Free energies for biological electron transfer from QM/MM calculation: Method, application and critical assessment

Physical Chemistry Chemical Physics

Volumn 10, Issue 37, 2008, Pages 5651-5667

  Blumberger, Jochen ^a  

^a UNIVERSITY OF CAMBRIDGE   (United Kingdom)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

EID: 52449088531     PISSN: 14639076     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1039/b807444e     Document Type: Article

References (129)

1. B. S. Brunschwig, C. Creutz, D. H. McCartney, T.-K. Sham, N. Sutin Faraday Discuss. Chem. Soc., 1982, 74, 113.
2. N. Sutin, in Theory of electron transfer reactions, ed. J. J. Zuckerman, VCH, New York, 1986, vol. 15, p. 16
3. C. C. Moser, J. M. Keske, K. Warncke, R. S. Farid, P. L. Dutton Nature, 1992, 355, 796.
4. H. B. Gray, J. R. Winkler Q. Rev. Biophys., 2003, 36, 341.
5. F. V. Cochran, S. P. Wu, W. Wang, V. Nanda, J. G. Saven, M. J. Therien, W. F. DeGrado J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 1346.
6. V. Nanda, M. M. Rosenblatt, A. Osyczka, H. Kono, Z. Getahun, P. L. Dutton, J. G. Saven, W. F. DeGrado J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 5804.
7. S. X. Ye, B. M. Discher, J. Strzalka, T. Xu, S. P. Wu, D. Noy, I. Kuzmenko, T. Gog, M. J. Therien, P. L. Dutton, J. K. Blasie Nano Lett., 2005, 5, 1658.
8. R. L. Koder, P. L. Dutton Dalton Trans., 2006, 3045.
9. A. K. Jones, B. R. Lichtenstein, A. Dutta, G. Gordon, P. L. Dutton J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 14844.
10. R. A. Marcus J. Chem. Phys., 1956, 24, 966.
11. R. A. Marcus J. Chem. Phys., 1965, 43, 679.
12. R. A. Marcus, N. Sutin Biochim. Biophys. Acta, 1985, 811, 265.
13. X. Song, R. A. Marcus J. Chem. Phys., 1993, 99, 7768.
14. J. J. Hopfield Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 1974, 71, 3640.
15. C. C. Moser, S. E. Chobot, C. C. Page, P. L. Dutton Biochim. Biophys. Acta, 2008, in press
16. H. M. McConnell J. Chem. Phys., 1961, 35, 508.
17. D. N. Beratan, J. N. Onuchic, J. J. Hopfield J. Chem. Phys., 1987, 86, 4488.
18. T. R. Prytkova, I. V. Kurnikov, D. N. Beratan Science, 2007, 315, 622.
19. C. C. Moser, C. C. Page, P. L. Dutton Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. B, 2006, 361, 1295.
20. A. Warshel J. Phys. Chem., 1982, 86, 2218.
21. T. Simonson Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 2002, 99, 6544.
22. F. Sterpone, M. Ceccarelli, M. Marchi J. Phys. Chem. B, 2003, 107, 11208.
23. J. Blumberger, M. L. Klein J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, 13854.
24. I. Muegge, P. X. Qi, A. J. Wand, Z. T. Chu, A. Warshel J. Phys. Chem. B, 1997, 101, 825.
25. M. H. M. Olsson, G. Hong, A. Warshel J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 5025.
26. L. W. Ungar, M. D. Newton, G. A. Voth J. Phys. Chem. B, 1999, 103, 7367.
27. M. Ceccarelli, M. Marchi J. Phys. Chem. B, 2003, 107, 5630.
28. G. Li, X. Zhang, Q. Cui J. Phys. Chem. B, 2003, 107, 8643.
29. M. Cascella, A. Magistrato, I. Tavernelli, P. Carloni, U. Röthlisberger Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 2006, 103, 19641.
30. M. Sulpizi, S. Raugei, J. VandeVondele, P. Carloni, M. Sprik J. Phys. Chem. B, 2007, 111, 3969.
31. J. P. McNamara, M. Sundararajan, I. H. Hillier, J. Ge, A. Campbell, C. Morgado J. Comput. Chem., 2006, 27, 1307.
32. K. A. Sharp Biophys. J., 1998, 73, 1241.
33. J. Mao, K. Hauser, M. R. Gunner Biochemistry, 2003, 42, 9829.
34. R. A. Kuharski, J. S. Bader, D. Chandler, M. Sprik, M. L. Klein, R. W. Impey J. Chem. Phys., 1988, 89, 3248.
35. J. S. Bader, R. A. Kuharski, D. Chandler J. Chem. Phys., 1990, 93, 230.
36. K. M. Rosso, J. R. Rustad J. Phys. Chem. A, 2000, 104, 6718.
