Proton solvation and transport in aqueous and biomolecular systems: Insights from computer simulations

Journal of Physical Chemistry B

Volumn 111, Issue 17, 2007, Pages 4300-4314

  Swanson, Jessica M J ^a   Maupin, C Mark ^a   Chen, Hanning ^a   Petersen, Matt K ^a   Xu, Jiancong ^a   Wu, Yujie ^a   Voth, Gregory A ^a  

^a UNIVERSITY OF UTAH   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

COMPUTER SIMULATION; MATERIALS SCIENCE; PROTONS; SOLVATION;

BIOENERGETICS; CHARGE DELOCALIZATION; COMPUTER MODELING; GROTTHUSS SHUTTLING;

BIOMOLECULES;

EID: 34249092919     PISSN: 15206106     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/jp070104x     Document Type: Article

References (185)

1. de Grotthuss, C. J. T. Ann. Chim. 1806, LVIII, 54.
2. Voth, G. A. Front. Biosci. 2003, 8, 1384.
3. Voth, G. A. Acc. Chem. Res. 2006, 39, 143.
4. Lobaugh, J.; Voth, G. A. J. Chem. Phys. 1996, 104, 2056.
5. Schmitt, U. W.; Voth, G. A. J. Phys. Chem. B 1998, 102, 5547.
6. Schmitt, U. W.; Voth, G. A. J. Chem. Phys. 1999, 111, 9361.
7. Schmitt, U. W.; Voth, G. A. Isr. J. Chem. 1999, 39, 483.
8. Schmitt, U. W.; Voth, G. A. Chem. Phys. Lett. 2000, 36.
9. Day, T. J. F.; Schmitt, U. W.; Voth, G. A. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 12027.
10. Kim, J.; Schmitt, U. W.; Gruetzmacher, J. A.; Voth, G. A.; Scherer, N. E. J. Chem. Phys. 2002, 116, 737.
11. Day, T. J. F.; Soudackov, A. V.; Cuma, M.; Schmitt, U. W.; Voth, G. A. J. Chem. Phys. 2002, 117, 5839.
12. Wang, F.; Voth, G. A. J. Chem. Phys. 2005, 122, 144105.
13. Lapid, H.; Agmon, N.; Petersen, M. K.; Voth, G. A. J. Chem. Phys. 2005, 122, 014506.
14. Izvekov, S.; Voth, G. A. J. Chem. Phys. 2005, 123, 044505.
15. Cuma, M.; Schmitt, U. W.; Voth, G. A. Chem. Phys. 2000, 258, 187.
16. Cuma, M.; Schmitt, U. W.; Voth, G. A. J. Phys. Chem. A 2001, 105, 2814.
17. Maupin, C. M.; Wong, K. F.; Soudackov, A. V.; Kim, S.; Voth, G. A. J. Phys. Chem. A. 2006, 110, 631.
18. Petersen, M. K.; Iyengar, S. S.; Day, T. J. F.; Voth, G. A. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 14804.
19. Iyengar, S. S.; Day, T. J. F.; Voth, G. A. Int. J. Mass Spec. 2005, 241, 197.
20. Iyengar, S. S.; Petersen, M. K.; Day, T. J. F.; Burnham, C. J.; Tiege, V. E.; Voth, G. A. J. Chem. Phys. 2005, 123, 084309.
