Proton transfer in bacteriorhodopsin: Structure, excitation, IR spectra, and potential energy surface analyses by an ab initio QM/MM method

Journal of Physical Chemistry B

Volumn 104, Issue 45, 2000, Pages 10678-10691

  Hayashi, Shigehiko ^a,b,c   Ohmine, Iwao ^a  

^a NAGOYA UNIVERSITY   (Japan)

^b JAPAN SOCIETY FOR THE PROMOTION OF SCIENCE   (Japan)

^c UNIVERSITY OF ILLINOIS AT URBANA CHAMPAIGN   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

CHARGE TRANSFER; FOURIER TRANSFORM INFRARED SPECTROSCOPY; OPTICAL PROPERTIES; POLARIZATION; PROTEINS; QUANTUM THEORY;

BACTERIORHODOPSIN; POTENTIAL ENERGY SURFACE ANALYSES; PROTON TRANSFER; STRUCTURE EXCITATION;

PROTONS;

EID: 0034321020     PISSN: 15206106     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/jp001508r     Document Type: Article

References (88)

1. Mathies, R. A.; Lin, S. W.; Ames, J. B.; Pollard, W. T. Annu. Rev. Biophys. Biophys. Chem. 1991, 20, 491.
2. Rothschild, K. J. J. Bioenerg. Biomembr. 1992, 24, 147.
3. Oesterhelt, D.; Tittor, T.; Bamberg, E J. Bioenerg. Biomembr. 1992, 24, 181.
4. Lanyi, J. K. Biochim. Biophys. Acta 1993, 1183, 241.
5. Schulten, K.; Humphrey, W.; Logunov, M.; Sheves, M.; Xu, D. Isr. J. Chem. 1995, 35, 447.
6. Spudich, J. K.; Lanyi, J. K. Curr. Opin. Cell Biol. 1996, 8, 452.
7. Haupts, U.; Tittor, J.; Bamberg, E.; Oesterhelt, D. Biochemistry 1997, 36, 2.
8. Lanyi, J. K. J. Biol. Chem. 1997, 272, 31209.
9. Subramaniam, S.; Lindahl, M.; Bullough, P.; Faruqi, A. R.; Tittor, J.; Oesterhelt, D.; Brown, L.; Lanyi, J.; Henderson, R. J. Mol. Biol. 1999, 287, 145.
10. Luecke, H.; Schobert, B.; Richter, H. T.; Cartailler, J. P.; Lanyi, J. K. J. Mol. Biol. 1999, 291, 899.
11. Belrhali, H.; Notiert, P.; Royant, A.; Menzel, C.; Rosenbusch, J. P.; Landau, E. M.; Pebay-Peyroula, E. Structure 1999, 7, 909.
12. Edman, K.; Mollert, P.; Royant, A.; Belrhali, H.; Pebay-Peyroula, E.; Hajdu, J.; Neutze, R.; Landau, E. M. Nature 1999, 407, 822.
13. Luecke, H.; Schobert, B.; Richter, H. T.; Cartailler, J. P.; Lanyi, J. K. Science 1999, 286, 255.
14. Maeda, A.; Sasaki, J.; Shichida, Y.; Yoshizawa, T. Biochemistry 1992, 31, 462.
15. Hatanaka, M.; Kandori, H.; Maeda, A. Biophys. J. 1997, 73, 1001.
16. Kandori, H.; Kinoshida, N.; Shichida, Y.; Maeda, A. J. Phys. Chem. B 1998, 702, 7899.
17. Xu, D.; Sheves, M.; Schulten, K. Biophys. J. 1995, 69, 2745.
18. Humphrey, W.; Xu, D.; Sheves, M.; Schulten, K. J. Phys. Chem. 1995, 99, 14549.
19. Nina, M.; Roux, B.; Smith, J. C. Biophys. J. 1995, 68, 25.
20. Roux, B.; Nina, M.; Pomes, R.; Smith, J. C. Biophys. J. 1996, 71, 670.
21. Petrich, J. W.; Breton, J.; Martin, J. L.; Antonetti, A. Chem. Phys. Lett. 1987, 137, 369.
22. Mathies, R. A.; Brito Cruz, C. H.; Pollard, W. T.; Shank, C. V. Science 1988, 240, 777.
23. Dobler, J.; Zinth, W.; Kaiser, W.; Oesterhelt, D. Chem. Phys. Lett. 1988, 144, 215.
24. Govindjee, R.; Balashov, S. P.; Ebrey, T. G. Biophys. J. 1990,58, 597.