37. K. Ando J. Chem. Phys., 2001, 114, 9470.
38. P. H.-L. Sit, M. Cococcioni, N. Marzari Phys. Rev. Lett., 2006, 97, 028303.
39. F. P. Rotzinger J. Chem. Soc., Dalton Trans., 2002, 719.
40. J. Blumberger, G. Lamoureux Mol. Phys., 2008, in press
41. H. J. C. Berendsen, J. P. Postma, W. F. van Gunsteren, and J. Hermans, in Intermolecular Forces, ed. B. Pullmann, Reidel, Dordrecht, 1981, p. 331
42. Y. Zhang, W. Yang J. Chem. Phys., 1998, 109, 2604.
43. I. Tavernelli J. Phys. Chem. A, 2007, 111, 13528.
44. J. VandeVondele, R. Lynden-Bell, E. J. Meijer, M. Sprik J. Phys. Chem. B, 2006, 110, 3614.
45. Q. Wu, T. Van Voorhis Phys. Rev. A: At., Mol., Opt. Phys., 2005, 72, 024502.
46. Q. Wu, T. Van Voorhis J. Phys. Chem. A, 2006, 110, 9212.
47. Q. Wu, T. Van Voorhis J. Chem. Theory Comput., 2006, 2, 765.
48. Q. Wu, T. Van Voorhis J. Chem. Phys., 2006, 125, 164105.
49. Q. Wu, T. Van Voorhis J. Chem. Phys., 2007, 127, 164119.
50. A. J. Cohen, P. Mori-Sanchez, W. Yang J. Chem. Phys., 2007, 126, 191109.
51. A. J. Cohen, P. Mori-Sanchez, W. Yang J. Chem. Phys., 2007, 127, 034101.
52. C. Rovira, K. Kunc, J. Hutter, P. Ballone, M. Parrinello J. Phys. Chem. A, 1997, 101, 8914.
53. C. Rovira, P. Carloni, M. Parrinello J. Phys. Chem. B, 1999, 103, 7031.
54. D. A. Scherlis, D. A. Estrin Int. J. Quantum Chem., 2002, 87, 158.
55. E. Sigfridsson, M. Olsson, U. Ryde J. Phys. Chem. B, 2001, 105, 5546.
56. M.-S. Liao, S. Scheiner Chem. Phys., 2002, 285, 195.
57. M.-S. Liao, S. Scheiner J. Chem. Phys., 2002, 117, 205.
58. M. P. Johansson, D. Sundholm, G. Gerfen, M. Wikstrom J. Am. Chem. Soc., 2002, 124, 11771.
59. M. P. Johansson, M. R. A. Blomberg, D. Sundholm, M. Wikstrom Biochim. Biophys. Acta, 2002, 1553, 183.
60. D. M. A. Smith, M. Dupuis, E. R. Vorpagel, T. P. Straatsma J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 2711.
61. X. Amashukeli, N. E. Gruhn, D. L. Lichtenberger, J. R. Winkler, H. B. Gray J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 15566.
62. D. M. A. Smith, K. M. Rosso, M. Dupuis, M. Valiev, T. P. Straatsma J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 2711.
63. S. Furlan, G. La Penna, L. Banci, C. Mealli J. Phys. Chem. B, 2007, 111, 1157.
64. J. J. Wendoloski, J. B. Matthew, P. C. Weber, F. R. Salemme Science, 1987, 238, 794.
65. C. Zheng, J. A. McCammon, P. G. Wolynes Chem. Phys., 1991, 158, 261.
66. C. F. Wong, C. Zheng, J. Shen, J. A. McCammon, P. G. Wolynes J. Phys. Chem. B, 1993, 97, 3100.
67. S. M. Andrew, K. A. Thomasson, S. H. Northrup J. Am. Chem. Soc., 1993, 115, 5516.
68. C. M. Soares, P. J. Martel, J. Mendes, M. A. Carrondo Biophys. J., 1998, 74, 1708.
69. S. Terrettaz, J. Cheng, C. J. Miller, R. D. Guiles J. Am. Chem. Soc., 1996, 118, 7857.
70. Y. Ren, W.-H. Wang, Y.-H. Wang, M. Case, W. Qian, Z.-X. McLendon, G. Huang Biochemistry, 2004, 43, 3527.
71. D. W. Dixon, X. Hong, S. E. Woehler, A. G. Mauk, B. P. Sishta J. Am. Chem. Soc., 1990, 112, 1082.
72. D. W. Dixon, X. Hong Adv. Chem. Ser., 1990, 226, 161.
73. D. Kuila, W. W. Baxter, M. J. Natan, B. M. Hoffman J. Phys. Chem. B, 1991, 95, 1.
74. D. Ma, Y. Wu, C. Qian, W. Tang, Y.-H. Wang, W.-H. Wang, J.-X. Lu, Y. Xie, Z.-X. Huang Inorg. Chem., 1999, 38, 5749.
75. A. N. Volkov, D. Ferrari, J. A. R. Worrall, A. M. J. J. Bonvin, M. Ubbink Protein Sci., 2005, 14, 799.
76. S. Deep, S.-C. Im, E. R. P. Zuiderweg, L. Waskell Biochemistry, 2005, 44, 10654.
77. A. Warshel, W. W. Parson Q. Rev. Biophys., 2001, 34, 563.
78. A. Hoff, J. Deisenhofer J. Phys. Rep., 1997, 287, 1.
79. W. W. Parson, in Protein electron transfer, ed. D. S. Bendall, Bios Scientific Publishers, Oxford, 1996, p. 125
80. G. R. Fleming, J.-L. Martin, J. