Kutzelnigg, W.; Fleischer, U.; Schindler, M. In NMR-Basic Principles and Progress; Springer: Heidelberg, 1990; Vol. 28, p 1965.
22. (a) Hansen, A. E.; Bouman, T. D. J. Chem. Phys. 1985, 82, 5035.
23. (b) Hansen, P. E.; Abildgaard, J.; Hansen, A. E. Chem. Phys. Lett. 1994, 224, 275.
24. Stanton, J. F.; Gauss, J.; Siehl, H. U. Chem. Phys. Lett. 1996,262, 183.
25. Gauss, J. J. Chem. Phys. 1993, 99, 3629.
26. (a) Gauss, J.; Stanton, J. F. J. Chem. Phys. 1996, 104, 2574.
27. (b) Gauss, J.; Stanton, J. F. J. Chem: Phys. 1995, 102, 251.
28. See, for example: Parr, R. G.; Yang, W. Density-Functional Theory of Atoms and Molecules; Oxford University Press: New York, 1989.
29. (a) Vignale, G.; Rasolt, M. Phys. Rev. Lett. 1987, 59, 2360.
30. (b) Vignale, G.; Rasolt, M. Phys. Rev. B 1988, 37, 10685.
31. (c) Vignale, G.; Rasolt, M.; Geldart, D. J. W. Phys. Rev. B 1988, 37, 2502.
32. (a) van Wiillen, C. J. Chem. Phys. 1995, 102, 2806
33. (b) Salsbury, F. R., Jr.; Harris, R. A. J. Chem. Phys. 1997, 707, 7350.
34. Lee, A. M.; Handy, N. C.; Colwell, S. M. J. Chem. Phys. 1995, 103, 10095.
35. Cheeseman, J. R.; Trucks, G. W.; Keith, T. A.; Frisch, M. J. J. Chem. Phys. 1996, 104, 5497.
36. Olsson, L.; Cremer, D. J. Chem. Phys. 1996, 105, 8995.
37. (a) Malkin, V. G.; Malkina, O. L.; Salahub, D. R. Chem. Phys. Lett. 1996, 261, 335.
38. (b) Vaara, J.; Ruud, K.; Vahtras, O.; Ågren, H.; Jokisaari, J. J. Chem. Phys. 1998, 709, 1212.
39. (c) Nakatsuji, H.; Takashima, H.; Hada, M. Client. Phys. Lett. 1995,233, 95.
40. Sieber, S.; Schleyer, P. v. R.; Gauss, J. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 6987.
41. Ruiz-Morales, Y.; Ziegler, T. J. Phys. Chem. 1998, 702, 3970.
42. Valerio, G.; Goursot, A.; Vetrivel, R.; Malkina, G.; Malkin, V.; Salahub, D. R. J. Am. Chem. Soc. 1998, 720, 11426.
43. Salzmann, R.; Kaupp, M.; Mcmahon, M. T.; Oldfield, E. J. Am. Chem. Soc. 1998, 720, 4771.
44. Sapay, K.; Theriault, Y.; Wright, P. E.; Case, D. A. J. Mol. Biol. 1994, 244, 183.
45. Giessner-Prettre, C.; Pullman, B. Q. Rev. Biophys. 1987, 20, 113.
46. (a) Ösapay, K.; Case, D. A. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 9436.
47. (b) Wijmenga, S. S.; Kruithof, M.; Hilbers, C. W. J. Biol. NMR 1997, 70, 337.
48. (c) Williamson, M. P.; Asakura, T. J. Magn. Reson. B 1993, 707, 63.
49. Buckingham, A. D.; Schaefer, T.; Schneider, W. G. J. Chem. Phys. 1960, 32, 1227.
50. Sternberg, J.; Priess, W. J. Magn. Reson. 1997, 124, 8.
51. McConnell, H. M. J. Chem. Phys. 1957, 27, 226.
52. (a) Stephen, M. J. Mol. Phys. 1958, 7, 223.
53. (b) Jameson, C. J.; de Dios, A. C. J. Chem. Phys. 1992, 97, 417.
54. Sitkoff, D.; Case, D. A. J. Am. Chem. Soc. 1997, 779, 12262.
55. (a) Warshel, A.; Karplus, M. J. Am. Cliem. Soc. 1972, 94, 5612.
56. (b) Field, M. J.; Bash, P. A.; Karplus, M. J. Comput. Chem. 1990, 11, 700.
57. (c) Maseras, F.; Morokuma, K. J. Comput. Chem. 1995, 16, 1170.
58. (d) Matsubara, T.; Maseras, F.; Koga, N.; Morokuma, K. J. Phys. Chem. 1996, 100, 2573.
