Tunneling through weak interactions: Comparison of through-space-, H-bond-, and through-bond-mediated tunneling

Journal of Physical Chemistry A

Volumn 110, Issue 51, 2006, Pages 14018-14028

  Kurlancheek, Westin ^a,b   Cave, Robert J ^a  

^a HARVEY MUDD COLLEGE   (United States)

^b UNIVERSITY OF CALIFORNIA   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

BIOLOGICAL SYSTEMS; GEOMETRICAL SENSITIVITY; NONBONDED CONTACTS; VAN DER WAALS CONTACTS;

ELECTRON TUNNELING; ELECTRONIC STRUCTURE; HYDROGEN BONDS; VAN DER WAALS FORCES;

MOLECULAR DYNAMICS;

ALGORITHM; ARTICLE; CHEMICAL STRUCTURE; COMPARATIVE STUDY; ELECTRON; HYDROGEN BOND; QUANTUM THEORY;

ALGORITHMS; ELECTRONS; HYDROGEN BONDING; MODELS, MOLECULAR; MOLECULAR STRUCTURE; QUANTUM THEORY;

EID: 33846394372     PISSN: 10895639     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/jp064621b     Document Type: Article

References (105)

1. Marcus, R. A.; Sutin, N. Biochim. Biophys. Acta 1985, 811, 265.
2. Stuchebrukhov, A. A. J. Chem. Phys. 1996, 105 (24), 10819-10829.
3. Stuchebrukhov, A. A. J. Chem. Phys. 1996, 104 (21), 8424-8432.
4. Stuchebrukhov, A. A. J. Chem. Phys. 1998, 108 (20), 8499-8509.
5. Gray, H. B. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2003, 100 (7), 3563-3568.
6. Gray, H. B.; Malmstrom, B. G. Biochemistry 1989, 28 (19), 7499-7505.
7. Gray, H. B.; Winkler, J. R. Annu. Rev. Biochem. 1996, 65, 537.
8. Gray, H. B.; Winkler, J. R. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2005, 102 (10), 3534-3539.
9. Skourtis, S. S.; Beratan, D. N. Theories of structure-function relationships for bridge-mediated electron transfer reactions. Electron Transfer: Isol. Mol. Biomol., Part 1 1999, 106, 377-452.
10. De Vault, D. Quantum Mechanical Tunneling in Biological Systems, 2nd ed.; Cambridge University Press: New York, 1984.
11. Marcus, R. A. J. Chem. Phys. 1965, 43, 679.
12. Hush, N. S. Trans. Faraday Soc. 1961, 57, 557.
13. Levich, V. G. Adv. Electrochem. Electrochem. Eng. 1966, 4, 249.
14. Dogonadze, R. R.; Kuznetsov, A. M.; Vorotyntsev. Phys. Status Solidi B 1972, 54, 125, 425.
15. Kestner, N. R.; Logan, J.; Jortner, J. J. Phys. Chem. 1974, 78, 2148.
16. Bixon, M.; Jortner, J. Electron transfer-from isolated molecules to biomolecules. Electron Transfer: Isol. Mol. Biomol., Part 1 1999, 106, 35-202.
17. Newton, M. D.; Sutin, N. Annu. Rev. Phys. Chem. 1985, 35, 437.
18. Skourtis, S. S.; Onuchic, J. N.; Beratan, D. N. Inorg. Chim. Acta 1996, 243 (1-2), 167-175.
19. Onuchic, J. N.; Beratan, D. N. J. Chem. Phys. 1990, 92, 722.
20. Beratan, D. N.; Onuchic, J. N. Adv. Chem. Ser. 1991, No. 228, 71-90.
21. Onuchic, J. N.; Beratan, D. N.; Winkler, J. R.; Gray, H. B. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 1992, 21, 349-377.
22. Casimiro, D. R.; Beratan, D. N.; Onuchic, J. N.; Winkler, J. R.; Gray, H. B. Donor-acceptor electronic coupling in ruthenium-modified heme proteins. Mech. Bioinorg. Chem. 1995, 246, 471-485.
