QM/MM models of the O2-evolving complex of photosystem II

Journal of Chemical Theory and Computation

Volumn 2, Issue 4, 2006, Pages 1119-1134

  Sproviero, Eduardo M ^a   Gascón, José A ^a   McEvoy, James P ^a   Brudvig, Gary W ^a   Batista, Victor S ^a  

^a YALE UNIVERSITY   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

EID: 33751408492     PISSN: 15499618     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/ct060018l     Document Type: Article

References (125)

1. Warshel, A.; Levitt, M. J. Mol. Biol. 1976, 103, 227-249.
2. Dapprich, S.; Komaromi, I.; Byun, K. S.; Morokuma, K.; Frisch, M. J. THEOCHEM 1999, 461, 1-21.
3. Gascón, J. A.; Leung, S. S. F.; Batista, E. R.; Batista, V. S. J. Chem. Theory Comput. 2006, 2, 175-186.
4. Ferreira, K. N.; Iverson, T. M.; Maghlaoui, K.; Barber, J.; Iwata, S. Science 2004, 303, 1831-1838.
5. Vrettos, J. S.; Limburg, J.; Brudvig, G. W. Biochim. Biophys. Acta 2001, 1503, 229-245.
6. Diner, B. A.; Babcock, G. T. In Oxygenic Photosynthesis: The Light Reactions; Ort, D. R., Yocum, C. F., Eds.; Kluwer Academic Publishers: Dordrecht, The Netherlands, 1996; pp 213-247.
7. Debus, R. J. Biochim. Biophys. Acta 1992, 1102, 269-352.
8. Witt, H. T. Phys. Chem. Chem. Phys. 1996, 100, 1923-1942.
9. Britt, R. D. In Oxygenic Photosynthesis: The Light Reactions; Ort, D. R., Yocum, C. F., Eds.; Kluwer Academic Publishers: Dordrecht, The Netherlands, 1996; pp 137-159.
10. Barber, J. Quart. Rev. Biophys. 2003, 36, 71-89.
11. Yachandra, V. K.; Sauer, K.; Klein, M. P. Chem. Rev. 1996, 96, 2927-2950.
12. Lundberg, M.; Siegbahn, P. E. M. Phys. Chem. Chem. Phys. 2004, 6, 4772-4780.
13. McEvoy, J. P.; Gascón, J. A.; Sproviero, E. M.; Batista, V. S.; Brudvig, G. W. In Photosynthesis: Fundamental Aspects to Global Perspectives; Bruce, D., van der Est, A., Eds.; Allen Press Inc.: Lawrence, Kansas, 2005; Vol. 1, pp 278-280.
14. McEvoy, J. P.; Gascón, J. A.; Batista, V. S.; Brudvig, G. W. Photochem. Photobiol. Sci. 2005, 4, 940-949.
15. Joliot, P.; Barbieri, G.; Chabaud, R. Photochem. Photobiol. 1969, 10, 309-329.
16. Kok, B.; Forbush, B.; McGloin, M. Photochem. Photobiol. 1970, 11, 457-475.
17. Messinger, J.; Badger, M.; Wydrzynski, T. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1995, 92, 3209-3213.
18. Messinger, J. Phys. Chem. Chem. Phys. 2004, 6, 4764-4771.
19. McEvoy, J. P.; Brudvig, G. W. Phys. Chem. Chem. Phys. 2004, 6, 4754-4763.
20. Robblee, J. H.; Cinco, R. M.; Yachandra, V. K. Biochim. Biophys. Acta 2001, 1505, 7-23.
21. Pecoraro, V. L.; Baldwin, M. J.; Caudle, M. T.; Hsieh, W. Y.; Law, N. A. Pure Appl. Chem. 1998, 70, 925-929.
22. Barber, J.; Ferreira, K. N.; Maghlaoui, K.; Iwata, S. Phys. Chem. Chem. Phys. 2004, 6, 4737-4742.
23. Britt, R. D.; Peloquin, J. M.; Gilchrist, M. L.; Aznar, C. P.; Dicus, M. M.; Robblee, J.; Messinger, J. Biochim. Biophys. Acta 2004, 1655, 158-171.