25. Tittor, J.; Oesterhelt, D. FEBS Lett. 1990, 263, 269.
26. Hasson, K. C.; Gai, F.; Anfmrud, P. A. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1996, 93, 15124.
27. Gai, F.; Hasson, K. C.; McDonald, J. C.; Anfinrud, P. A. Science 1998, 279, 1886.
28. Alfano, R. R.; Govindjee, R.; Becher, B.; Ebrey, T. G. Biophys. J. 1976, 16, 541.
29. Shapiro, S. L.; Campillo, A. J.; Lewis, A.; Perreault, G. J.; Spoonhower, J. P.; Clayton, R. K.; Stoeckenuis, W. Biophys. J. 1978, 23, 383.
30. Logunov, S. L.; Song, L.; El-Sayed, M. A. J. Phys. Chem. 1996, 700, 18586.
31. Birge, R. R.; Cooper, T. M.; Lawrence, A. F.; Masthay, M. B.; Vasilakis, C.; Zhang, C. F.; Zidovetzki, R. J. Am. Chem. Soc. 1989, 777, 4063.
32. Yamato, T.; Kakitani, T. Photochem. Photobiol. 1997, 66, 735.
33. Xu, D.; Martin, C.; Schulten, K. Biophys. J. 1996, 70, 453.
34. Humphrey, W.; Lu, H.; Logunov, I.; Werner, H. J.; Schulten, K. Biophys. J. 1998, 75, 1689.
35. Ben-Num, M.; Molnar, F.; Lu, H.; Phillips, J. C.; Martinez, T. D.; Schulten, K. Faraday Discuss. 1998, 770, 447.
36. Molnar, F.; Ben-Num, M.; Martinez, T. J.; Schulten, K. J. Mol. Struct.: THEOCIIEM, a special WATOC issue in press.
37. Garavelli, M.; Celani, P.; Bernardi, F.; Robb, M. A.; Olivucci, M. J. Am. Chem. Soc. 1997, 779, 6891.
38. Vreven, T.; Bernardi, F.; Garavelli, M.; Olivucci, M.; Robb, M. A.; Schlegel, H. B. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 12687.
39. Garavelli, M.; Vreven, T.; Celani, P.; Bernardi, F.; Robb, M. A.; Olivucci, M. J. Am. Chem. Soc. 1998, 720, 1285.
40. (a) Field, M. J.; Bash, P. A.; Karplus, M. J. Comput. Chem. 1990, 6, 700.
41. (b) Gao, J. Ace. Chem. Res. 1996, 29, 298.
42. (c) Monard, G.; Merz, K. M., Jr. Acc. Chem. Res. 1999,32,904 and references therein.
43. (d) Maseras, F.; Morokuma K. J. Comput. Chem. 1995, 16, 1170.
44. (e) Merill, G. M.; Gordon, M. S. J. Phys. Chem. A 1998, 702, 2650.
45. Logunov, L; Schulten, K. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 9727.
46. Ten-no, S.; Hirata, F.; Kalo, S. J. Chem. Phys. 1994, 700, 7443.
47. Bayly, C.; Cieplak, P.; Cornell, W.; Kollman, P. A. J. Phys. Chem. 1993, 97, 10269.
48. Luecke, H.; Richter, H. T.; Lanyi, J. K. Science 1998, 280, 1934.
49. Grigorieff, N.; Ceska, T. A.; Downing, K. H.; Baldwin, J. M.; Henderson, R. J. Mol. Biol. 1996, 259, 393.
50. Sasaki, J.; Lanyi, J. K.; Needleman, R.; Yoshizawa, T.; Maeda, A. Biochemistry 1994, 33, 3178.
51. Brown, L. S.; Sasaki, J.; Kandori, H.; Maeda, A.; Needleman, R.; Lanyi, J. K. J. Biol. Chem. 1995, 270, 27122.
52. Binkley, J. S.; Pople, J. A.; Hehre, W. J. J. Am. Chem. Soc. 1980, 702, 939.
53. Dunnine, T. H., Jr.; Hay, P. J. In Method of Electronic Structure Theory; Shaefer, H. F., III, Ed.; Plenum Press: New York, 1977; Chapter 1.
54. Clark, T.; Chandrasekhar, J.; Spitznagel, G. W.; von Schleyer, P. R. J. Comput. Chem. 1983, 4, 294.