23. Rege, P. J.; Williams, S. A.; Therien, M. J. Science 1995, 269, 1409.
24. Onuchic, J. N.; Beratan, D. N.; Winkler, J. R.; Gray, H. B. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 1992, 21, 349.
25. Onuchic, J. N.; Beratan, D. N. J. Chem. Phys. 1990, 92 (1), 722-733.
26. Curtiss, L. A.; Miller, J. R. J. Phys. Chem. A 1998, 102, 160-167.
27. Curtiss, L. A.; Naleway, C. A.; Miller, J. R. J. Phys. Chem. 1993, 97, 4050.
28. Curtiss, L. A.; Naleway, C. A.; Miller, J. R. J. Phys. Chem. 1995, 99, 1182-1193.
29. Liang, C.; Newton, M. D. J. Phys. Chem. 1992, 96, 2855.
30. Liang, C.; Newton, M. D. J. Phys. Chem. 1992, 97, 3199.
31. Stuchebrukhov, A. A. Int. J. Quantum Chem. 2000, 77 (1), 16-26.
32. Stuchebrukhov, A. A. Toward ab initio theory of long-distance electron tunneling in proteins: tunneling currents approach. Adv. Chem. Phys. 2001, 118, 1-44.
33. Stuchebrukhov, A. A. Theor. Chem. Acc. 2003, 110 (5), 291-306.
34. Kurnikov, I. V.; Beratan, D. N. Abstr. Pap. Am. Chem. Soc. 1995, 210, 119-INOR.
35. Kurnikov, I. V.; Beratan, D. N. J. Chem. Phys. 1996, 105 (21), 9561-9573.
36. Kurnikov, I. V.; Beratan, D. N. Biophys. J. 2001, 80 (1), 186.
37. Larsson, S.; Braga, M. J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 1994, 82 (1-3), 61-66.
38. Larsson, S.; Broo, A.; Sjolin, L. J. Phys. Chem. 1995, 99, 4860-4865.
39. Larsson, S.; Klimkans, A. J. Mol. Struct. - THEOCHEM 1999, 464 (1-3), 59-65.
40. Larsson, S.; RodriguezMonge, L. Int. J. Quantum Chem. 1996, 58 (5), 517-532.
41. Hsu, C. P.; Marcus, R. A. J. Chem. Phys. 1997, 106 (2), 584-598.
42. Gehlen, J. N.; Daizadeh, I.; Stuchebrukhov, A. A.; Marcus, R. A. Inorg. Chim. Acta 1996, 243 (1-2), 271-282.
43. Lee, M. K.; Shephard, M. J.; Risser, S. M.; Priyadarshy, S.; Paddon-Row, M. N.; Beratan, D. N. J. Phys. Chem. A 2000, 104, 7593-7599.
44. Shephard, M. J.; Paddon-Row, M. N.; Jordan, K. D. J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 5328.
45. Jordan, K. D.; Nachtigallova, D.; Paddon-Row, M. N. Long-range intramolecular interactions: implications for electron transfer. In Modern Electronic Structure Theory and Applications in Organic Chemistry; Davidson, E. R., Ed.; World Science: Hackensack, NJ, 1997; p 257.
46. Miller, J. R.; Beitz, J. V.; Huddleston, R. K. J. Am. Chem. Soc. 1984, 106, 5057-5068.
47. Miller, J. R.; Beitz, J. V. J. Chem. Phys. 1981, 74 (12), 6746-6756.
48. Beitz, J. V.; Miller, J. R. J. Chem. Phys. 1979, 71 (11), 4579-4595.
49. Wenger, O. S.; Leigh, B. S.; Villahermosa, R. M.; Gray, H. B.; Winkler, J. R. Science 2005, 307 (5706), 99-102.
50. Ponce, A.; Gray, H. B.; Winkler, J. R. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 8187-8191.
51. Cave, R. J.; Newton, M. D.; Kumar, K.; Zimmt, M. B. J. Phys. Chem. 1995, 99, 17501-17504.
52. Kumar, K.; Kurnikov, I. V.; Beratan, D. N.; Waldeck, D. H.; Zimmt, M. B. J. Phys. Chem. A 1998, 102, 5529-5541.