59. (e) Gao, J. In Reviews in Computational Chemistry; Lipkowitza, K: B., Boyd, D. B., Eds. VCH: New York, 1996; Vol. 7, p 119.
60. (f) Sighn, J.; Kollman, P. A. J. Comput. Client. 1996, 7, 718.
61. (g) Troung, T. N.; Troung, T. T.; Stefanovich, E. V. J. Chem. Phys. 1997, 707, 1881.
62. (h). Bakowies, D.; Thiel, W. J. Phys. Chem. 1996, 700, 10580.
63. Cui, Q.; Karplus, M. J. Chem. Phys. 2000, 112, 1133.
64. Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Zakrzewski, V. G.; Montgomery, J. A., Jr.; Stratmann, R. E.; Burant, J. C.; Dapprich, S.; Millam, J. M.; Daniels, A. D.; Kudin, K. N.; Strain, M. C.; Farkas, O.; Tomasi, J.; Barone, V.; Cossi, M.; Cammi, R.; Mennucci, B.; Pomelli, C.; Adamo, C; Clifford, S.; Ochterski, J.; Petersson, G. A.; Ayala, P. Y.; Cui, Q.; Morokuma, K.; Malick, D. K.; Rabuck, A. D.; Raghavachari, K.; Foresman, J. B.; Cioslowski, J.; Ortiz, J. V.; Stefanov, B. B.; Liu, G.; Liashenko, A.; Piskorz, P.; Komaromi, L; Gomperts, R.; Martin, R. L.; Fox, D. J.; Keith, T.; Al-Laham, M. A.; Peng, C. Y.; Nanayakkara, A.; Gonzalez, C.; Challacombe, M.; Gill, P. M. W.; Johnson, B.; Chen, W.; Wong, M. W.; Andres, J. L.; Gonzalez, C.; Head-Gordon, M.; Replogle, E. S.; Pople, J. A. Gaussian 98, revision A.6; Gaussian, Inc.: Pittsburgh, PA, 1998.
65. deDios, A. C.; Oldfield, E. Chem. Phys. Lett. 1993, 205, 108.
66. (a) deDios, A. C.; Oldfield, E. J. Am. Chem. Soc. 1994,116,11485.
67. (b) Pearson, J. G.; Le, H.; Sanders, L. K.; Godbout, N.; Halvin, R. H.; Oldfield, E. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 11941.
68. (a) Brüschweiler, R.; Case, D. A. Prog. NMR Spectrosc. 1994, 26, 27.
69. (b) Scheurer, C.; Skrynnikov, N. R.; Lienin, S. F.; Straus, S. K.; Brüschweiler, R.; Ernst, R. R. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 4242.
70. Stefanovich, E. V.; Troung, T. N. J. Phys. Chem. B 1998, 102, 3018.
71. Cremer, D.; Olsson, L.; Reiche!, F.; Krake, E. Isr. J. Chem. 1993, 33, 369.
72. Cammi, R.; Mennucci, B.; Tomasi, J. J. Chem. Phys. 1999, 110, 7627.
73. Lienin, S. F.; Bremi, T.; Brutscher, B.; Brüschweiler, R.; Ernst, R. R. J. Am. Chem. Soc. 1998, 720, 9870.
74. Lyne, P.; Hodoscek, M.; Karplus, M. J. Phys. Chem. 1999, 103, 3462.
75. See, for example: Case, D. A. Curr. Opin. Struct. Biol. 1998, 8, 624.
76. Pulay, P.; Wolinksi, K.; Hinton, J. F. The Texas Program; University of Arkansas: Fayetteville, AR, 1991.
77. Salter, E. A.; Trucks, G. W.; Bartlett, R. J. J. Chem. Phys. 1989, 90, 1752.
78. (a) Stone, A. J. Chem. Phys. Lett. 1981, 83, 233.
79. (b) Stone, A. J.; Alderton, M. Mol. Phys. 1985, 56, 1047
80. Stone, A. J. The Theory of Intermolecular Force s; Oxford University Press: Oxford, 1996.
81. Svensson, M.; Humbel, S.; Froese, R. D.; Matsubara, T.; Sieber, S.; Morokuma, K. J. Phys. Chem. 1997, 700, 19357.
82. (48) Cui, Q.; Karplus, M. Work in progress.
83. Day, P. N.; Jensen, J. H.; Gordon, M. S.; Webb, S. P.; Stevens, W. J.; Krauss, M.; Garnier, D.; Basch, H.; Cohen, D. J. Chem. Phys. 1996, 705, 1968.
