Electrostatic Study of the Proton Pumping Mechanism in Bovine Heart Cytochrome c Oxidase

Journal of the American Chemical Society

Volumn 126, Issue 6, 2004, Pages 1858-1871

  Popović, Dragan M ^a   Stuchebrukhov, Alexei A ^a  

^a UNIVERSITY OF CALIFORNIA   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

BACTERIA; BIOLOGICAL MEMBRANES; CATALYSIS; CELLS; ELECTROSTATICS; FREE ENERGY; MATHEMATICAL MODELS; PH EFFECTS; REDUCTION;

MOLECULAR MECHANISMS; PROTON PUMPING;

ENZYMES;

CYTOCHROME C OXIDASE; HEART ENZYME; HEME; HISTIDINE; HYDROXYL RADICAL; OXYGEN; PROPIONIC ACID; PROTON PUMP; WATER;

ARTICLE; CALCULATION; CATALYSIS; CATTLE; ELECTRIC POTENTIAL; ELECTRICITY; ELECTRON TRANSPORT; ENERGY TRANSFER; ENZYME ACTIVE SITE; HEART; MATHEMATICAL MODEL; MEMBRANE POTENTIAL; MITOCHONDRION; NONHUMAN; OXIDATION REDUCTION STATE; PH; PREDICTION; PROTON TRANSPORT; RESPIRATORY CHAIN; TRANSPORT KINETICS;

EID: 1242314254     PISSN: 00027863     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/ja038267w     Document Type: Article

References (100)

