QM/MM calculations with DFT for taking into account protein effects on the EPR and optical spectra of metalloproteins. Plastocyanin as a case study

Journal of Computational Chemistry

Volumn 27, Issue 12, 2006, Pages 1463-1475

  Sinnecker, Sebastian ^a   Neese, Frank ^a  

^a MAX PLANCK INSTITUTE FOR CHEMICAL ENERGY CONVERSION   (Germany)

Author keywords

Absorption spectra; Blue copper; Density functional theory; EPR spectra; Plastocyanin

Indexed keywords

ABSORPTION SPECTROSCOPY; COMPUTATION THEORY; COPPER; MOLECULAR STRUCTURE; OPTICAL PROPERTIES; PARAMAGNETIC RESONANCE; PROTEINS;

ABSORPTION SPECTRA; BLUE COPPER; EPR SPECTRA; PLASTOCYANIN;

PROBABILITY DENSITY FUNCTION;

COPPER; PLASTOCYANIN;

ARTICLE; BINDING SITE; CHEMICAL STRUCTURE; CHEMISTRY; COMPUTER SIMULATION; ELECTRON SPIN RESONANCE; METHODOLOGY; PROTEIN CONFORMATION; SPECTROPHOTOMETRY;

BINDING SITES; COMPUTER SIMULATION; COPPER; ELECTRON SPIN RESONANCE SPECTROSCOPY; MODELS, MOLECULAR; PLASTOCYANIN; PROTEIN CONFORMATION; SPECTROPHOTOMETRY;

EID: 33747189732     PISSN: 01928651     EISSN: 1096987X     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/jcc.20426     Document Type: Article

References (103)