84. Haigh, C. W.; Mallion, R. B. Prag. NMR Spectrosc. 1980,13, 303.
85. (a) Ditchfield, R. J. Chem. Phys. 1976, 65, 3123.
86. (b) Höller, R.; Lischka, H. Chem. Phys. Lett. 1981, 84, 94.
87. (c) Chesnut, D. B.; Rusiloski, B. E. J. Phys. Chem. 1993, 97, 2839.
88. (a) Becke, A. D. Phys. Rev. A 1988, 38, 3098.
89. (b) Lee, C.; Yang, W.; Parr, R. G. Phys.'Reu. B 1988, 37, 785.
90. (c) Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648.
91. (a) Krishnan, R.; Binkley, J. S.; Seeger, R.; Pople, J. A. J. Chem. Phys. 1980, 72, 650.
92. (a) Jorgensen, W. L.; Chandrasekhar, J.; Madura, J. P. J. Chem. Phys. 1983, 79, 926.
93. (b) Neria, E.; Fisher, S.; Karplus, M. J. Chem. Phys. 1996, 705, 1902.
94. Boys, S. F.; Bernard!, F. Mol. Phys. 1970, 79, 553.
95. Ferchiou, S.; Giessner-Prettre, C. Chem. Phys. Lett. 1983, 70J, 156.
96. Flygare, W. H. Chem. Rev. 1974, 74, 653.
97. Stillinger, F. H.; Rahman, A. J. Chem. Phys. 1974, 60, 1545.
98. (a) Ditchfield, R.; Hehre, W. J.; Pople, J. A. J. Chem. Phys. 1971, 54, 724.
99. (b) Hehre, W. J.; Ditchfield, R.; Pople, J. A. J. Chem. Phys. 1972, 56, 2257.
100. MacKerell, A. D,; Wiorkiewiczkuczera, J.; Karplus, M. J. Am. Chem. Soc. 1995, 777, 11946.
101. Kieft, J. S.; Tinoco, L, Jr. Structure 1997, 5, 713.
102. Wedekind, J. E.; McKay, D. B. Nat. Struct. Biol. 1999, 6, 261.
103. Markowski, V.; Sullivan, G. R.; Roberts, J. D. J. Am. Chem. Soc. 1977, 99, 714.
104. See, for example: (a) no. 7 issue of Chem. Rev. 1996,96.
105. (b) Fersht, A. Structure and Mechanism in Protein Science; W. H. Freeman and Company: New York, 1999.
106. See, for example: (a) Saenger, W. Principles of Nucleic Acid Structure; Springer-Verlag: New York, 1984.
107. (b) Draper, D. E.; Misra, V. K. Nat. Struct. Biol. 1998, 5, 927.
108. (a) Vallee, B. L.; Auld, D. S. Faraday Discuss. 1992, 93, 47.
109. (b) Vallee, B. L.; Auld, D. S. Ace. Chem. Res. 1993, 26,543.
110. (c) Vallee, B. L.; Auld, D. S. Biochem. 1993, 32, 6493.
111. Klug, A.; Schwabe, J. W. R. FASEB J. 1995, 9, 597.
112. (b) Berg, J. M.; Shi, Y. Science 1996, 277, 1081.
113. (a) Eklund, H.; Nordstrom, B.; Zeppezauer, E.; Söderlund, G.; Ohlsson, I.; Boiwe, T.; Söderberg, B. O.; Tapia, O.; Brändén, C. L; Åkeson, Å. J. Mol. Biol. 1976, 702, 27.
114. (b) Eklund, E.; Samama, J. P.; Wallen, L.; Bränden, C. I.; Åkeson, Å.; Jones, T. A. J. Mol. Biol. 1981, 146, 561.
115. Maret, W.; Larsen, K. S.; Vallee, B. L. Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 1997, 94, 2233.
116. (a) Honzatko, R. B.; Crawford, J. L.; Monaco, H. L.; Ladner, J. E.; Edwards, B. F. P.; Evans, D. R.; Warren, S. G.; Wiley: D. C.; Ladner, R. C.; Lipscomb, W. N. J. Mol. Biol. 1982,160, 219.
117. (b) Lipscomb, W. N. Adv. Enzymol. Relat. Areas Mol. Biol. 1994, 68, 67.
118. See, for example: (a) Cate, J. H.; Hanna, R. L.; Doudna, J. A. Nat. Struct. Biol. 1997, 4, 553.
119. (b) Pyle, A. M. Science 1993, 267, 709.
120. See, for example: (a) Kruger, K.; Grabowski, P. J.; Zaug, A. J.; Sands, J.; Gottschling, D. E.; Cech, T. R. Cell 1982,31,147.
