An improved multistate empirical valence bond model for aqueous proton solvation and transport

Journal of Physical Chemistry B

Volumn 112, Issue 2, 2008, Pages 467-482

  Wu, Yujie ^a,b   Chen, Hanning ^a   Wang, Feng ^a,c   Paesani, Francesco ^a   Voth, Gregory A ^a  

^a UNIVERSITY OF UTAH   (United States)

^b SCHRÖDINGER INC   (United States)

^c Boston University   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

BINDING ENERGY; COMPUTER SIMULATION; MOLECULAR DYNAMICS; QUANTUM THEORY; SOLVATION;

OPTIMIZED GEOMETRIES; PROTON SOLVATION; QUANTUM SIMULATIONS;

PROTONS;

EID: 38749111812     PISSN: 15206106     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/jp076658h     Document Type: Article

References (90)

1. Mathews, C. K.; van Holde, K. E.; Ahern, K. G. Biochemistry, 3rd ed.; Benjamin Cummings: Redwood City, CA, 1999.
2. Decoursey, T. E. Physiol. Rev. 2003, 83, 475-579.
3. Boyer, P. D. Ann. Rev. Biochem. 1997, 66, 717-49.
4. Pinto, L. H.; Lamb, R. A. J. Biol. Chem. 2006, 281, 8997-9000.
5. Voth, G. A. Acc. Chem. Res. 2006, 39, 143-150.
6. Swanson, J. M. J.; Maupin, C. M.; Chen, H.; Petersen, M. K.; Xu, J.; Wu, Y.; Voth, G. A. J. Phys. Chem. B 2007, 111, 4300-4314.
7. Janoschek, R.; Weidemann, E. G.; Pfeiffer, H.; Zundel, G. J. Am. Chem. Soc. 1972, 94, 2387-2396.
8. Borgis, D.: Tarjus, G.; Azzouz, H. J. Chem. Phys. 1992, 97, 1390-1400.
9. Cukierman, S. Biochem. Biophys. Acta: Bioenerg. 2006, 1757, 876-885.
10. Robinson, R. A.; Stokes, R. H. Electrolyte Solutions; Butterworths: London, U.K., 1959.
11. Atkins, P. W. Physical Chemistry, 5th ed.; Freeman: New York, 1994.
12. von Grotthuss, C. J. T. Ann. Chim. 1806, LVIII, 54-73.
13. Agmon, N. Chem. Phys. Lett. 1995, 244, 456-462.
14. Conway, B. E.; Bockris, J. O. M.; Linton, H. J. Chem. Phys. 1956, 24, 834-850.
15. Lapid, H.; Agmon, N.; Petersen, M. K.; Voth, G. A. J. Chem. Phys. 2005, 122, 14506-14511.
16. Markovitch, O.; Agmon, N. J. Phys. Chem. A 2007, 111, 2253-2256.
17. Eigen, M. Angew. Chem., Int. Ed. 1964, 3, 1-72.
18. Zundel, G.; Fritsch, J. In The Chemical Physics of Solvation; Dogonadze, R. R., Kálmán, E. A. K. A., Ulstrup, J., Eds.; Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, 1986; Part B, Chapter 2.
19. Agmon, N. lsr. J. Chem. 1999, 39, 493-502.
20. Marx, D.; Tuckerman, M. E.; Hutter, J.; Parrinello, M. Nature 1999, 397, 601-604.
21. Botti, A.; Bruni, F.; Imberti, S.; Ricci, M. A.; Soper, A. K. J. Chem. Phys. 2004, 121, 7840-7848.
22. Schmitt, U. W.; Voth, G. A. J. Chem. Phys. 1999, 111, 9361-9381.
23. Day, T. J. F.; Soudackov, A. V.; Schmitt, U. W.; Voth, G. A. J. Chem. Phys. 2002, 117, 5839-5849.
24. Iyengar, S. S.; Petersen, M. K.; Day, T. J. F.; Teige, V. E.; Voth, G. A. J. Chem. Phys. 2005, 123, 84309.
25. James, T.; Wales, D.J. J Chem. Phys. 2005, 122, 134306-134311.
26. Day, T. J. F.; Schmitt, U. W.; Voth, G. A. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 12027-12028.
27. Kim, J.; Schmitt, U. W.; Gruetzmacher, J. A.; Voth, G. A. J. Chem. Phys. 2002, 116, 737-746.
28. Brewer, M. L.; Schmitt, U. W.; Voth, G. A. Biophys. J. 2001, 80, 1691-1702.
29. Dellago, C.; Naor, M. M.; Hummer, G. Phys. Rev. Lett. 2003, 90, 105902-105904.