1. Que, L., Ed. Physical Methods in Bioinorganic Chemistry: Spectroscopy and Magnetism; University Science Books: Sausalito, 2000.
2. Solomon, E. I.; Szilagyi, R. K.; DeBeer George, S.; Basumallick, L. Chem Rev 2004, 104, 419.
3. Neese, F. Curr Opin Chem Biol 2003, 7, 125.
4. Gao, I. In Reviews in Computational Chemistry; VCH Publishers, Inc.; New York, 1995, p. 119, vol. 7.
5. Mordasini, T. Z.; Thiel, W. Chimia 1998, 52, 288.
6. Rulisek, L.; Solomon, E. I.; Ryde, U. Inorg Chem 2005, 44, 5612.
7. Marti, M. A.; Capece, L.; Crespo, A.; Doctorovich, F.; Estrin, D. A. J Am Chem Soc 2005, 127, 7721.
8. Fernandez, M. L.; Marti, M. A.; Crespo, A.; Estrin, D. A. J Biol Inorg Chem 2005, 10, 595.
9. Ryde, U. Curr Opin Chem Biol 2003, 7, 136.
10. Schöneboom, J. C; Neese, F.; Thiel, W. J Am Chem Soc 2005, 127, 5840.
11. Altun, A.; Thiel, W. J Phys Chem B 2005, 109, 1268.
12. Moon, S.; Patchkovskii, S.; Salahub, D. R. J Mol Struct Theochem 2003, 632, 287.
13. Cui, Q.; Karplus, M. J Phys Chem B 2000, 104, 3721.
14. Colman, P. M.; Freeman, H. C.; Guss, J. M.; Murata, M.; Norris, V. A.; Ramshaw, J. A. M.; Venkatappa, M. P. Nature 1978, 272, 319.
15. Inoue, T.; Sugawara, H.; Hamanaka, S.; Tsukui, H.; Suzuki, E.; Kohzuma, T.; Kai, Y. Biochemistry 1999, 38, 6063.
16. Shibata, N.; Inoue, T.; Nagano, C.; Nishio, N.; Kohzuma, T.; Onodera, K.; Yoshizaki, F.; Sugimura, Y.; Kai, Y. J Biol Chem 1999, 274, 4225.
17. Xue, Y. F.; Okvist, M.; Hansson, O.; Young, S. Prot Sci 1998, 7, 2099.
18. Wachters, A. J.; Cascio, D.; Choukair, M. K.; Rice, D.; Merchant, S.; Yeates, T. O. Biochemistry 1993, 32, 10560.
19. Solomon, E. I.; Penfield, K. W.; Gewirth, A. A.; Lowery, M. D.; Shadle, S. E.; Guckert, I. A.; LaCroix, L. B. Inorg Chim Acta 1996, 243, 67.
20. Gewirth, A. A.; Solomon, E. I. J Am Chem Soc 1988, 110, 3811.
21. Penfield, K. W.; Gewirth, A. A.; Solomon, E. I. J Am Chem Soc 1985, 107, 4519.
22. Penfield, K. W.; Gay, R. R.; Himmelwright, R. S.; Eickman, N. C.; Norris, V. A.; Freeman, H. C.; Solomon, E. I. J Am Chem Soc 1981, 103, 4382.
23. Ryde, U.; Olsson, M. H. M.; Roos, B. O.; Borin, A. C. Theor Chem Acc 2001, 105, 452.
24. Ryde, U.; Olsson, M. H. M. Int J Quantum Chem 2001, 81, 335.
25. Ryde, U.; Olsson, M. H. M.; Roos, B. O.; De Kerpel, J. O. A.; Pierloot, K. J Biol Inorg Chem 2000, 5, 565.
26. Werst, M. M.; Davoust, C. E.; Hoffman, B. M. J Am Chem Soc 1991, 113, 1533.
27. Roberts, J. E.; Cline, J. F.; Lum, V.; Freeman, H.; Gray, H. B.; Peisach, J.; Reinhamraar, B.; Hoffman, B. M. J Am Chem Soc 1984, 106, 5324.
28. van Gastel, M.; Coremans, J. W. A.; Jeuken, L. J. C.; Canters, G. W.; Groenen, E. J. J. J Phys Chem A 1998, 102, 4462.
29. Coremans, J. W. A.; Poluektov, O. G.; Groenen, E. J. J.; Canters, G. W.; Nar, H.; Messerschmidt, A. J Am Chem Soc 1996, 118, 12141.
30. Coremans, J. W. A.; Poluektov, O. G.; Groenen, E. J. J.; Canters, G. W.; Nar, H.; Messerschmidt, A. J Am Chem Soc 1994, 116, 3097.
31. Swart, M. Ph.D. Thesis, Rijksuniversiteit Groningen, 2002.
32. van Lenthe, E.; Baerends, E. J.; Snijders, J. G. J Chem Phys 1993, 99, 4597.
33. van Lenthe, E.; Baerends, E. J.; Snijders, J. G. J Chem Phys 1994, 101, 9783.
34. van Lenthe, E.; van Leeuwen, R.; Baerends, E. J.; Snijders, J. G. Int J Quantum Chem 1996, 57, 281.
35. Jaszewski, A. R.; Jezierska, J. Chem Phys Lett 2001, 343, 571.
36. Szilagyi, R. K.; Metz, M.; Solomon, E. I. J Phys Chem A 2002, 106, 2994.
37. Pierloot, K.; DeKerpel, J. O. A.; Ryde, U.; Roos, B. O. J Am Chem Soc 1997, 119, 218.
