Dynamics of water in biological recognition

Chemical Reviews

Volumn 104, Issue 4, 2004, Pages 2099-2123

  Pal, Samir Kumar ^a   Zewail, Ahmed H ^a  

^a CALIFORNIA INSTITUTE OF TECHNOLOGY   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

CATALYSIS; DNA; ENZYMES; HYDRATION; HYDROPHOBICITY; MOLECULAR BIOLOGY; MOLECULAR STRUCTURE; WATER; X RAY CRYSTALLOGRAPHY;

ANILINONAPHTHALENES; TRYTOPHAN;

MOLECULAR DYNAMICS;

DNA; PROTEIN; WATER;

BIOLOGICAL MODEL; CHEMICAL STRUCTURE; CHEMISTRY; CONFORMATION; METABOLISM; REVIEW;

DNA; MODELS, BIOLOGICAL; MODELS, MOLECULAR; MOLECULAR CONFORMATION; PROTEINS; WATER;

EID: 2342527858     PISSN: 00092665     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/cr020689l     Document Type: Article

References (144)

1. Rupley, J. A.; Cateri, G. Adv. Protein Chem. 1991, 41, 37.
2. Kornblatt, J. A.; Kornblatt, M. J. Int. Rev. Cytol. 2002, 215, 49.
3. Pocker, Y. Cell. Mol. Life Sci. 2000, 57, 1008.
4. Gregory, R. B. Protein Solvent Interactions; Dekker: New York, 1995.
5. Finney, J. L. Faraday Discuss. 1996, 103, 1 (see references therein, and the entire issue).
6. Harding, S. E. Biophys. Chem. 2001, 93, 87 (see the entire issue).
7. Pal, S. K.; Peon, J.; Zewail, A. H. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2002, 99, 1763.
8. Pal, S. K.; Peon, J.; Bagchi, B.; Zewail, A. H. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 12376 and references therein.
9. Peon, J.; Pal, S. K.; Zewail, A. H. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2002, 99, 10964.
10. Pal, S. K.; Peon, J.; Zewail, A. H. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2002, 99, 15297.
11. Pal, S. K.; Zhao, L.; Zewail, A. H. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2003, 100, 8113.
12. Bernal, J. D.; Crowfoot, D. Nature (London) 1934, 133, 794.
13. Adair, G. S.; Adair, M. E. Proc. R. Soc. B 1936, 120, 422.
14. Retgers, J. W. Z. Phys. Chem. 1889, 3, 289.
15. Svedberg, T. Kolloid Z. 1930, 51, 10.
16. Sorensen, S. L. P. C. R. Lab. Carlsberg 1917, 12.
17. Perutz, M. F. Biosystems 1977, 8, 261.
18. Takano, T. J. Mol. Biol. 1977, 110, 533.
19. Kauzmann, W. Adv. Protein Chem. 1959, 14, 1.
20. Makarov, V.; Pettitt, B. M.; Feig, M. Acc. Chem. Res. 2002, 35, 376.
21. Bizzarri, A. R.; Cannistraro, S. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 6617.
22. Nandi, N.; Bhattacharyya, K.; Bagchi, B. Chem. Rev. 2000, 100, 2013.
23. Eisenthal, K. B. Acc. Chem. Res. 1993, 26, 636.
24. Ball, P. Nature (London) 2003, 423, 25.
25. Chandler, D. Nature (London) 2002, 417, 491.
26. Michael, D.; Benjamin, I. J. Chem. Phys. 2001, 114, 2817.
27. Southhall, N. T.; Dill, K. A.; Haymet, A. D. J. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 521.
28. Whitesides, G. M.; Grzybowski, B. Science 2002, 295, 2418.
29. Cheng, X.; Schoenborn, B. P. J. Mol. Biol. 1991, 220, 381.
30. Gu, W.; Schoenborn, B. P. Proteins: Struct., Funct. Genet. 1995, 22, 20.
31. Nandi, N.; Bagchi, B. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 10954.
32. Rocchi, C.; Bizzarri, A. R.; Cannistraro, S. Phys. Rev. E: Stat. Phys., Plasmas, Fluids, Relat. Interdiscip Top. 1998, 57, 3315.
33. Halle, B.; Denisov, V. P. Biopolymers 1998, 48, 210.
34. Otting, G.; Liepinsh, E.; Wuthrich, K. Science 1991, 254, 974.
35. Wüthrich, K.; Billeter, M.; Güntert, P.; Luginbühl, P.; Riek, R.; Wider, G. Faraday Discuss. 1996, 103, 245.