1. Wikström, M. Nature 1977, 266, 271-273.
2. Wikström, M. Curr. Opin. Struct. Biol. 1998, 8, 480-488.
3. Gennis, R. B. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1998, 95, 12747-12749.
4. Michel, H.; Behr, J.; Harrenga, A.; Kannt, A. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 1998, 27, 329-356.
5. Mitchell, P. Nature 1961, 191, 144-148.
6. Babcock, G. T.; Wikström, M. Nature 1992, 356, 301-309.
7. Ferguson-Miller, S.; Babcock, G. T. Chem. Rev. 1996, 7, 2889-2907.
8. Zaslavsky, D.; Gennis, R. B. Biochim. Biophys. Acta 2000, 1458, 164-179.
9. Wikström, M.; Jasaitis, A.; Backgren, C.; Puustinen, A.; Verkhovsky, M. I. Biochim. Biophys. Acta 2000, 1459, 514-520.
10. Michel, H. Biochemistry 1999, 38, 15129-15140.
11. Wikström, M. Biochemistry 2000, 39, 3515-3519.
12. Han, S.; Takahashi, S.; Rousseau, D. L. J. Biol. Chem. 2000, 275, 1910-1919.
13. Kannt, A.; Lancaster, R. D.; Michel, H. Biophys. J. 1998, 74, 708-721.
14. Gunner, M. R.; Nicholls, A.; Honig, B. J. Phys. Chem. 1996, 100, 4277-4291.
15. Lancaster, C. R.; Michel, H.; Honig, B.; Gunner, M. R. Biophys. J. 1996, 70, 2469-2492.
16. Rabenstein, B.; Ullmann, G. M.; Knapp, E. W. Biochemistry 1998, 37, 2488-2495.
17. Sampogna, R. V.; Honig, B. Biophys. J. 1994, 66, 1341-1352.
18. Spassov, V. Z.; Luecke, H.; Gerwert, K.; Bashford, D. J. Mol. Biol. 2001, 312, 203-219.
19. Popovic, D. M.; Zaric, S. D.; Rabenstein, B.; Knapp, E. W. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 6040-6053.
20. Popovic, D. M.; Zmiric, A.; Zaric, S. D.; Knapp, E. W. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 3775-3782.
21. Stuchebrukhov, A. A. J. Theor. Comput. Chem. 2003, 2, 91-118.
22. Wikström, M. Biochim. Biophys. Acta 2000, 1458, 188-198.
23. Tsukihara, T.; Aoyama, H.; Yamashita, E.; Tomizaki, T.; Yamaguchi, H.; Shinzawa-Itoh, K.; Nakashima, R.; Yaono, R.; Yoshikawa, S. Science 1996, 272, 1136-1144.
24. Ostermeier, C.; Harrenga, A.; Ermler, U.; Michel, H. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1997, 94, 10547-10553.
25. Kannt, A.; Lancaster, R. D.; Michel, H. J. Bioenerg. Biomembr. 1998, 30, 81-87.
26. Behr, J.; Hellwig, P.; Mantele, W.; Michel, H. Biochemistry 1998, 37, 7400-7406.
27. Puustinen, A.; Wikstrom, M. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1999, 96, 35-37.
28. Pawate, A. S.; Morgan, J.; Namslauer, A.; Mills, D.; Brzezinski, P.; Ferguson-Miller, S.; Gennis, R. B. Biochemistry 2002, 41, 13417-13423.
29. Zheng, X.; Medvedev, D. M.; Swanson, J.; Stuchebrukhov, A. A. Biochim. Biophys. Acta 2003, 1557, 99-107.
30. Wikström, M.; Verkhovsky, M. I.; Hummer, G. Biochim. Biophys. Acta 2003, 1604, 61-65.
31. Siegbahn, P. E. M.; Blomberg, M. R. A.; Blomberg, M. L. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 10946-10955.
32. Michel, H. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1998, 95, 12819-12824.
33. Bashford, D.; Karplus, M. Biochemistry 1990, 29, 10219-10225.
34. Bashford, D.; Karplus, M. J. Phys. Chem. 1991, 95, 9557-9561.
35. Beroza, P.; Fredkin, D. R.; Okamura, M. Y.; Feher, G. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1991, 88, 5804-5808.
36. Gunner, M. R.; Honig, B. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1991, 88, 9151-9155.
37. Yang, A.-S.; Gunner, M. R.; Sompogna, R.; Honig, B. Proteins: Struct. Funct. Genet. 1993, 15, 252-265.
38. Beroza, P.; Case, D. A. J. Phys. Chem. 1996, 100, 20156-20163.