53. Kaplan, R. W.; Napper, A. M.; Waldeck, D. H.; Zimmt, M. B. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 12039-12040.
54. Zimmt, M. B.; Waldeck, A. H. J. Phys. Chem. A 2003, 107, 3580-3597.
55. Napper, A. M.; Read, I.; Waldeck, D. H.; Head, N. J.; Oliver, A. M.; Paddon-Row, M. N. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 5220.
56. Newton, M. D. J. Electroanal Chem. 1997, 438 (1-2), 3-10.
57. Miller, N. E.; Wander, M. C.; Cave, R. J. J. Phys. Chem. A 1999, 103, 1084-1093.
58. Cukier, E.; Daniels, S.; Vinson, E.; Cave, R. J. J. Phys. Chem. A 2002, 106, 11240-11247.
59. Tezcan, F. A.; Crane, B. R.; Winkler, J. R.; Gray, H. B. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2001, 98, 5002.
60. Dennington II, R. K. T.; Millam, J.; Eppinnett, K.; Hovell, W. L.; Gilliland, R. Gaussview 3.09; Semichem, Inc.: Shawnee Mission, KS , 2003.
61. Koch, W.; Holthausen, M. C. A Chemist's Guide to Density Functional Theory, 2nd ed.; Wliey-VCH: New York, 2001.
62. Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648-5652.
63. Rassolov, V. A.; Ratner, M. A.; Pople, J. A.; Redfern, P. C.; Curtiss, L. A. J. Comput. Chem. 2001, 22 (9), 976-984.
64. Curtiss, L. A.; McGrath, M. P.; Blaudeau, J. P.; Davis, N. E.; Binning, R. C.; Radom, L. J. Chem. Phys. 1995, 103 (14), 6104-6113.
65. Gordon, M. S. Chem. Phys. Lett. 1980, 76 (1), 163-168.
66. Harihara, P. C.; Pople, J. A. Mol. Phys. 1974, 27 (1), 209-214.
67. Harihara, P. C.; Pople, J. A. Theor. Chim. Acta 1973, 28 (3), 213-222.
68. Hehre, W. J.; Ditchfie, R.; Pople, J. A. J. Chem. Phys. 1972, 56 (5), 2257.
69. Ditchfie, R.; Hehre, W. J.; Pople, J. A. J. Chem. Phys. 1971, 54 (2), 724.
70. Cukier, E.; Cave, R. J. Chem. Phys. Lett. 2005, 402, 186-191.
71. Mulliken, R. S. J. Am. Chem. Soc. 1952, 64, 811.
72. Hush, N. S. Electrochim. Acta 1968, 13, 1005.
73. Cave, R. J.; Newton, M. D. Chem. Phys. Lett. 1996, 249 (1-2), 15-19.
74. Cave, R. J.; Newton, M. D. J. Chem. Phys. 1997, 106 (22), 9213-9226.
75. Stanton, J. F.; Bartlett, R. J. J. Chem. Phys. 1993, 98, 7029.
76. Szabo, A.; Ostlund, N. S. Modern Quantum Chemistry: Introduction to Advanced Electronic Structure Theory, 2nd ed.; MacMillan: New York, 1982.
77. Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Zakrzewski, V. G.; Montgomery, J. A., J.; 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.; Salvador, P.; Dannenberg, J. J.; Malick, D. K.; Rabuck, A. D.; Raghavachari, K.; Foresman, J. B.; Cioslowski, J.; Ortiz, J. V.; Baboul, A. G.; 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.; Challacombe, M.; Gill, P. M. W.; Johnson, B.; Chen, W.; Wong, M. W.; Andres, J. L.; Gonzalez, C.; Head-Gordon, M.; Replogle, E. S.; Pople, J. A. Gaussian 98, revision A.11.3; Gaussian, Inc.: Pittsburgh, PA, 2001.