36. Denisov, V. P.; Halle, B. Faraday Discuss. 1996, 103, 227.
37. Dervan, P. B. Bioorg. Med. Chem. 2001, 9, 2215 and references therein.
38. Schneider, B.; Cohen, D.; Berman, H. M. Biopolymers 1992, 32, 725.
39. Chalikian, T. V.; Plum, G. E.; Sarvazyan, A. P.; Breslauer, K. J. Biochemistry 1994, 33, 8629.
40. Chalikian, T. V.; Plum, G. E.; Sarvazyan, A. P.; Breslauer, K. J. Biochemistry 1994, 33, 8629.
41. Umehara, T.; Kuwabara, S.; Mashimo, S.; Yagihara, S. Biopolymers 1990, 30, 649.
42. Feig, M.; Pettitt, B. M. Biopolymers 1998, 48, 199.
43. Duan, Y.; Wilkosz, P.; Crowley, M.; Rosenberg, J. M. J. Mol. Biol. 1997, 272, 553.
44. Drew, H. R.; Dickerson, R. E. J. Mol. Biol. 1981, 151, 535.
45. Leipinsh, E.; Otting, G.; Wuthrich, K. Nucleic Acids Res. 1992, 20, 6549.
46. Chuprina, V. P. Nucleic Acids Res. 1987, 15, 293.
47. Bagchi, B. Annu. Rev. Phys. Chem. 1989, 40, 115.
48. Fleming, G. R.; Cho, M. Annu. Rev. Phys. Chem. 1996, 47, 109.
49. Bagchi, B.; Biswas, R. Adv. Chem. Phys. 1999, 109, 207.
50. Jimenez, R.; Fleming, G. R.; Kumar, P. V.; Maroncelli, M. Nature 1994, 369, 471.
51. Hynes, J. T. J. Phys. Chem. 1986, 90, 3701.
52. Jarzeba, W.; Walker, G.; Johnson, A. E.; Kahlow, M. A.; Barbara, P. F. J. Phys. Chem. 1988, 92, 7039.
53. Maroncelli, M.; Fleming, G. R. J. Chem. Phys. 1987, 86, 6221.
54. Onsager, L. Can. J. Chem. 1977, 55, 1819.
55. Stratt, R. M.; Maroncelli, M. J. Phys. Chem. 1996, 100, 12981.
56. Hsu, C.-P.; Song, X.; Marcus, R. A. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 2546.
57. Changenet-Barret, P.; Choma, C. T.; Gooding, E. F.; DeGrado, W. F.; Hochstrasser, R. M. J. Phys. Chem. B 2000, 104, 9322.
58. Jordanides, X. J.; Lang, M. J.; Song, X.; Fleming, G. R. J. Phys. Chem. B 1999, 103, 7995.
59. Brauns, E. B.; Madaras, M. L.; Coleman, R. S.; Murphy, C. J.; Berg, M. A. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 11644.
60. Hess, S.; Davis, W. B.; Voityuk, A. A.; Rosch, N.; Michel-Beyerle, M. E.; Ernsting, N. P.; Kovalenko, S. A.; Lustres, J. L. P. ChemPhysChem 2002, 3, 452.
61. Bhattacharyya, S. M.; Wang, Z.-G.; Zewail, A. H. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 13218.
62. Nienhuys, H. K.; Santen, R. A. V.; Bakker, H. J. J. Chem. Phys. 2000, 112, 8487.
63. Price, W. S.; Ide, H.; Arata, Y. J. Phys. Chem. A 1999, 103, 448.
64. Horng, M. L.; Gardecki, J. A.; Papazyan, A.; Maroncelli, M. J. Phys. Chem. 1995, 99, 17311.
65. Suppan, P.; Ghoneim, N. Salvatochromism; The Royal Society of Chemistry: Cambridge UK, 1997.
66. Caldin, E. F. The Mechanisms of Fast Reactions in Solution; IOS Press: Oxford, 2001.
67. Zhong, D.; Pal, S. K.; Zhang, D.; Chan, S. I.; Zewail, A. H. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2002, 99, 13.
68. McMahon, L. P.; Yu, H. T.; Vela, M. A.; Morales, G. A.; Shui, L.; Fronczek, F. R.; McLaughlin, M. L.; Barkley, M. D. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 3269.
69. Szabo, A. G.; Rayner, D. M. J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 554.
70. Shen, X. H.; Knutson, J. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 6260.
71. Callis, P. R. J. Chem. Phys. 1991, 95, 4230.
72. Ruggiero, A. J.; Todd, D. C.; Fleming, G. R. J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 1003.
73. Zhong, D.; Pal, S. K.; Zewail, A. H. ChemPhysChem 2001, 2, 219.
74. DeToma, R. P.; Easter, J. H.; Brand, L. J. Am. Chem Soc. 1976, 98, 5001.