55. Cornell, W. D.; Cieplak, P.; Bayly, C. L; Gould, I. R.; Merz, K. M., Jr.; Ferguson, D. M.; Spellmeyer, D. C.; Fox, T.; Caldwell, J. W.; Kollman, P. A. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 5179.
56. Jorgensen, W. L.; Chandreskhar, J.; Madura, J. D.; Impey, R. W.; Klein, M. L. J. Chem. Phys. 1982, 79, 926.
57. Dupuis, M.; Chin, S.; Marquez, A. In Relativistic and Electron Correlation Effects in Molecules and Clusters; Malli, G. L., Ed.; NATO ASI Series; Plenum Press: New York, 1992.
58. Schmidt, M. .W.; Baldridge, K. K.; Boatz, J. A.; Elbert, S. T.; Gordon, M. S.; Jensen, J. H.; Koseki, S.; Matsunaga, N.; Nguyen, K. A.; Su, S. J.; Windus, T. L.; Dupuis, M.; Montgomery, J. S. J. Comput. Chem. 1993, 14, 1347.
59. Tajkhorshid, E.; Baudry, J.; Schulten, K.; Suhai, S. Biophys. J. 2000, 78, 683.
60. Hatanaka, M.; Kashima, R.; Kandori, H.; Friedman, N.; Sheves, M.; Needleman, R.; Lanyi, J. K.; Maeda, A. Biochemistry 1997, 36, 5493.
61. Sato, H.; Hirata, F. J. Phys. Chem. 1998, 702, 2603.
62. Tajkhorshid, E.; Suhai, S. Theor. Chem. Acc. 1999, 101, 180.
63. Morokuma, K. J. Chem. Phys. 1971, 55, 1236.
64. Kitaura, K.; Morokuma, K. Int. J. Quantum Chem. 1976, 10, 325.
65. Chen, W.; Gordon, M. S. /. Phys. Chem. 1996, 100, 14316.
66. Nakayama, K.; Nakano, H.; Hirao, K. Int. J. Quantum Chem. 1998, 66, 157.
67. Hirao, K. Chem. Phys. Lett. 1992, 790, 374.
68. Hirao, K. Chem. Phys. Lett. 1992, 196, 397.
69. Hirao, K. Chem. Phys. Lett. 1993, 201, 59.
70. Nakano, H. J. Chein. Phys. 1993, 99, 7983.
71. Nakano, H. MR2D, version 2; University of Tokyo: Tokoyo, 1995.
72. Du, P.; Davidson, E. R. J. Phys. Chem. 1990, 94, 7013.
73. Mogi, T.; Stern, L.; Marti, T.; Chao, B.; Khorana, H. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1988, 55, 4148.
74. Needleman, R.; Chang, M.; Ni, B.; Varo, G.; Fernes, J.; White, S. H.; Lanyi, J. K. J. Biol. Chem. 1991, 266, 11478.
75. Song, L.; El-Sayed, M. A.; Lanyi, J. K. Science 1993, 267, 891.
76. Yamamoto, S.; Wasada, H.; Kakitani, T. J. Mol. Struct.: THEOCHEM 1998, 451, 151.
77. Birge, R. R.; Zhang, C. F. J. Chem. Phys. 1990, 92, 7178.
78. Houjou, H.; Inoue, Y.; Sakurai, M. /. Am. Chem. Soc. 1998, 720, 4459.
79. Hodošček, M.; Hadži, D. Can. J. Chem. 1985, 63, 1528.
80. Hadži, D. J. Mol. Struct. 1988, 777, 1.
81. Zhang, Y.; Liu, H.; Yang, W. J. Chem. Phys. 2000, 112, 3483.
82. Fukui, K.; Kato, S.; Fujimoto, H. J. Am. Chem. Soc. 1997, 97, 1.
83. Kandori, H. Personal communication.
84. Kandori, H.; Kinoshita, N.; Yamazaki, Y.; Maeda, A.; Shichida, Y.; Needleman, R.; Lanyi, J. K.; Bizounok, M.; Herzfeld, J.; Raap, J.; Lugtenburg, J. Biochemistry 1999, 38, 9676.
85. Torii, H.; Tasumi, M. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 466.
86. Singh, U. C; Kollman, P. A; J. Compul. Chem. 1986, 7, 718.
87. Field, M. J.; Bash, P. A.; Karplus, M. A. /. Compta. Chem. 1990, 77, 700.
88. Sato, H.; Hirata, F.; Kato, S. J. Chem. Phys. 1996, 705, 1546.