24. Yachandra, V. K.; Klein, K. S. M. P. Chem. Rev. 1996, 96, 2927-2950.
25. Hillier, W.; Wydrzynski, T. Biochemistry 2000, 39, 4399-4405.
26. Hillier, W.; Wydrzynski, T. Phys. Chem. Chem. Phys. 2004, 6, 4882-4889.
27. Mukhopadhyay, S.; Mandal, S. K.; Bhaduri, S.; Armstrong, W. H. Chem. Rev. 2004, 104, 3981-4026.
28. Miller, A. F.; Brudvig, G. W. Biochim. Biophys. Acta 1991, 1056, 1-18.
29. Britt, R. D.; Peloquin, J. M.; Campbell, K. A. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 2000, 29, 463-495.
30. Mino, H.; Kawamori, A. Biochim. Biophys. Acta 2001, 1503, 112-122.
31. Boussac, A.; Un, S.; Horner, O.; Rutherford, A. W. Biochemistry 1998, 37, 4001-4007.
32. Kulik, L.; Epel, B.; Messinger, J.; Lubitz, W. Photosynth. Res. 2005, 84, 347-353.
33. Dau, H.; Liebisch, P.; Haumann, M. Anal. Bioanal. Chem. 2003, 376, 562-583.
34. Liang, W. C.; Roelofs, T. A.; Cinco, R. M.; Rompel, A.; Latimer, M. J.; Yu, W. O.; Sauer, K.; Klein, M. P.; Yachandra, V. K. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 3399-3412.
35. Yachandra, V. K. Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. B 2002, 357, 1347-1357.
36. Dau, H.; Liebisch, P.; Haumann, M. Phys. Chem. Chem. Phys. 2004, 6, 4781-4792.
37. Robblee, J. H.; Messinger, J.; Cinco, R. M.; McFarlane, K. L.; Fernandez, C.; Pizarro, S. A.; Sauer, K.; Yachandra, V. K. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 7459-7471.
38. Haumann, M.; Muller, C.; Liebisch, P.; Iuzzolino, L.; Dittmer, J.; Grabolle, M.; Neisius, T.; Meyer-Klaucke, W.; Dau, H. Biochemistry 2005, 4, 1894-1908.
39. Ke, B. Photosynthesis: Photobiochemistry and Photobiophysics; Academic Publishers: Dordrecht, The Netherlands, 2001.
40. Berthomieu, C.; Hienerwadel, R.; Boussac, A.; Breton, J.; Diner, B. A. Biochemistry 1998, 37, 10547-10554.
41. Chu, H.; Hillier, W.; Debus, R. J. Biochemistry 2004, 43, 3152-3166.
42. Debus, R. J.; Strickler, M. A.; Walker, L. M.; Hillier, W. Biochemistry 2005, 44, 1367-1374.
43. Strickler, M. A.; Walker, L. M.; Hillier, W.; Debus, R. J. Biochemistry 2005, 44, 8571-8577.
44. Kimura, Y.; Mizusawa, N.; Yamanari, T.; Ishii, A.; Ono, T. J. Biol. Chem. 2005, 280, 2078-2083.
45. Roffey, R. A.; Kramer, D. M.; Govindjee; Sayre, R. T. Biochim. Biophys. Acta 1994, 1185, 257-270.
46. Kramer, D. M.; Roffey, R. A.; Govindjee; Sayre, R. T. Biochim. Biophys. Acta 1994, 1185, 228-237.
47. Debus, R. J. Biochim. Biophys. Acta 2001, 1503, 164-186.
48. Diner, B. A. Biochim. Biophys. Acta 2001, 1503, 147-163.
49. Zouni, A.; Witt, H. T.; Kern, J.; Fromme, P.; Krauss, N.; Saenger, W.; Orth, P. Nature 2001, 409, 739-743.
50. Kamiya, N.; Shen, J. R. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2003, 100, 98-103.
51. Biesiadka, J.; Loll, B.; Kern, J.; Irrgang, K. D.; Zouni, A. Phys. Chem. Chem. Phys. 2004, 6, 4733-4736.
52. Loll, B.; Kern, J.; Saenger, W.; Zouni, A.; Biesiadka, J. Nature 2005, 438, 1040-1044.
53. Yano, J.; Kern, J.; Irrgang, K.; Latimer, M. J.; Bergmann, U.; Glatzel, P.; Pushkar, Y.; Biesiadka, J.; Loll, B.; Sauer, K.; Messinger, J.; Zouni, A.; Yachandra, V. K. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2005, 102, 12047-12052.