38. Neese, F. J Chem Phys 2001, 115, 11080.
39. Neese, F. J Chem Phys 2003, 118, 3939.
40. Neese, F. J Chem Phys 2005, 122, 204107.
41. Kaupp, M. In EPR Spectroscopy of Free Radicals and Solids. Trends in Methods and Applications.; Lund, A., Shiotani, M., Eds., Kluwer, Dordrecht 2003, p. 267.
42. Malkina, O. L.; Vaara, J.; Schimmelpfennig, B.; Munzarová, M. L.; Malkin, V. G.; Kaupp, M. J Am Chem Soc 2000, 122, 9206.
43. Klamt, A.; Schüürmann, G. Perkin Trans 1993, 799.
44. Siegbahn, P. E. M.; Blomberg, M. R. A.; Pavlov, M. Chem Phys Lett 1998, 292, 421.
45. Musiani, F.; Carloni, P.; Ciurli, S. J Phys Chem B 2004, 108, 7495.
46. Berman, H. M.; Westbrook, J.; Feng, Z.; Gilliland, G.; Bhat, T. N.; Weissig, H.; Shindyalov, I. N.; Bourne, P. E. Nucleic Acids Res 2000, 28, 235.
47. MacKerell, A. D.; Bashford, D.; Bellott, M.; Dunbrack, 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.; Prodhom, B.; Reiher, W. E.; Roux, B.; Schlenkrich, M.; Smith, J. C.; Stote, R.; Straub, J.; Watanabe, M.; Wiorkiewicz-Kuczera, J.; Yin, D.; Karplus, M. J Phys Chem B 1998, 102, 3586.
48. Brooks, B. R.; Bruccoleri, R. E.; Olafson, B. D.; States, D. J.; Swaminathan, S.; Karplus, M. J Comput Chem 1983, 4, 187.
49. Bromley, S. T.; French, S. A.; Sokol, A. A.; Catlow, C. R. A.; Sherwood, P. J Phys Chem B 2003, 107, 7045.
50. Sherwood, P.; de Vries, A. H.; Collins, S. J.; Greatbanks, S. P.; Burton, N. A.; Vincent, M. A.; Hillier, I. H. Faraday Discuss 1997, 79.
51. Ahlrichs, R., Bar, M., Baron, H.-P., Bauernschmitt, R., Böcker, S., Ehrig, M., Eichkom, K., Elliot, S., Furche, F., Haase, F., Häser, M., Horn, H., Hättig, C., Huber, C., Huniar, U., Kattannek, M., Köhn, A., Kölmel, C., Kollwitz, M., May, K., Ochsenfeld, C., Ohm, H., Schä fer, A., Schneider, U., Treutier, O., von Arnim, M., Weigend, F., Weis, P., and Weiss, H. Turbomole, ver. 5.3; Karlsruhe, Quantum Chemistry Group: University of Karlsruhe, Germany, 2003.
52. Becke, A. D. Phys Rev A 1988, 38, 3098.
53. Perdew, J. P. Phys Rev B 1986, 34, 7406.
54. Perdew, J. P. Phys Rev B 1986, 33, 8822.
55. Schäfer, A.; Hörn, H.; Ahlrichs, R. J Chem Phys 1992, 97, 2571.
56. Eichkorn, K.; Treutier, O.; Ohm, H.; Häser, M.; Ahlrichs, R. Chem Phys Lett 1995, 242, 652.
57. Eichkorn, K.; Weigend, F.; Treutier, O.; Ahlrichs, R. Theor Chem Acc 1997, 97, 119.
58. Eichkorn, K.; Treutier, O.; Ohm, H.; Häser, M.; Ahlrichs, R. Chem Phys Lett 1995, 240, 283.
59. van Gastel, M.; Nagano, Y.; Zondervan, R.; Canters, G. W.; Jeuken, L. J. C.; Warmerdam, G. C. M.; de Waal, E. C.; Groenen, E. J. J. J Phys Chem B 2002, 106, 4018.
60. Billeter, S. R.; Turner, A. J.; Thiel, W. Phys Chem Chem Phys 2000, 2, 2177.
61. Becke, A. D. J Chem Phys 1993, 98, 5648.
62. Lee, C. T.; Yang, W. T.; Parr, R. G. Phys Rev B 1988, 37, 785.
63. Stephens, P. J.; Devlin, F. J.; Chabalowski, C. F.; Frisch, M. J. J Phys Chem 1994, 98, 11623.
64. Neese, F. Inorg Chim Acta 2002, 337, 181.
65. Schäfer, A.; Huber, C.; Ahlrichs, R. J Chem Phys 1994, 100, 5829.
66. Barone, V. In Recent Advances in Density Functional Methods; Chong, D. P., Ed.; World Scientific Publ. Co.; Singapore, 1996, p. 287.
67. Kutzelnigg, W.; Fleischer, U.; Schindler, M. In NMR Basic Principles and Progress; Diehl, P., Fluck, E., Günther, H.,e Kosfeld, R., Seelig, J., Eds.; Springer: Heidelberg, 1990, p. 165.
68. van Wüllen, C. J Chem Phys 1998, 109, 392.
69. Tokman, M.; Sundholm, D.; Pyykko, P.; Olsen, J. Chem Phys Lett 1997, 265, 60.