21. Burnham, C. J.; Petersen, M. K.; Day, T. J. F.; Iyengar, S. S.; Voth, G. A. J. Chem. Phys. 2006, 124, 024327.
22. Petersen, M. K.; Voth, G. A. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 7085.
23. Brewer, M. L.; Schmitt, U. W.; Voth, G. A. Biophys. J. 2001, 80, 1691.
24. Wu, Y.; Ilan, B.; Voth, G. A. Biophys. J. 2007, 92, 61.
25. Wu, Y.; Voth, G. A. Biophys. J. 2003, 85, 864.
26. Smondyrev, M.; Voth, G. A. Biophys. J. 2002, 82, 1460.
27. Tepper, H. L.; Voth, G. A. Biophys. J. 2005, 88, 3095.
28. Tepper, H. L.; Voth, G. A. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 21327.
29. Smondyrev, M.; Voth, G. A. Biophys. J. 2002, 83, 1987.
30. Wu, Y.; Voth, G. A. FEBS Lett. 2003, 552, 23.
31. Wu, Y.; Voth, G. A. In Computer Simulations of Proton Transport through the M2 Channel of the Influenza A Virus; Fischer, W., Ed.; Kluwer Academic/Plenum Publishers: New York, 2004; Chapter 10.
32. Wu, Y.; Voth, G. A. Biophys. J. 2005, 89, 2402.
33. Ilan, B.; Tajkhorshid, E.; Shulten, K.; Voth, G. A. Protein Struct. Fund. Bioinf. 2004, 55, 223.
34. Chen, H.; Wu, Y.; Voth, G. A. Biophys. J. 2006, 90, L73.
35. Chen, H.; Ilan, B.; Wu, Y.; Zhu, F.; Schulten, K.; Voth, G. A. Biophys. J. 2007, 92, 46.
36. Xu, J.; Voth, G. A. Proc. Natl. Acad. Sci. 2005, 102, 6795.
37. Xu, J.; Voth, G. A. Biochim. Biophys. Acta 2006, 1757, 852.
38. Decoursey, T. E. Physiol. Rev. 2003, 83, 475.
39. Petersen, M. K.; Voth, G. A. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 18594.
40. Petersen, M. K.; Wang, F.; Blake, N. P.; Metiu, H.; Voth, G. A. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 3727.
41. Hammes-Schiffer, S. Curr. Opin. Struct. Biol. 2004, 14, 192.
42. Warshel, A.; Parson, W. W. Q. Rev. Biophys. 2001, 34, 563.
43. Warshel, A. Ann. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 2003, 32, 425.
44. Agmon, N. J. Chim. Phys. 1996, 93, 1714.
45. Warshel, A.; Weiss, R. M. J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 6218,
46. Warshel, A. Computer Modeling of Chemical Reactions in Enzymes and Solutions; John Wiley and Sons: New York, 1991.
47. Vuilleumier, R.; Borgis, D. J. Mol. Struct. 1997, 436, 555.
48. Vuilleumier, R.; Borgis, D. J. Phys. Chem. B 1998, 102, 4261.
49. Vuilleumier, R.; Borgis, D. Chem. Phys. Lett. 1998, 284, 71.
50. Vuilleumier, R.; Borgis, D. Isr. J. Chem. 1999, 39, 457.
51. Vuilleumier, R.; Borgis, D. J. Chem. Phys. 1999, 111, 4251.
52. Laria, D.; Marti, J.; Guardia, E. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 2125.
53. Tuckerman, M.; Laasonen, K.; Sprik, M.; Parrinello, M. J. Chem. Phys. 1995, 103, 150.
54. Sagnella, D. E.; Laasonen, K.; Klein, M. L. Biophys. J. 1996, 71, 1172.
55. Tuckerman, M. E.; Marx, D.; Klein, M. L.; Parrinello, M. Science 1997, 275, 817.
56. Marx, D.; Tuckerman, M. E.; Hutter, J.; Parrinello, M. Nature 1999, 397, 601.
57. Jensen, M. Ø.; Rothlisberger, U.; Rovira, C. Biophys. J. 2005, 89, 1744.
58. Morrone, J. A.; Haslinger, K. E.; Tuckerman, M. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 3712.
59. Marx, D. Chem. Phys. Chem. 2006, 7, 1849.
60. Tuckerman, M.; Chandra, A.; Marx, D. Ace. Chem. Res. 2006, 39, 151.
61. Laio, A.; VandeVondele, J.; Rothlisberger, U. J. Chem. Phys. 2002, 116, 6941.
62. Asthagiri, D.; Pratt, L. R.; Kress, J. D. Phys. Rev. E: Stat. Phys., Plasmas, Fluids, Relat. Interdiscip. Top. 2003, 68, 041505.