39. Ullmann, G. M.; Knapp, E. W. Eur. Biophys. J. 1999, 28, 533-551.
40. Baptista, A. M.; Martel, P. J.; Soares, C. M. Biophys. J. 1999, 76, 2978-2998.
41. Rabenstein, B.; Knapp, E. W. Biophys. J. 2001, 80, 1141-1150.
42. Nicholls, A.; Honig, B. J. Comput. Chem. 1991, 12, 435-445.
43. You, T.; Bashford, D. B. Biophys. J 1995, 69, 1721-1733.
44. Honig, B.; Nicholls, A. Science 1995, 268, 1144-1149.
45. Beroza, P.; Fredkin, D. R. J. Comput. Chem. 1996, 17, 1229-1244.
46. Yoshikawa, S.; Shinzawa-Itoh, K.; Nakashima, R.; Yaono, R.; Yamashita, E.; Inoue, N.; Yao, M.; Fei, M. J.; Libeu, C. P.; Mizushima, T.; Yamaguchi, H.; Tomizaki, T.; Tsukihara, T. Science 1998, 280, 1723-1729.
47. Buse, G.; Soulimane, T.; Dewor, M.; Meyer, H. E.; Bluggel, M. Protein Sci. 1999, 8, 985-990.
48. Haltia, T.; Saraste, M.; Wiksrom, M. EMBO J. 1989, 10, 2015-2021.
49. Hendler, R. W.; Pardhasaradhi, K.; Reynafarje, B.; Ludwig, B. Biophys. J. 1991, 60, 415-423.
50. Iwata, S.; Ostermeier, C.; Ludwig, B.; Michel, H. Nature 1995, 376, 660-669.
51. Bratton, M. R.; Pressler, M. A.; Hosler, J. P. Biochemistry 1999, 38, 16236-16245.
52. Case, D. A.; Pearlman, D. A.; Caldwell, J. W.; Cheatham, T. E., III; Ross, W. S.; Simmerling, C. L.; Darden, T. A.; Merz, K. M.; Stanton, R. V.; Cheng, A. L.; Vincent, J. J.; Crowley, M.; Ferguson, D. M.; Radmer, R. J.; Seibel, G. L.; Singh, U. C.; K., W. P.; Kollman, P. A. AMBER, 5th ed.; University of California: San Francisco, 1997.
53. Comell, W. D.; Cieplak, P.; Bayly, C. I.; Gould, I. R.; Merz, K. M.; Ferguson, D. M.; Spellmeyer, D. C.; Fox, T.; Caldwell, J. W.; Kollman, P. A. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 5179-5197.
54. Yoshikawa, S., personal comunication.
55. Vagedes, P.; Rabenstein, B.; Åqvist, J.; Marelius, J.; Knapp, E. W. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 12254-12262.
56. MacKerell, J., A. D.; Bashford, D.; Bellot, M.; Dunbrack, J., R. L.; Evanseck, J. D.; Field, M. J.; Fischer, S.; Gao, J.; Guo, H.; Ha, S.; Joseph-McCarthy, D.; Kuchnir, L.; Kuczera, K.; Lau, F. T. K.; Mattos, C.; Michnick, S.; Ngo, T.; Nguyen, D. T.; Prodholm, B.; Reiher, I., W. E.; Roux, B. ; Schlenkrich, M.; Smith, J. C.; Stote, R.; Straub, J.; Watanabe, M.; Wiórkiewicz-Kuczera, J.; Yin, D.; Karplus, M. J. Phys. Chem. 1998, 102, 3586-3616.
57. Jorgenson, W. L.; Chandrasekhar, J.; Madura, J. D. J. Chem. Phys. 1983, 79, 926-935.
58. Zemer, M. C.; Ridely, J. E.; Bacon, A.; McKelvey, J.; Edwards, W.; Head, J. D.; Culberson, C.; Cory, M. G.; Zheng, X.; Parkinson, W.; Yu, Y.; Cameron, A.; Tamm, T.; Pearl, G.; Broo, A.; Albert, K. ZINDO; Gainesville, FL, 2002; distributed by Accelrys: 9685 Scranton Rd., San Diego, CA 92121-3752.
59. Gennis, R. B. Science 1998, 280, 1712-1714.
60. Rich, P. R.; West, I. C.; Mitchell, P. FEBS Lett. 1988, 233, 25-30.
61. Bashford, D.; Gerwert, K. J. Mol. Biol. 1992, 224, 473-486.
62. Klapper, I.; Fine, R.; Sharp, K. A.; Honig, B. H. Protein: Struct. Funct. Genet. 1986, 1, 47-59.
63. Bashford, D. In Scientific Computing in Object-Oriented Parallel Environments; Ishikawa, Y., Oldehoeft, R. R., Reynders, J. V. W., Tholbum, M., Eds.; Springer: Berlin, 1997; Vol. 1343, pp 233-240.
64. Rabenstein, B. Karlsberg online manual; http://lie.chemie.fu-berlin/karlsberg/ ed., 1999.
65. Mitchell, P.; Rich, P. R. Biochim. Biophys. Acta 1994, 1186, 19-26.
66. Konstantinov, A. A.; Siletsky, S.; Mitchell, D.; Kaulen, A.; Gennis, R. B. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1997, 94, 9085-9090.
