Is a "proton wire" concerted or stepwise? A model study of proton transfer in carbonic anhydrase

Journal of Physical Chemistry B

Volumn 107, Issue 4, 2003, Pages 1071-1078

  Cui, Qiang ^a,b   Karplus, Martin ^a,c  

^a HARVARD UNIVERSITY   (United States)

^b UNIVERSITY OF WISCONSIN MADISON   (United States)

^c UNIVERSITÉ LOUIS PASTEUR   (France)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

AMINO ACIDS; ENZYMES; MOLECULES; PROBABILITY DENSITY FUNCTION; PROTONS; SOLVENTS; WATER;

CARBONIC ANHYDRASE; HISTIDINE; PROTON TRANSFER REACTIONS;

CHARGE TRANSFER;

EID: 0037473097     PISSN: 10895647     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/jp021931v     Document Type: Article

References (83)

1. Copeland, R. A.; Chan, S. I. Ann Rev. Phys. Chem. 1989, 40, 671.
2. Wikström Curr. Opin. Struct. Biol. 1998, 8, 480.
3. (a) Hofacker, I.; Schulten, K. Proteins 1998, 30, 100.
4. (b) Baudry, J.; Tajkhorshid, E.; Molnar, F.; Phillips, J.; Schulten, K. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 905.
5. (a) Stock, D.; Gibbons, C.; Arechaga, I.; Leslie, A. G. W.; Walker, J. E. Curr. Opin. Struct. Biol. 2000, 10, 672.
6. (b) Rastogi, V. K.; Girvin, M. E. Nature 1999, 402, 263.
7. (a) Sham, Y. Y.; Muegge, I.; Warshel, A. Proteins: Struct., Funct., Genet. 1999, 36, 484.
8. (b) Baciou, L.; Michel, H. Biochemistry 1995, 34, 7968.
9. (c) Stowell, M. H. B.; McPhillips, T. M.; Rees, D. C.; Soltis, S. M.; Abresch, E.; Feher, G. Science 1997, 276, 812.
10. Dodgson, S. J.; Tashian, R. E.; Gross, G.; Carter, N. D. The Carbonic Anhydrases, Plenum Press: New York, 1991.
11. (a) Eklund, H.; Palpp, B. V.; Samama, J. P.; Brändén. J. Biol. Chem. 1982, 257, 14359.
12. (b) Shearer, G. L.; Kim, K.; Lee, K. M.; Wang, C. K.; Plapp, B. V. Biochemistry 1993, 32, 11186.
13. Akeson, M.; Deamer, D. W. Biophys. J. 1991, 60, 101.
14. Oster, G.; Wang, H. Structure 1999, 7, R67.
15. (a) Agmon, N. Chem. Phys. Lett. 1995, 244, 456.
16. (b) Nagle, J. F.; Morowitz, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1978, 75, 298.
17. (a) Pomés, R.; Roux, B. Biophys. J. 1998, 75, 33.
18. (b) Pomès, R. Isr. J. Chem. 1999, 39, 387.
19. (a) Schmitt, U. W.; Voth, G. A. J. Chem. Phys. 1999, 111, 9361.
20. (b) Lobaugh; Voth, G. A. J. Chem. Phys. 1996, 104, 2056.
21. (c) Vuillenmier, R.; Borgis, D. J. Chem. Phys. 1999, 111, 4251.
22. (d) Tuckerman, M. E.; Laasonen, K.; Spirk , M.; Parrinello, M. J. Chem. Phys. 1995, 103, 150.
23. (e) Marx, D.; Tuckerman, M. E.; Hutter, J. Parrinello, M. Nature 1999, 397, 601.
24. (a) Decornez, H.; Drukker, K.; Hammes-Schiffer, S. J. Phys. Chem. A 1999, 103, 2891.
25. (b) Decornez, H.; Hammes-Schiffer, S. Isr. J. Chem. 1999, 39, 397.
26. Sham, Y. Y.; Muegge, I.; Warshel, A. Proteins 1999, 36, 484.
27. Paddock, M. L.; Adelroth, P.; Chang, C.; Abresch, E. C.; Feher, G.; Okamura, M. Y. Biochemistry 2001, 40, 6893.
28. Agarwal, P. K.; Webb, S. P.; Hammes-Schiffer, S. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 4803.
29. (a) Elstner,M.; Porezag, D.; Jungnickel, G.; Elsner, J.; Haugk, M.; Frauenheim, T.; Suhai, S.; Seifert, G. Phys. Rev. B 1998, 58, 7260.
30. (b) Cui, Q.; Elstner, M.; Kaxiras, E.; Frauenheim, T.; Karplus, M. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 569.
31. Cui, Q.; Elstner, M.; Karplus, M. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 2721.
32. Cleland, W. W. Methods Enzymol. 1995, 249, 341.
33. Hirst, J.; Duff, J. L. C.; Jameson, G. N. L.; Kemper, M. A.; Burgess, B. K.; Armstrong, F. A. J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 7085.
34. (a) Silverman, D. N.; Vincent, S. H. CRC Crit. Rev. Biochem. 1983, 14, 207.
35. (b) Silverman, D. N.; Lindskog, S. Acc. Chem. Res. 1988, 21, 30.
36. (a) Steiner, H.; Jonsson, B.-H.; Lindskog, S. Eur. J. Biochem. 1975, 59, 253.
37. (b) Simonsson, I.; Jonsson, B.-H.; Lindskog, S. Eur. J. Biochem. 1979, 93, 409.