63. Grossman, J. X.; Schwegler, E.; Draeger, E. W.; Gygi, F.; Galli, G. J. Chem. Phys. 2004, 120, 300.
64. VandeVondele, J.; Mohamed, F.; Krack, M.; Hutter, J.; Sprik, M.; Parrinello, M. J. Chem. Phys. 2005, 122, 14515.
65. Lee, H. S.; Tuckerman, M. J. Chem. Phys. 2006, 125, 154507.
66. Lee, H.-S.; Tuckerman, M. J. Chem. Phys., in press.
67. Sadhukhan, S.; Munoz, D.; Adamo, C.; Scuseria, G. Chem. Phys. Lett. 1999, 306, 83.
68. Asthagiri, D.; Pratt, L. R.; Kress, J. D. Proc. Natl. Acad. Sci. 2005, 102, 6704.
69. Amir, W.; Gallot, G.; Hache, F.; Bratos, S.; Leicknam, J.-C.; Vuilleumier, R. J. Chem. Phys. 2007, 126, 034511.
70. Śmiechowski, M.; Stangret, J. J. Chem. Phys. 2006, 125, 204508.
71. König, P. H.; Ghosh, N.; Hoffmann, M.; Elstner, M.; Tajkhorshid, E.; Frauenheim, T.; Cui, Q. J. Phys. Chem. A 2006, 110, 548.
72. Lee, Y. S.; Krauss, M. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 2225.
73. Sattelmeyer, K. W.; Tirado-Rives, J.; Jorgensen, W. L. J. Phys. Chem. A 2006, 110, 13551.
74. Riccardi, D.; Konig, P.; Prat-Resina, X.; Haibo, Y.; Elstner, M.; Frauenheim, T.; Cui, Q. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 16302.
75. Pomes, R.; Roux, B. Biophys. J. 2002, 82, 2304.
76. Chakrabarti, N.; Roux, B.; Pomes, R. J. Mol. Biol. 2004, 343, 493.
77. Stillinger, F. H.; David, C. W. J. Chem. Phys. 1978, 69, 1473.
78. Zahn, D.; Brickman, J. Isr. J. Chem. 1999, 39, 469.
79. Walbran, S.; Kornyshev, A. A. J. Chem. Phys. 2001, 114, 10039.
80. Kornyshev, A. A.; Kuznetsov, A. M.; Spohr, E.; Ulstrup, J. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 3351.