70. Hirata, S.; Head-Gordon, M.; Bartlett, R. J. J Chem Phys 1999, 111, 10774.
71. Neese, F.; Olbrich, G. Chem Phys Lett 2002, 362, 170.
72. Bauschlicher, C. W.; Langhoff, S. R.; Partridge, H.; Barnes, L. A. J Chem Phys 1989, 91, 2399.
73. Wachters, A. J. J Chem Phys 1970, 52, 1033.
74. Weigend, F.; Häser, M. Theor Chem Acc 1997, 97, 331.
75. Neese, F. ORCA - an ab initio Density Functional and Semiempirical Program Package, Version 2.4; Max-Planck Institut für Bioanorganische Chemie: Mülheim an der Ruhr, Germany, 2004.
76. Ryde, U.; Olsson, M. H. M.; Pierloot, K.; Roos, B. O. J Mol Biol 1996, 261, 586.
77. Ryde, U.; Olsson, M. H. M.; Roos, B. O.; Borin, A. C. Theor Chem Acc 2001, 105, 452.
78. DeBeer George, S.; Basumallick, L.; Szilagyi, R. K.; Randall, D. W.; Hill, M. G.; Nersissian, A. M.; Valentine, J. S.; Hedman, B.; Hodgson, K. O.; Solomon, E. I. J Am Chem Soc 2003, 125, 11314.
79. Neese, F.; Solomon, E. I. In Magnetism: Molecules to Materials; Miller, J. S., Drillon, M., Eds.; Wiley VCH: Weinheim, 2003, p. 345.
80. Guzzi, R.; Bizzarri, A. R.; Sportelli, L.; Cannistraro, S. Biophys Chem 1997, 63, 211.
81. Baute, D.; Arieli, D.; Neese, F.; Zimmermann, H.; Weckhuysen, B. M.; Goldfarb, D. J Am Chem Soc 2004, 126, 11733.
82. Kaupp, M.; Reviakine, R.; Malkina, O. L.; Arbuznikov, A.; Schimmelpfennig, B.; Malkin, V. G. J Comput Chem 2002, 23, 794.
83. LaCroix, L. B.; Shadle, S. E.; Wang, Y. N.; Averill, B. A.; Hedman, B.; Hodgson, K. O.; Solomon, E. I. J Am Chem Soc 1996, 118, 7755.
84. van Gastel, M.; Coremans, J. W. A.; Sommerdijk, H.; van Hemert, M. C.; Groenen, E. J. J. J Am Chem Soc 2002, 124, 2035.
85. Neese, F. Magn Reson Chem 2004, 42, S187.
86. Sinnecker, S.; Neese, F.; Noodleman, L.; Lubitz, W. J Am Chem Soc 2004, 126, 2613.
87. Sinnecker, S.; Slep, L. D.; Bill, E.; Neese, F. Inorg Chem 2005, 44, 2245.
88. Sinnecker, S.; Neese, F.; Lubitz, W. J Biol Inorg Chem 2005, 10, 231.
89. Antholine, W. E.; Hanna, P. M.; McMillin, D. R. Biophys J 1993, 64, 267.
90. Neese, F. J Phys Chem A 2001, 105, 4290.
91. Coremans, J. W. A.; Poluektov, O. G.; Groenen, E. J. J.; Canters, G. W.; Nar, H.; Messerschmidt, A. J Am Chem Soc 1997, 119, 4726.
92. Thomann, H.; Bernado, M. Methods Enzymol 1993, 227, 118.
93. Coremans, J. W. A.; Poluektov, O. G.; Groenen, E. J. J.; Canters, G. W.; Nar, H.; Messerschmidt, A. J Am Chem Soc 1996, 118, 12141.
94. Blackmann, G. L.; Brown, R. D.; Burden, F. R.; Elsum, I. R. J Mol Spectrosc 1976, 60, 63.
95. Hunt, M. J.; MacKay, A. L.; Edmonds, D. T. Chem Phys Lett 1975, 34, 473.
96. Jiang, F.; McCracken, J.; Peisach, J. J Am Chem Soc 1990, 112, 9035.
97. Bender, C. J.; Casimiro, D. R.; Peisach, J.; Dyson, H. J. Faraday Trans 1997, 93, 3967.
98. Neese, F.; Kappl, R.; Hintermann, J.; Zumft, W. G.; Kroneck, P. M. H. J Biol Inorg Chem 1998, 3, 53.
99. Kappl, R.; Ciurli, S.; Luchinat, C.; Hintermann, J. J Am Chem Soc 1999, 121, 1925.
100. Bertini, I.; Ciurli, S.; Dikiy, A.; Gasanov, R.; Luchinat, C.; Martini, G.; Safarov, N. J Am Chem Soc 1999, 121, 2037.
101. Bertini, I.; Fernandez, C. O.; Karlsson, B. G.; Leckner, J.; Luchinat, C.; Malmstrom, B. G.; Nersissian, A. M.; Pierattelli, R.; Shipp, E.; Valentine, J. S.; Vila, A. J. J Am Chem Soc 2000, 122, 3701.
102. Pierloot, K.; De Kerpel, J. O. A.; Ryde, U.; Olsson, M. H. M.; Roos, B. O. J Am Chem Soc 1998, 120, 13156.
103. Arbuznikov, A. V.; Kaupp, M.; Malkin, V. G.; Reviakine, R.; Malkina, O. L. Phys Chem Chem Phys 2002, 4, 5467.