38. (c) Silverman, D. N.; Tu, C. K.; Lindskog, S.; Wynns, G. C. J. Am. Chem. Soc. 1979, 101, 6734.
39. (a) Zheng, Y.; Merz, K. M., Jr. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 10498.
40. (b) Jacob, O.; Cardenas, R.; Tapia, O. J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 8692.
41. (c) Toba, S.; Colombo, G.; Merz, K. M., Jr. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 2290.
42. Merz, K. M., Jr.; Banci, L. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 863.
43. (a) Silverman, D. N. Biochim. Biophys. Acta 2000, 1458, 88.
44. (b) Lu, D.; Voth, G. J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 4006.
45. Silverman, D. N. Methods Enzymol. 1995, 249, 479.
46. Tu, C. K.; Silverman, D. N. Biochemistry 1982, 21, 6353.
47. Tu, C. K.; Silverman, D. N.; Forsman, C.; Jonsson, B.-H.; Lindskog, S. Biochemistry 1989, 28, 7913.
48. Tu, C. K.; Silverman, D. N. J. Am. Chem. Soc. 1975, 97, 5935.
49. Venkatasubban, K. S.; Silverman, D. N. Biochemistry 1980, 19, 4984.
50. (a) Agmon, N. Chem. Phys. Lett. 1995, 244, 456.
51. (b) Luz, Z.; Meiboom, S. J. Am. Chem. Soc. 1964, 86, 4768.
52. Silverman, D. N.; Tu, C. K.; Chen, X.; Tanhouser, S. M.; Kresge, A. J.; Laipis, P. J. Biochemistry 1993, 32, 10757.
53. Lu, D.; Voth, G. A. Proteins 1998, 33, 119.
54. (a) Åqvist, J.; Washel, A. J. Mol. Biol. 1992, 224, 7.
55. (b) Warshel, A.; Hwang, J. K.; Åqvist, J. Faraday Discuss. 1992, 93, 225.
56. (a) Liang, J.; Lipscomb, W. N. J. Am. Chem. Soc. 1986, 108, 5051.
57. (b) Merz, K. M. Jr.; Hoffmann, R.; Dewar, M. J. S. J. Am. Chem. Soc. 1989, 111, 5536.
58. (c) Zheng, Y.; Merz, K. M. Jr. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 10498.
59. Isaev, A.; Scheiner, S. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 6420.
60. Borgis, D.; Hynes, J. T. In The Enzyme Catalysis Process; Cooper, A., Houben, J., Chien, L., Eds.; Plenum: New York, 1989; p 293.
61. Taoka, S.; Tu, C. K.; Kistler, K. A.; Silverman, D. N. J. Biol. Chem. 1994, 269, 17988.
62. Liang, J. Y.; Limpscomb, W. N. Biochemistry 1988, 27, 8676.
63. Hakansson, K.; Wehmert, A. J. Mol. Biol. 1992, 227, 1192.
64. Cui, Q.; Elstner, M.; Karplus, M. J. Phys. Chem. In preparation.
65. Brooks, C. L., III; Karplus, M. J. Mol. Biol. 1989, 208, 159.
66. (a) Becke, A. D. Phys. Rev. A 1998, 38, 3098.
67. (b) Lee, C.; Yang, W.; Parr, R. G. Phys. Rev. B 1988, 37, 785.
68. (c) Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648.
69. (a) Krishman, R.; Binkley, J. S.; Seeger, R.; Pople, J. A. J. Chem. Phys. 1980, 72, 650.
70. (b) Hariharan, P. C.; Pople, J. A. Theor. Chim. Acta 1973, 28, 213.
71. (c) Clark, T.; Chandrasekhar, J.; Spitznagel, G. W.; Schleyer, P. von R. J. Comput. Chem. 1983, 4, 294.
72. 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, I.; 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. G.; Chen, W.; Wong, M. W.; Andres, J. L.; Head-Gordon, M.; Replogle, E. S.; Pople, J. A. Gaussian 98, revision A.6; Gaussian, Inc.: Pittsburgh, PA, 1998.
73. (a) Campbell, I. D.; Lindskog, S.; White, A. I. J. Mol. Biol. 1975, 98, 597.
74. (b) Ren, X.; Tu, C. K.; Laipis, P.J.; Silverman, D. N. Biochemistry 1995, 34, 8492.
75. Cui, Q.; Karplus, M. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 3093.
76. Skodje, R. T.; Truhlar, D. G. J. Phys. Chem. 1981, 85, 624.
77. Smedarchina, Z.; Siebrand, W.; Fernádez-Ramos, A.; Cui, Q. J. Am. Chem. Soc. In press.
78. An, H.; Tu, C. K.; Duda, D.; Montanez-Clemente, I.; Math, K.; Laipis, P. J.; McKenna, R.; Silverman, D. N. Biochemistry 2002, 41, 3235.
79. (a) Brumer, Y.; Golosov, A. A.; Chen, Z.; Reichman, D. R. J. Chem. Phys. 2002, 116, 8376.
80. (b) Cui, Q.; Bruner, Y.; Reichman, D. R.; Karplus, M. Unpublished results.
81. (a) Fierke, C. A.; Calderone, T. L.; Krebs, J. F. Biochemistry 1991, 30, 11054.
82. (b) Krebs, J. F.; Rana, F.; Dluhy, R. A.; Fierke, C. A. Biochemistry 1993, 32, 4496.
83. Geissler, P. L.; Dellago, C.; Chandler, D.; Hutter, J.; Parrinello, M. Science 2001, 291, 2121.