81. Lill, M. A.; Helms, V. J. Chem. Phys. 2001, 115, 7993.
82. Olsson, M. H. M.; Warshel, A. Proc. Natl. Acad. Sci. 2006, 103, 6500.
83. Agmon, N. Chem. Phys. Lett. 1995, 244, 456.
84. Omta, A.; Kropman, M.; Woutersen, S.; Bakker, H. Science 2003, 301, 347.
85. Ohmine, J.; Saito, S. Acc. Chem. Res. 1999, 32, 741.
86. Ando, K.; Hynes, J. T. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 10464.
87. Ando, K.; Hynes, J. T. J. Phys. Chem. A 1999, 103, 10398.
88. Park, J. M.; Laio, A.; Iannuzzi, M.; Parrinello, M. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 11318.
89. Ivanov, I.; Chen, B.; Raugei, S.; Klein, M. L. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 6365.
90. Ivanov, L; Klein, M. L. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 13380.
91. Geissler, P. L.; Dellago, C.; Chandler, D.; Hutter, J.; Parrinello, M. Science 2001, 291, 2121.
92. Wagner, C. Z. Phys. Chem. NF 1924, 25, 474.
93. Onsager, L.; Samaras, N. N. T. J. Chem. Phys. 1934, 2, 528.
94. Hu, J. H.; Shi, Q.; Davidovits, P.; Worsnop, D. R.; Zahniser, M. S.; Kolb, C. E. J. Phys. Chem. 1995, 99, 8768.
95. Dang, L. X. J. Chem. Phys. 1999, 110, 1526.
96. Knipping, E. M.; Lakin, M. J.; Foster, K. L.; Jungwirth, P. Science 2000, 288, 301.
97. Jungwirth, P.; Tobias, D. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 10468.
98. Jungwirth, P.; Tobias, D. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 6361.
99. Garrett, B. C. Science 2004, 303, 1146.
100. Raymond, E. A.; Tarbuck, T. L.; Brown, M. G.; Richmond, G. L. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 546.
101. Raymond, E. A.; Richmond. G. L. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 5051.
102. Petersen, P. B.; Saykally, R. J. Chem. Phys. Lett. 2004, 397, 51.
103. Liu, Z.; Carbery, J. M.; Agre, P.; Rosen, B. P. Biochem. Biophys. Res. Comm. 2004, 316, 1178.
104. Eigen, M. Angew. Chem. Int. Ed. 1964, 3, 1.
105. Zundel, G. The Hydrogen Bond - Recent Developments in Theory and Experiments. II Structure and Spectroscopy; North-Holland: Amsterdam, 1976.
106. Mucha, A.; Frigato, T.; Levering, L. M.; Allen, H. C.; Tobias, D. J.; Dang, L. X.; Jungwirth, P. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 7617.
107. Petersen, P. B.; Saykally, R. J. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 7976.
108. Petersen, P. B.; Saykally, R. J. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 14060.
109. Petersen, P. B.; Saykally, R. J. Annu. Rev. Phys. Chem. 2006, 57, 333.
110. Baldelli, S.; Schnitzer, C.; Shultz, M. J. Chem. Phys. Lett. 1999, 302, 157.
111. Baldelli, S.; Schnitzer, C.; Shultz, M. J.; Campbell, D. J. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 10435.
112. Baldelli, S.; Schnitzer, C.; Shultz, M. J.; Campbell, D. J. Chem. Phys. Lett. 1998, 287, 143.
113. Gopalakrishnan, S.; Liu, D.; Allen, H. C.; Kuo, M.; Shultz, M. J. Chem. Rev. 2006, 106, 1155.
114. Tarbuck, T. L.; Ota, S. T.; Richmond, G. L. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 14519.
115. Radüge, C.; Pflumio, V.; Shen, Y. R. Chem. Phys. Lett. 1997, 274, 140.
116. Schnitzer, C.; Baldelli, S.; Shultz, M. J. Chem. Phys. Lett. 1999, 313, 416.
117. Schnitzer, C.; Baldelli, S.; Shultz, M. J. J. Phys. Chem. B 2000, 104, 585.
118. Pegram, L. M.; Record, T. M. Proc. Natl. Acad. Sci. 2006, 102, 1278.
119. Matsumoto, M.; Kataoka. Y. J. Chem. Phys. 1989, 90, 2398.
120. Superfine, R.; Huang, J. Y.; Shen, Y. R. Phys. Rev. Lett. 1991, 66, 1066.
121. Matsumoto, M.; Takaoka, Y.; Kataoka, Y. J. Chem. Phys. 1993, 98, 1464.
122. Miranda, P. B.; Shen, Y. R. J. Phys. Chem. B 1999, 103, 3292.
123. Raina, G.; Kulkarni, G. U.; Rao, C. N. R. J. Phys. Chem. A 2001, 105, 10204.
124. Dellago, C.; Naor, M. M.; Hummer, G. Phys. Rev. Lett. 2003, 90, 105902.
125. Dellago, C.; Hummer, G. Phys. Rev. Lett. 2006, 97, 245901.
126. Denker, B. M.; Smith, B. L.; Kuhajda, F. P.; Agre, P. J. Biol. Chem. 1988, 263, 15634.
127. Fu, D.; Libson, A.; Miercke, L. J. W.; Weitzman, C.; Mollert, P.; Krucinski, J.; Stroud, R. M. Science 2000, 290, 481.