54. Sauer, K.; Yachandra, V. K. Biochim. Biophys. Acta 2004, 1655, 140-148.
55. Dau, H.; Iuzzolino, L.; Dittmer, J. Biochim. Biophys. Acta 2001, 1503, 24-39.
56. Crespo, A.; Scherlis, D.; Martí, M. A.; Ordejon, P.; Roitberg, A. E.; Estrin, D. A. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 13728-13736.
57. Martí, M. A.; Crespo, A.; Bari, S. E.; Doctorovich, F. A.; Estrin, D. A. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 18073-18080.
58. Fernández, M. L.; Martí, M. A.; Crespo, A.; Estrin, D. A. J. Biol. Inorg. Chem. 2005, 10, 595-604.
59. Crespo, A.; Martí, M. A.; Estrin, D. A.; Roitberg, A. E. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 6940-6941.
60. Friesner, R.; Guallar, V. Annu. Rev. Phys. Chem. 2005, 56, 389-427.
61. Guallar, V.; Jacobson, M.; McDermott, A.; Friesner, R. A. J. Mol. Biol. 2004, 337, 227-239.
62. Friesner, R. A.; Baik, M.; Gherman, B. F.; Guallar, V.; Wirstam, M.; Murphy, R. B.; Lippard, S. J. Coord. Chem. Rev. 2003, 238-239, 267-290.
63. Gherman, B.; Goldberg, S.; Cornish, V. W.; Friesner, R. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 7652-7664.
64. Derat, E.; Cohen, S.; Shaik, S.; Altun, A.; Thiel, W. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 13611-13621.
65. Lin, H.; Schoneboom, J.; Cohen, S.; Shaik, S.; Thiel, W. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 10083-10088.
66. Schoneboom, J.; Cohen, S.; Lin, H.; Shaik, S.; Thiel, W. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 4017-4034.
67. Lundberg, M.; Blomberg, M.; Siegbahn, P. Top. Curr. Chem. 2004, 238, 79-112.
68. Siegbahn, P. E. M. J. Biol. Inorg. Chem. 2003, 8, 567-576.
69. Gascón, J. A.; Batista, V. S. Biophys. J. 2004, 87, 2931-2941.
70. Gascón, J. A.; Sproviero, E. M.; Batista, V. S. J. Chem. Theory Comput. 2005, 1, 674-685.
71. Gascón, J. A.; Sproviero, E. M.; Batista, V. S. Acc. Chem. Res. 2006, 39, 184-193.
72. Hendry, G.; Wydrzynski, T. Biochemistry 2003, 42, 6209-6217.
73. Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Montgomery, J. A., Jr.; Vreven, T.; Kudin, K. N.; Burant, J. C.; Millam, J. M.; Iyengar, S. S.; Tomasi, J.; Barone, V.; Mennucci, B.; Cossi, M.; Scalmani, G.; Rega, N.; Petersson, G. A.; Nakatsuji, H.; Hada, M.; Ehara, M.; Toyota, K.; Fukuda, R.; Hasegawa, J.; Ishida, M.; Nakajima, T.; Honda, Y.; Kitao, O.; Nakai, H.; Klene, M.; Li, X.; Knox, J. E.; Hratchian, H. P.; Cross, J. B.; Adamo, C.; Jaramillo, J.; Gomperts, R.; Stratmann, R. E.; Yazyev, O.; Austin, A. J.; Cammi, R.; Pomelli, C.; Ochterski, J. W.; Ayala, P. Y.; Morokuma, K.; Voth, G. A.; Salvador, P.; Dannenberg, J. J.; Zakrzewski, V. G.; Dapprich, S.; Daniels, A. D.; Strain, M. C.; Farkas, O.; Malick, D. K.; Rabuck, A. D.; Raghavachari, K.; Foresman, J. B.; Ortiz, J. V.; Cui, Q.; Baboul, A. G.; Clifford, S.; Cioslowski, J.; Stefanov, B. B.; Liu, G.; Liashenko, A.; Piskorz, P.; Komaromi, I.; Martin, R. L.; Fox, D. J.; Keith, T.; Al-Laham, M. A.; Peng, C. Y.; Nanayakkara, A.; Challacombe, M.; Gill, P. M. W.; Johnson, B.; Chen, W.; Wong, M. W.; Gonzalez, C.; Pople, J. A. Gaussian 03, revision A.1; Gaussian, Inc.: Wallingford, CT, 2003.