75. Zhang, J.; Bright, F. V. J. Phys. Chem. 1991, 95, 7900.
76. Kosower, E. M. Acc. Chem. Res. 1982, 15, 259.
77. Pal, S. K.; Peon, J.; Zewail, A. H. Chem. Phys. Lett. 2002, 363, 57 and references therein.
78. Nordlund, T. M.; Andersson, S.; Nilsson, L.; Rigler, R.; Gräslund, A.; McLaughlin, L. W. Biochemistry 1989, 28, 9095.
79. Sowers, L. C.; Fazakerley, G. V.; Eritja, R.; Kaplan, B. E.; Goodman, M. F. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1986, 83, 5434.
80. Holmén, A.; Nordén, B.; Albinsson, B. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 3114.
81. Rachofsky, E. L.; Ross, J. B. A.; Krauss, M.; Osman, R. Acta Phys. Pol. A 1998, 94, 735.
82. Denham, D. A.; Suswillo, R. R.; Rogers, R.; McGreevy, P. B.; Andrew, B. J. J. Helminthol. 1976, 50, 243.
83. Latt, S. A.; Stetten, G. J. Histochem. Cytochem. 1976, 24, 24.
84. Gorner, H. Photochem. Photobiol. 2001, 73, 339.
85. Cosa, G.; Focsaneanu, K.-S.; McLean, J. R. N.; McNamee, J. P.; Scaiano, J. C. Photochem. Photobiol. 2001, 73, 585.
86. Kalninsh, K. K.; Pestov, D. V. J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 1994, 83, 39.
87. Chapman, C. F.; Fee, R. S.; Maroncelli, M. J. Phys. Chem. 1995, 99, 4811.
88. Elsaesser, T.; Kaiser, W. Annu. Rev. Phys. Chem. 1991, 42, 83.
89. Vivian, J. T.; Callis, P. R. Biophys. J. 2001, 80, 2093.
90. Haugland, R. P. Handbook of Fluorescent Probes and Research Chemicals, 6th ed.; Molecular Probes: Eugene, OR, 1996; pp 8-13.
91. Ren, B.; Gao, F.; Tong, Z.; Yan, Y. Chem. Phys. Lett. 1999, 307, 55.
92. Voet, D.; Voet, J. G. Biochemistry, 2nd ed.; Wiley: Somerset, NJ, 1995; pp 398-400.
93. Morris, J. A.; Cagan, R. H. Biochim. Biophys. Acta 1972, 261, 114.
94. Morris, J. A.; Martenson, R.; Deibler, G.; Cagan, R. H. J. Biol. Chem. 1973, 248, 534.
95. Cagan, R. H. Science 1973, 181, 32.
96. Somoza, J. R.; Cho, J. M.; Kim, S.-H. Chem. Senses 1995, 20, 61.
97. Ogata, C.; Hatada, M.; Tomlinson, G.; Shin, W. C.; Kim, S. H. Nature (London) 1987, 328, 739.
98. Somoza, J. R.; Jiang, F.; Tong, L.; Kang, C. H.; Cho, J. M.; Kim, S. H. J. Mol. Biol. 1993, 234, 390.
99. Lee, S.-Y.; Lee, J.-H.; Chang, H.-J.; Cho, J. M.; Jung, J.-W.; Lee, W. Biochemistry 1999, 38, 2340.
100. Swaminathan, R.; Krishnamoorthy, G.; Periasamy, N. Biophys. J. 1994, 67, 2013.
101. Robertson, W. H.; Diken, E. G.; Johnson, M. A. Science 2003, 301, 320.
102. Omta, A. W.; Kropman, M. F.; Woutersen, S.; Bakker, H. J. Science 2003, 301, 347.
103. Zubay, G. Biochemistry; Addison-Wesley: Reading, MA, 1983; Chapter 4, pp 130-175.
104. Charman, W. N.; Porter, C. J. H.; Mithani, S.; Dressman, J. B. J. Pharm. Sci. 1997, 86, 269.
105. Johnson, J. D.; El-Bayoumi, M. A.; Weber, L. D.; Tulinsky, A. Biochemistry 1979, 18, 1292.
106. Weber, L. D.; Tulinsky, A.; Johnson, J. D.; El-Bayoumi, M. A. Biochemistry 1979, 18, 1297.
107. Carey, C.; Cheng, Y.-K.; Rossky, P. J. Chem. Phys. 2000, 258, 415.
108. Lakowicz, J. R. Principles of fluorescence spectroscopy; Kluwer Academic/Plenum: New York, 1999; Chapter 16, pp 445-486.
109. Chalikian, T. V.; Volker, J.; Srinivasan, A. R.; Olson, W. K.; Breslauer, K. J. Biopolymers 1999, 50, 459.
110. Peon, J.; Zewail, A. H. Chem. Phys. Lett. 2001, 348, 255.
111. Gustavsson, T.; Sharonov, A.; Onidas, D.; Markovitsi, D. Chem. Phys. Lett. 2002, 356, 49.