128. de Groot, B. L.; Frigato, T.; Helms, V.; Grubmueller, H. J. Mol. Biol. 2003, 333, 279.
129. Chakrabarti, N.; Tajkhorshid, E.; Roux, B.; Pomes, R. Structure 2004, 12, 65.
130. Burykin, A.; Warshel, A. Biophys. J. 2003, 85, 3696.
131. Burykin, A.; Warshel, A. FEBS Lett. 2004, 570, 41.
132. Beitz, E.; Wu, B.; Holm, L. M.; Schultz, J. E.; Zeuthen, T. Proc. Natl. Acad. Sci. 2006, 103, 269.
133. Pinto, L. H.; Dieckmann, G. R.; Gandhi, C. S.; Papworth, C. G.; Braman, J.; Shaughnessy, M. A.; Lear, J. D.; Lamb, R. A.; DeGrado, W. F. Proc. Natl. Acad. Sci. 1997, 94, 11301.
134. Martin, K.; Helenius, A. Cell 1991, 67, 117.
135. Helenius, A. Cell 1992, 69, 577.
136. Wang, C.; Takeuchi, K.; Pinto, L. H.; Lamb, R. A. J. Virol. 1993, 67, 5585.
137. Pinto, L. H.; Holsinger, L. J.; Lamb, R. A. Cell 1992, 69, 517.
138. Shimbo, K.; Brassard, D. L.; Lamb, R. A.; Pinto, L. H. Biophys. J. 1996, 70, 1335.
139. Hu, J.; Fu, R.; Nishimura, K.; Zhang, L.; Zhou, H.; Busath, D.; Vijayvergiya, V.; Cross, T. A. Proc. Natl. Acad. Sci. 2006, 103, 6865.
140. Chen, H.; Wu, Y.; Voth, G. A. Biophys. J. 2007, in press.
141. Sansom, M. S. P.; Kerr, I. D.; Smith, G. R.; Son, H. S. Virology 1997, 233, 163.
142. Maren, T. H. Physiol. Rev. 1967, 47, 595.
143. Tashian, R. E. BioEssays 1989, 10, 186.
144. Liljas, A.; Kannan, K. K.; Bergsten, P. C.; Waara, I. Nature 1972, 235, 131.
145. Lindskog, S.; Coleman, J. E. Proc. Natl. Acad. Sci. 1973, 70, 2505.
146. Lindskog, S. Carbonic Anhydrase Wiley: New York, 1983; p 77.
147. Silverman, D. N.; Vincent, S. H. CRC Crit. Rev. Biochem. 1983, 14, 207.
148. Kannan, K. K.; Ramanadham, M.; Jones, T. A. Ann. N. Y. Acad. Sci. 1984, 429, 49.
149. Fersht, A. Enzyme Structure and Mechanism; W. H. Freeman; New York, 1985.
150. Eriksson, A. E.; Jones, A. T.; Liljas, A. Proteins: Struct. Funct. and Gen. 1988, 4, 274.
151. Silverman, D. N.; Lindskog, S. Acc. Chem. Res. 1988, 21, 30.
152. Christianson, D. W.; Fierke, C. A. Adv. Protein Chem. 1991, 42, 281.
153. Lindskog, S.; Behravean, G.; Engstrant, C.; Forsman, C.; Jonsson, B.; Liang, Z.; Ren, X.; Xue, Y. In Carbonic Anhydrase: From Biochemistry and Genetics to Physiology and Clinical Medicine; VCH: Weinheim, 1991; p 1.