78. Frisch, M. J. T. 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.; Bakken, V.; 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; Gaussian Inc.: Wallingford, CT, 2004.
79. Schmidt, M. W. B.; K. K.; Boatz, J. A.; Elbert, S. T.; Gordon, M. S.; Jensen, J. H. K., S.; Matsunaga, N.; Nguyen, K. A.; Su, S.; Windus, T. L.; Dupuis, M. M., J. A. J. Comput. Chem. 1993, 14, 1347-1363.
80. Stanton, J. F.; Gauss, J.; Watts, J. D.; Nooijen, M.; Oliphant, N.; Perera, S. A.; Szalay, P. G.; Lauderdale, W. J.; Kucharski, S. A.; Gwaltney, S. R.; Beck, S.; Balková, A.; Bernholdt, D. E.; Baeck, K. K.; Rozyczko, P.; Sekino, H.; Hober, C.; Bartlett, R. J. Aces II; Quantum Theory Project: Gainesville, FL, 1999.
81. Frisch, M. J.; Pople, J. A.; Binkley, J. S. J. Chem. Phys. 1984, 80 (7), 3265-3269.
82. Clark, T.; Chandrasekhar, J.; Spitznagel, G. W.; Schleyer, P. V. J. Comput. Chem. 1983, 4 (3), 294-301.
83. McLean, A. D.; Chandler, G. S. J. Chem. Phys. 1980, 72 (10), 5639-5648.
84. Krishnan, R.; Binkley, J. S.; Seeger, R.; Pople, J. A. J. Chem. Phys. 1980, 72 (1), 650-654.
85. McConnell, H. M. J. Chem. Phys. 1961, 35, 508.
86. Bondi, A. J. Phys. Chem. 1964, 68, 441-451.
87. Feller, D. J. Chem. Phys. 1992, 96, 6104.
88. Prytkova, T. R.; Kurnikov, I. V.; Beratan, D. N. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 1618-1625.
89. Bushnell, G. W.; Louie, G. V.; Brayer, G. D. J. Mol. Biol. 1990, 214 (2), 585-595.
90. Beratan, D. N. J. Am. Chem. Soc. 1986, 108, 4321-4326.
91. Yang, J.; Seneviratne, D.; Arbatin, G.; Andersson, A. M.; Curtis, J. C. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 5329.
92. Daizadeh, I.; Medvedev, E. S.; Stuchebrukhov, A. A. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1997, 94 (8), 3703-3708.
93. Castner, E. W.; Kennedy, D.; Cave, R. J. J. Phys. Chem. A 2000, 104, 2869-2885.
94. Skourtis, S. S.; Balabin, I. A.; Kawatsu, T.; Beratan, D. N. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2005, 102 (10), 3552-3557.
95. Balabin, I. A.; Onuchic, J. N. Science 2000, 290, 114-117.
96. Kurnikov, I. V.; Charnley, A. K.; Beratan, D. N. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 5359-5367.
97. Kurnikov, I. V.; Tong, G. S. M.; Madrid, M.; Beratan, D. N. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 7-10.
98. Kuznetsov, A. M.; Ulstrup, J. Bioelectrochem. Bioenerg. 1989, 21 (3), 289-305.
99. Daizadeh, I.; Medvedev, D. M.; Stuchebrukhov, A. A. Mol Biol. Evol. 2002, 19 (4), 406-415.
100. Stuchebrukhov, A. J. Inorg. Biochem. 2001, 86 (1), 101-101.
101. Kim, J.; Stuchebrukhov, A. J. Phys. Chem. B 2000, 104, 8606-8613.
102. Cheung, M. S.; Daizadeh, I.; Stuchebrukhov, A. A.; Heelis, P. F. Biophys. J. 1999, 76 (3), 1241-1249.
103. Voityuk, A. A.; Rosch, N. J. Chem. Phys. 2002, 117(12), 5607-5616.
104. Lappe, J.; Cave, R. J.; Newton, M. D.; Rostov, I. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 6610-6619.
105. Stuchebrukhov, A. A. Chem. Phys. Lett. 1994, 225 (1-3), 55-61.