121. (b) Guerrier-Takada, C.; Gardiner, K.; Marsh, T.; Pace,- N.; Altman, S. Cell 1983.-35; 849.
122. (a) Pan, T.; Uhlenbeck, O. C. Nature 1992, 358, 560.
123. (b) Pan, T.; Uhlenbeck, O. C. Biochemistry 1992,31, 3887.
124. (c) Legault, P.; Hoogstraten, C. G.; Metlitzky, E.; Pardi, A. J. Mol. Biol. 1998,284.325.
125. (d) Hoogstraten, C. G.; Legault, P.; Pardi, A. R. J. Mol. Biol. 1998, 284, 337.
126. (a) Kaupp, M.; Schleyer, P. v. R.; Stoll, H.; Preuss, H. J. Chem. Phys 1991,94,1360.
127. (b) Kuechle, W.; Dolg, M.; Stoll, H.; Preuss, H. Mol. Phys. 1991, 74, 1245.
128. (a) Hay, P. J.; Wadt, W. R. J. Chem. Phys. 1985,82,270;
129. (b)Hay, P. J.; Wadt, W. R. J. Chem. Phys. 1985, 82, 284;
130. Hay, P. J.; Wadt, W. R. J. Chem. Phys. 1985, 82, 299.
131. Allen, F. H.; Davies, J. E.; Galloy, J. J.; Johnson, O.; Kennard, O.; MacRae, C. F.; Mitchell, E. M.; Mitchell, G. F.; Smith, J. M.; Watson, D. G. J. Chem. Inf. Comput. Sci. 1991, 31, 187.
132. McMahon, M. T.; deDios, A. C.; Godbout, N.; Salzmann, R.; Laws, D. D.; Le, H.; Havlin, R. H.; Oldfield, E. J. Am. Chem. Soc. 1998, 720, 4784.
133. MacKerell, A. et al. J. Phys. Chem. B 1998, 102, 3586.
134. Schafer, A.; Horn, H.; Ahlrichs, R. J. Chem. Phys. 1992, 97,2571.
135. Kachalova, G. S.; Popov, A. N.; Bartunik, H. D. Science 1999, 284,413.
136. (a) Augspurger, J. D.; Dykstra, C. E.; Oldfield, E. J. Am. Chem. Soc. 1991,113,2446.
137. (b) Oldfield, E.; Guo, K.; Augspurger, J. D.; Dykstra, C. E. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 7537.
138. Kollwitz, M.; Gauss, J. Chem. Phys. Lett. 1996, 200, 639.
139. Oppenheimer, N. J.; Davidson, R. M. Org. Magn. Reson. 1980, 13, 14.
140. Cho, H.; Ramaswamy, S.; Plapp, B. V. Biochemistry 1997,36,382.
141. Dejaegere, A. P.; Case, D. A. J. Phys. Chem. A 1998, 102, 5280.
142. Mikkelsen, K. V.; Ruud, K.; Helgaker, T. Chem. Phys. Lett. 1996, 255, 443.
143. (a) Malkin, V. G.; Malkina, O. L.; Steinebrunner, G.; Huber, H. Chem-Eur. J. 1996, 2, 452.
144. (b) Chesnut, D. B.; Rusiloski, B. E. Chem. Phys. Lett. 1994, 314, 19.
145. Bopp, P.; Jancsò, G.; Heinzinger, K. Chem. Phys. Lett. 1983, 98, 129.
146. (a) Nymand, T. M.; Åstrand, P.; Mikkelsen, K. J. Phys. Chem. 1997, 707, 4105.
147. (b) Nymand, T. M.; Åstrand, P. J. Chem. Phys. 1997, 106, 8332.
148. Brooks, C. L., III; Karplus, M. J. Chem. Phys. 1983, 79, 6312.
149. Dang, L. X.; Pettitt, B. M. J.-Phys. Chem. 1987, 91, 3349.
150. Gao, J. / Chem. Phys. 1998, 109, 2346.
151. Soper, A. K.; Phillips, M. G. Chem. Phys. 1986, 707, 47.
152. Lie, G. C.; Clementi, E. Phys. Rev. A 1986, 33, 2679.
153. (a) Hindman, J. C. J. Chem. Phys. 1966,44, 4582.
154. (b) Raynes, W. T. Niicl. Magn. Resn. 1978, 7, 1.
155. (c) Florin, A. E.; Alei, M. J. Phys. Chem. 1967, 47, 4268.
156. (d) Raynes, W. T. Mol. Phys. 1983, 49, 443.