154. Nair, S. K.; Christianson, D. W. J. Am. Chem. Soc. 1991, 117, 9455.
155. Håkansson, K.; Carlsson, M.; Svensson, L. A.; Liljas, A. J. Mol. Biol. 1992, 227, 1192.
156. Lesburg, C. A.; Christianson, D. W. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 6838.
157. Toba, S.; Colombo, G.; Merz, K. M. J. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 2290.
158. Duda, D.; Tu, C.; Qian, M.; Laipis, P.; Agbandje-McKenna, M.; Silverman, D. N.; McKenna, R. Biochemistry 2001, 40, 1741.
159. Duda, D.; Govindasamy, L.; Agbandje-McKenna, M.; Tu, C.; Silverman, D. N.; McKenna, R. Acta Crystallogr., Sect. D: Biol. Crystallogr. 2003, 59, 93.
160. Åqvist, J.; Warshel, A. J. Mol. Biol. 1992, 224, 7.
161. Åqvist, J.; Fothergill, M.; Warshel, A. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 631.
162. Åqvist, J.; Warshel, A. Chem. Rev. 1993, 93, 2523.
163. Lu, D.; Voth, G. A. Prot. Struct. Funct. Genet. 1998, 33, 119.
164. Lu, D.; Voth, G. A. J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 4006.
165. Cui, Q.; Karplus, K. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 1071.
166. Schutz, C. N.; Warshel, A. J. Phys. Chem. B. 2004, 108, 2066.
167. Schaefer, P.; Riccardi, D.; Cui, Q. J. Chem. Phys. 2005, 123, 014905.
168. Riccardi, D.; Schaefer, P.; Yang, Y.; Yu, H.; Gnosh, N.; Prat-Resina, X.; Konig, P.; Li, G.; Xu, D.; Guo, H.; Elstner, M.; Cui, Q. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 6458.
169. Braun-Sand. S.; Strajbl, M.; Warshel, A. Biophys. J. 2004, 87, 2221.
170. Hwang, J. K.; Warshel, A. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 11745.
171. Wikström, M. Biochim. Biophys. Acta 2004, 1655, 241.
172. Siegbahn, P. E. M.; Blomberg, M. R. A.; Blomberg, M. L. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 10946.
173. Zheng, X. H.; Medvedev, D. M.; Swanson, J.; Stuchebrukhov, A. A. Biochim. Biophys. Acta-Bioeng. 2003, 1557, 99.
174. Cukier, R. I. J. Chem. Phys. 2004, 305, 197.
175. Olsson, M. H. M.; Sharma, P. K.; Warshel, A. FEBS Lett. 2005, 579, 2026.
176. Popovic, D. M.; Quenneville, J.; Stuchebrukhov, A. A. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 3616.
177. Olsson, M. H. M.; Warshel, A. Proc. Natl. Acad. Sci. 2006, 103, 6500.
178. Hofacker, I.; Schulten, K. Protein Struct. Funct. Bioinf. 1998, 30, 100.
179. Wikström, M.; Verkhovsky, M. I.; Hummer, O. Biochim. Biophys. Acta 2003, 1604, 61.
180. Xu, J.; Sharpe, M. A.; Qin, L.; Ferguson-Miller, S.; Voth, G. A. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 2910.
181. Qin, L.; Hiser, C.; Mulichak, A.; Garavito, M. R.; Ferguson-Miller, S. Proc. Natl. Acad. Sci. 2006, 103, 16117.
182. Wu, Y.; Tepper, H. L.; Voth, G. A. J. Chem. Phys. 2006, 124, 024503.
183. Kim, B.; Young, T.; Harder, E.; Friesner, R. A.; Berne, B. J. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 16529.
184. Brancato, G.; Tuckerman, M. E. J. Chem. Phys. 2005, 122, 224507.
185. Pavese, M.; Chawla, S.; Lu, D.; Lobaugh, J.; Voth, G. A. J. Chem. Phys. 1997, 107, 7428.