74. Vacek, G.; Perry, J. K.; Langlois, J. M. Chem. Phys. Lett. 1999, 310, 189-194.
75. Jaguar 5.5; Schroedinger, LLC: Portland, OR, 2003.
76. Note that all amino acid residues are labeled according to the one-letter standard nomenclature and correspond to the D1 protein subunit unless otherwise indicated.
77. Sproviero, E. M.; Gascón, J. A.; McEvoy, J. P.; Brudvig, G. W.; Batista, V. S. J. Inorg. Biochem. 2005, 100, 786-800.
78. Noodleman, L. J. Chem. Phys. 1981, 74, 5737-5743.
79. Noodleman, L.; Davidson, E. R. Chem. Phys. 1986, 109, 131-143.
80. Noodleman, L.; Case, D. A. Adv. Inor. Chem. 1992, 38, 423-470.
81. Noodleman, L.; Peng, C. Y.; Case, D. A.; Mouesca, J. M. Coord. Chem. Rev. 1995, 144, 199-244.
82. Kronig, R. Z. Phys. 1931, 70, 317-323.
83. Kronig, R. Z. Phys. 1932, 75, 190-210.
84. Sayers, D. E.; Stem, E. A.; Lytle, F. W. Phys. Rev. Lett. 1971, 27, 1204-1207.
85. Stern, E. Phys. Rev. B 1974, 10, 3027-3027.
86. Pendry, J. In Low Energy Electron Diffraction; Academic Press: New York, 1974; pp 20-35.
87. Lee, P.; Pendry, J. Phys. Rev. B 1975, 11, 2795-2811.
88. Ashley, C.; Doniach, S. Phys. Rev. B 1975, 11, 1279-1288.
89. Gonis, A. Green Functions for Ordered and Disordered Systems; Elsevier: Amsterdam, 1992.
90. Ankudinov, A. L.; Ravel, B.; Rehr, J. J.; Conradson, S. D. Phys. Rev. B 1998, 58, 7565-7576.
91. Ankudinov, A. L.; Bouldin, C.; Rehr, J. J.; Sims, J.; Hung, H. Phys. Rev. B 2002, 65, 104107-104118.
92. 77
93. Pospisil, P.; Haumann, M.; Dittmer, J.; Sole, V. A.; Dau, H. Biophys. J. 2003, 84, 1370-1386.
94. Yachandra, V. K.; DeRose, V. J.; Latimer, M. J.; Mukerji, L.; Sauer, K.; Klein, M. P. Science 1993, 260, 675-679.
95. Ono, T. A.; Noguchi, T.; Inoue, Y.; Kusunoki, M.; Matsushita, T.; Oyanagi, H. Science 1992, 258, 1335-1337.
96. Roelofs, T. A.; Liang, W. C.; Latimer, M. J.; Cinco, R. M.; Rompel, A.; Andrews, J. C.; Sauer, K.; Yachandra, V. K.; Klein, M. P. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1996, 93, 3335-3340.
97. Bergmann, U.; Grush, M. M.; Home, C. R.; DeMarois, P.; Penner-Hahn, J. E.; Yocum, C. F.; Wright, D. W.; Dube, C. E.; Armstrong, W. H.; Christou, G.; Eppley, H. J.; Cramer, S. P. J. Phys. Chem. B 1998, 102, 8350-8352.