67. Ädelroth, P.; Gennis, R. B.; Brzezinski, P. Biochemistry 1998, 37, 2470-2476.
68. Hofacker, I.; Schulten, K. Proteins 1998, 30, 100-107.
69. Mills, D. A.; Ferguson-Miller, S. Biochim. Biophys. Acta 1998, 1365, 46-52.
70. Brzezinski, P.; Ädelroth, P. J. Bioenerg. Biomembr. 1998, 30, 99-107.
71. Verkhovsky, M. I.; Jasaitis, A.; Verkhovskaya, M. L.; Morgan, J. E.; Wikström, M. Nature 1999, 400, 480-483.
72. Oliveberg, M.; Hallen, S.; Nilsson, T. Biochemistry 1991, 30, 436-440.
73. Mitchell, R.; Mitchell, P.; Rich, P. R. Biochim. Biophys. Acta 1992, 1101, 188-191.
74. Capitanio, N.; Capitanio, G.; DeNitto, E.; Papa, S. Febs Lett. 1997, 414, 414-418.
75. Rich, P. R. Aust. J. Plant Physiol. 1995, 22, 479-486.
76. Puustinen, A.; Bailey, J. A.; Dyer, R. B.; Mecklenberg, S. L.; Wikström, M. Biochemistry 1997, 36, 13195-13200.
77. Smirnova, I. A.; Adelroth, P.; Gennis, R. B.; Brzezinski, P. Biochemistry 1999, 38, 6826-6833.
78. Karpefors, M.; Adelroth, P.; Namslauer, A.; Zhen, Y.; Brzezinski, P. Biochemistry 2000, 39, 14664-14669.
79. Gennis, R. B. 2003, submitted.
80. Karpefors, M.; Ädelroth, P.; Aagaard, A.; Smimova, I. A.; Brzezinski, P. Isr. J. Chem. 1999, 39, 427-437.
81. DeFelippis, M. R.; Murthy, C. P.; Broitman, F.; Weinraub, D.; Faraggi, M.; Klapper, M. H. J. Phys. Chem. 1991, 95, 3416-3419.
82. Gibney, B. R.; Isogai, Y.; Rabanal, F.; Reddy, K. S.; Grosset, A. M.; Moser, M. M.; Dutton, P. L. Biochemistry 2000, 39, 11041-11049.
83. Proshlyakov, D. A.; Pressler, M. A.; DeMaso, C.; Leykam, J. F.; DeWitt, D. L.; Babcock, G. T. Science 2000, 290, 1588-1591.
84. Babcock, G. T. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1999, 96, 12971-12973.
85. Fabian, M.; Wong, W. W.; Gennis, R. B.; Palmer, G. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1999, 96, 13114-13117.
86. Ädelroth, P.; Karpefors, M.; Gilderson, G.; Tomson, F. L.; Gennis, R. B.; Brzezinski, P. Biochim. Biophys. Acta 2000, 1459, 533-539.
87. Rousseau, D. L. Nature 1999, 400, 412-413.
88. Moore, D. B.; Martinez, T. J. J. Phys. Chem. A 2000, 104, 2367-2374.
89. Fann, Y. C.; Ahmed, I.; Blackburn, N. J.; Boswell, J. S.; Verkhovskaya, M. L.; Hoffman, B. M.; Wikström, M. Biochemistry 1995, 34, 10245-10255.
90. Verkhovsky, M. I.; Morgan, J. E.; Wikström, M. Biochemistry 1995, 34, 7483-7491.
91. Gennis, R. B.; Brzezinski, P., personal comunication.
92. Malatesta, F.; Sarti, P.; Antonini, E.; Vallone, B.; Brunori, M. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1990, 87, 7410-7413.
93. Brunori, M.; Antonini, E.; Guiffre, A.; Malatesta, F.; Nicoletti, F.; Sarti, P.; Wilson, M. T. FEBS Lett. 1994, 350.
94. Fetter, J. R.; Sharpe, M.; Qian, J.; Mills, D.; Ferguson-Miller, S.; Nicholls, P. FEBS Lett. 1996, 393, 155-160.
95. Ädelroth, P.; Svensson-Ek, M.; Mitchell, D. M.; Gennis, R. B.; Brzezinski, P. Biochemistry 1997, 36, 13824-13829.
96. Mills, D. A.; Florens, L.; Hiser, C.; Qian, J.; Ferguson-Miller, S. Biochim. Biophys. Acta 2000, 1458, 180-187.
97. Morgan, J. E.; Verkhovsky, M. I.; Wikström, M. J. Bioenerg. Biomembr. 1994, 26, 599-608.
98. Wikström, M.; Bogachev, A.; Finel, M.; Morgan, J. E.; Puustinen, A. ; Raitio, M.; Verkhovskaya, M. L.; Verkhovsky, M. I. Biochim. Biophys. Acta 1994, 1187, 106-111.
99. Lehninger, A. L.; Nelson, D. L.; Cox, M. M. Principles of Biochemistry; Worth Publishers: New York, 1997.
100. Popovic, D. M.; Stuchebrukhov, A. A., in preparation.