30. Laria, D.; Marti, J.; Guardia, E. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 2125-2134.
31. Petersen, M. K.; Iyengar, S. S.; Day, T. J. F.; Voth, G. A. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 14804-14806.
32. Wu, Y.; Voth, G. A. FEBS Lett. 2003, 552, 23-27.
33. Wu, Y.; Voth, G. A. Biophys. J. 2003, 85, 864-875.
34. Smondyrev, A. M.; Voth, G. A. Biophys. J. 2002, 83, 1987-1996.
35. Wu, Y.; Ilan, B.; Voth, G. A. Biophys. J. 2007, 92, 61-69.
36. Chen, H.; Wu, Y.; Voth, G. A. Biophys. J. 2006, 90, L73-75.
37. Ilan, B.; Tajkhorshid, E.; Schulten. K.; Voth, G. A. Proteins 2004, 55, 223-228.
38. Chen, H.; Ilan, B.; Wu, Y.; Zhu, F.; Schulten, K.; Voth, G. A. Biophys. J. 2007, 92, 46-60.
39. Smondyrev, A. M.; Voth, G. A. Biophys. J. 2002, 82, 1460-1468.
40. Tepper, H. L.; Voth, G. A. Biophys. J. 2005, 88, 3095-3108.
41. Tepper, H. L.; Voth, G. A. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 21327-21337.
42. Xu, J.; Voth, G. A. Proc. Natl. Acad. Sci. 2005, 102, 6795-6800.
43. Xu, J.; Voth, G. A. Biochim. Biophys. Acta: Bioenerg. 2006, 1757, 852-859.
44. Xu, J.; Sharpe, M. A.; Qin, L.; Ferguson-Miller, S.; Voth, G. A. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 2910-2913.
45. Vuilleumier, R.; Borgis, D. J. Chem. Phys. 1999, 111, 4251-4266.
46. Vuilleumier, R.; Borgis, D. J. Phys. Chem. B 1998, 102, 4261-4264.
47. Schmitt, U. W.; Voth, G. A. J. Phys. Chem. B 1998, 102, 5547-5551.
48. Warshel, A.; Weiss, R. M. J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 6218-6226.
49. Åqvist, J.; Warshel, A. Chem. Rev. 1993, 93, 2523-2544.
50. Warshel, A. Computer Modeling of Chemical Reactions in Enzymes and Solutions; John Wiley & Sons: New York, 1991.
51. Coulson, C. A.; Danielsson, U. Ark. Fys. 1954, 8, 239-245.
52. Gallup, G. A. Valence Bond Methods: Theory and Applications; Cambridge University Press: Cambridge, U.K., 2002.
53. Vuilleumier, R.; Borgis, D. J. Mol. Struct. 1997, 436-437, 555-565.
54. Lobaugh, J.; Voth, G. A. J. Chem. Phys. 1996, 104, 2056-2069.
55. Wu, Y.; Tepper, H. L.; Voth, G. A. J. Chem. Phys. 2006, 124, 24503-24515.
56. Wang, F.; Voth, G. A. J. Chem. Phys. 2005, 122, 144105-144109.
57. Paesani, F.; Zhang, W.; Case, D. A.; Cheatham, T. E.; Voth, G. A. J. Chem. Phys. 2006, 125, 184507.
58. Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Montgomery, J. A.; Vreven, J.; Kudin, T.; Burant, K. N.; Millam, J. C.; Iyengar, J. M.; Tomasi, S. S.; Barone, J.; Mennucci, V.; Cossi, B.; Scalmani, M.; Rega, G.; Petersson, N.; Nakatsuji, G. A.; Hada, H.; Ehara, M.; Toyota, M.; Fukuda, K.; Hasegawa, R.; Ishida, J.; Nakajima, M.; Honda, T.; Kitao, Y.; Nakai, O.; Klene, H.; Li, M.; Knox, X.; Hratchian, J. E.; Cross, H. P.; Bakken, J. B.; Adamo, V.; Jaramillo, C.; Gomperts, J.; Stratmann, R.; Yazyev, R. E.; Austin, O.; Cammi, A. J.; Pomelli, R.; Ochterski. C.; Ayala, J. W.; Morokuma, P. Y.; Voth, K.; Salvador, G. A.; Dannenberg, P.; Zakrzewski, J. J.; Dapprich, V. G.; Daniels, S.; Strain, A. D.; Farkas, M. C.; Malick, O.; Rabuck, D. K.; Raghavachari, A. D.; Foresman, K.; Ortiz, J. B.; Cui, J. V.; Baboul, Q.; Clifford, A. G.; Cioslowski, S.; Stefanov, J.; Liu, B. B.; Liashenko, G.; Piskorz, A.; Komaromi, P.; Martin, I.; Fox, R. L.; Keith, D. J.; Al-Laham, T.; Peng, M. A.; Nanayakkara, C. Y.; Challacombe, A.; Gill, M.; Johnson, P. M. W.; Chen, B.; Wong, W.; Gonzalez, M. W.; Pople, J. A. Gaussian 03, revision, C.02; Gaussian, Inc.: Wallingford, CT, 2004.