112. Wan, C.; Fiebig, T.; Schiemann, O.; Barton, J. K.; Zewail, A. H. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2000, 97, 14052.
113. Edwards, K. J.; Brown, D. G.; Spink, N.; Skelly, J. V.; Neidle, S. J. Mol. Biol. 1992, 226, 1161.
114. Vega, M. C.; Saez, I. G.; Aymami, J.; Eritja, R.; Marel, G. A. V. D.; Boom, J. H. V.; Rich, A.; Coll, M. Eur. J. Biochem. 1994, 222, 721.
115. Lane, A. N.; Jenkins, T. C.; Frenkiel, T. A. Biochim. Biophys. Acta 1997, 1350, 205.
116. Millar, D. P.; Robbins, R. J.; Zewail, A. H. J. Chem. Phys. 1982, 76, 2080 and references therein.
117. Denisov, V. P.; Carlstrom, G.; Venu, K.; Halle, B. J. Mol. Biol. 1997, 268, 118.
118. Haq, I. Arch. Biochem. Biophys. 2002, 403, 1.
119. Rand, R. P. Science 1992, 256, 618.
120. Mrevlishvili, G. M.; Carvalho, A. P. S. M. C.; da Silva, M. A. V. R.; Mdzinarashvili, T. D.; Razmadze, G. Z.; Tarielashvili, T. Z. J. Therm. Anal. Cal. 2001, 66, 133.
121. Robinson, C. R.; Sligar, G. J. Mol. Biol. 1993, 234, 302.
122. Marchi, M. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 6598.
123. Tarek, M.; Tobias, D. J. Biophys. J. 2000, 79, 3244.
124. Xia, T.; Becker, H. C.; Wan, C.; Frankel, A.; Roberts, R. W.; Zewail, A. H. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2003, 100, 8119.
125. Kamal, J. K. A.; Xia, T.; Pal, S. K.; Zhao, L.; Zewail, A. H. Chem. Phys. Lett. 2004, 387, 209.
126. Schmitke, J. L.; Stern, L. J.; Klibanov, A. M. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1997, 94, 4250.
127. Zou, S. Z.; Baskin, J. S.; Zewail, A. H. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2002, 99, 9625.
128. Wan, C.; Fiebig, T.; Kelley, S. O.; Treadway, C. R.; Barton, J. K.; Zewail, A. H. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1999, 96, 6014.
129. Fiebig, T.; Wan, C.; Kelley, S. O.; Barton, J. K.; Zewail, A. H. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1999, 96, 1187.
130. Fiebig, T.; Wan, C.; Zewail, A. H. ChemPhysChem 2002, 3, 781.
131. Qu, X. G.; Wan, C.; Becker, H. C.; Zhong, D. P.; Zewail, A. H. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2001, 98, 14212.
132. Zhong, D. P.; Douhal, A.; Zewail, A. H. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2000, 97, 14056.
133. Steiger, B.; Baskin, J. S.; Anson, F. C.; Zewail, A. H. Angew. Chem., Int. Ed. 2000, 39, 257.
134. Zhong, D. P.; Zewail, A. H. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2001, 98, 11867.
135. Zhong, D.; Pal, S. K.; Wan, C.; Zewail, A. H. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2002, 99, 11873.
136. Douhal, A.; Kim, S. K.; Zewail, A. H. Nature (London) 1995, 378, 260.
137. Chachisvilis, M.; Fiebig, T.; Douhal, A.; Zewail, A. H. J. Phys. Chem. A 1998, 102, 669.
138. Fiebig, T.; Chachivilis, M.; Manger, M.; Zewail, A. H.; Douhal, A.; Garcia-Ochoa, I.; Ayuso, A. D. H. J. Phys. Chem. A 1999, 103, 7419.
139. Baskin, J. S.; Yu, H. Z.; Zewail, A. H. J. Phys. Chem. A 2002, 106, 9837.
140. Yu, H. Z.; Baskin, J. S.; Zewail, A. H. J. Phys. Chem. A 2002, 106, 9845.
141. Pal, S. K.; Zhao, L.; Xia, T.; Zewail, A. H. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2003, 100, 13746.
142. Zhao, L.; Pal, S. K.; Xia, T.; Zewail, A. H. Angew. Chem., Int. Ed. 2004, 43, 60.
143. O'Neill, M. A.; Becker, H.-C.; Wan, C.; Barton, J. K.; Zewail, A. H. Angew. Chem., Int. Ed. 2003, 42, 5896.
144. Teng, M.; Usman, N.; Frederick, C. A.; Wang, A. H. J. Nucleic Acids Res. 1988, 16, 2671.