98. Iuzzolino, L.; Dittmer, J.; Dau, H. Biochemistry 1998, 37, 17112-17119.
99. Messinger, J.; Robblee, J. H.; Bergmann, U.; Fernandez, C.; Glatzel, P.; Visser, H.; Cinco, R. M.; McFarlane, K. L.; Bellacchio, E.; Pizarro, S. A.; Cramer, S. P.; Sauer, K.; Klein, M. P.; Yachandra, V. K. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 7804-7820.
100. Zheng, M.; Dismukes, G. C. Inorg. Chem. 1996, 35, 3307-3319.
101. Kuzek, D.; Pace, R. J. Biochim. Biophys. Acta 2001, 1503, 123-137.
102. Dasgupta, J.; van Willigen, R. T.; Dismukes, G. C. Phys. Chem. Chem. Phys. 2004, 6, 4793-4802.
103. Clausen, J.; Beckman, K.; Junge, W.; Messinger, J. Plant Physiol. 2005, 139, 1444-1450.
104. Kühne, H.; Szalai, V. A.; Brudvig, G. W. Biochemistry 1999, 38, 6604-6613.
105. Wincencjusz, H.; van Gorkom, H. J.; Yocum, C. F. Biochemistry 1997, 36, 3663-3670.
106. Olesen, K.; Andreasson, L. E. Biochemistry 2003, 42, 2025-2035.
107. Force, D. A.; Randall, D. W.; Britt, R. D. Biochemistry 1997, 36, 12062-12070.
108. Clemens, K. L.; Force, D. A.; Britt, R. D. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 10921-10933.
109. Debus, R. J.; Barry, B. A.; Sithole, I.; Babcock, G. T.; McIntosh, L. Biochemistry 1988, 27, 9071-9074.
110. Metz, J. G.; Nixon, P. J.; Rogner, M.; Brudvig, G. W.; Diner, B. A. Biochemistry 1989, 28, 6960-6969.
111. Hays, A. M. A.; Vassiliev, I. R.; Golbeck, J. H.; Debus, R. J. Biochemistry 1998, 37, 11352-11365.
112. Hays, A. M. A.; Vassiliev, I. R.; Golbeck, J. H.; Debus, R. J. Biochemistry 1998, 38, 11851-11865.
113. Hoganson, C. W.; Babcock, G. T. Science 1997, 277, 1953-1956.
114. Ishikita, H.; Saenger, W.; Loll, B.; Biesiadka, J.; Knapp, E. W. Biochemistry 2006, 45, 2063-2071.
115. Schlodder, E.; Witt, H. T. J. Biol. Chem. 1999, 274, 30877-30392.
116. Junge, W.; Haumann, M.; Ahbrink, R.; Mulkidjanian, A.; Clausen, J. Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. B. 2002, 357, 1407-1418.
117. Rappaport, F.; Lavergne, J. Biochim. Biophys. Acta 2001, 1503, 246-259.
118. Mukerji, I.; Andrews, J. C.; DeRose, V. J.; Latimer, M.; Yachandra, V. K.; Sauer, K.; Klein, M. P. Biochemistry 1994, 33, 9712-9721.
119. Ghosh, A.; Taylor, P. R. Curr. Opin. Chem. Biol. 2003, 7, 113-124.
120. Ghosh, A.; Taylor, P. R. J. Chem. Theory Comput. 2005, 1, 597-600.
121. Ghosh, A.; Steene, E. J. Biol. Inorg. Chem. 2001, 6, 739-752.
122. Weiss, R.; Bulach, V.; Gold, A.; Terner, J.; Trautwein, A. X. J. Biol. Inorg. Chem. 2001, 6, 831-845.
123. Reiher, M.; Salomon, O.; Hess, B. A. Theor. Chem. Acc. 2001, 107, 48-55.
124. Salomon, O.; Reiher, M.; Hess, B. A. J. Chem. Phys. 2002, 117, 4729-4737.
125. Holthausen, M. C. J. Comput. Chem. 2005, 26, 1505-1518.