59. Nosè, S. Mol. Phys. 1984, 52, 255-268.
60. Cao, J.; Voth, G. A. J. Chem. Phys. 1994, 100, 5093-5105.
61. Cao, J.; Voth, G. A. J. Chem. Phys. 1994, 100, 5106-5117.
62. Cao, J.; Voth, G. A. J. Chem. Phys. 1994, 101, 6157-6167.
63. Cao, J.; Voth, G. A. J. Chem. Phys. 1994, 101, 6168-6183.
64. Cao, J.; Voth, G. A. J. Chem. Phys. 1994, 101, 6184-6192.
65. Jang, S.; Voth, G. A. J. Chem. Phys. 1999, 111, 2357-2370.
66. Jang, S.; Voth, G. A. J. Chem. Phys. 1999, 111, 2371-2384.
67. Berne, B. J.; Thirumalai, D. Annu. Rev. Phys. Chem. 1986, 37, 401-424.
68. Martyna, G. J.; Klein, M. L.; Tuckerman, M. E. J. Chem. Phys. 1992, 97, 2635-2643.
69. Tuckerman, M. E.; Marx, D.; Klein, M. L.; Parrinello, M. Science 1997, 275, 817-820.
70. Hone, T. D.; Rossky, P. J.; Voth, G. A. J. Chem. Phys. 2006, 124, 154103.
71. Allen, M. P.; Tildesley, D. J. Computer Simulations of Liquids; Oxford Science: Oxford, 1987.
72. Smith, W.; Forester, T. R. J. Mol. Graph. 1996, 14, 136-141.
73. Smith, W.; Forester, T. R. DL_POLY, version 2.13; CCLRC Daresbury Laboratory: Daresbury, Warrington, England, 1999.
74. Eisenberg, D.; Kauzmann, W. The Structure and Properties of Water, Oxford University Press: Oxford, 1969.
75. Bell, R. P. The Proton in Chemistry; Cornell University Press: Ithaca, NY, 1973.
76. Tuckerman, M. E.; Marx, D.; Parrinello, M. Nature 2002, 417, 925-929.
77. Botti, A.; Bruni, F.; Ricci, M. A.; Soper, A. K. J. Chem. Phys. 2006, 125, 14508.
78. Svishchev, I. M.; Kusalik, P. G.; Wang, J.; Boyd, R. J. J. Chem. Phys. 1996, 105, 4742-4750.
79. Buch, V.; Milet, A.; Vácha, R.; Jungwirth, P.; Devlin, J. P. Proc. Natl. Acad. Sci. 2007, 104, 7342-7347.
80. Roberts, N. K.; Helen, L. N. J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1974, 70, 253-262.
81. Schmitt, U. W.; Voth, G. A. Chem. Phys. Lett. 2000, 329, 36-41.
82. Hone, T.; Voth, G. A. J. Chem. Phys. 2004, 121, 6412-6422.
83. Wallqvist, A.; Berne, B. J. J. Phys. Chem. 1993, 97, 13841-13851.
84. Brancato, G.; Tuckerman, M. E. J. Chem. Phys. 2005, 122, 224507-224511.
85. Figueirido, F.; Del Buono, G. S.; Levy, R. M. J. Chem. Phys. 1995, 103, 6133-6142.
86. Yeh, I.-C.; Hummer, G. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 15873-15879.
87. It may be helpful to clarify the meaning of the "last donor" through an example. For instance, consider a pivot hydronium-identity sequence: 1-2-3-2-3. The "last donor" for each step in this sequence is null, 1, 2, 1, 2, in the same order. Note that, when the proton hops back to 2 from 3, the last donor is 1 instead of 3, because 1 was the molecule from which the proton originally hopped to 2. Therefore, h(δt) for each step is 0, 1, 2, 1, 2, in that order.
88. Ojamäe, L.; Shavitt, I.; Singer, S. J. J. Chem. Phys. 1998, 109, 5547-5564.
89. Christie, R. A.; Jordan, K. D. J. Phys. Chem. A 2001, 105, 7551-7558.
90. Cornish, B. D.; Speedy, R. J. J. Phys. Chem. 1984, 88, 1888-1892.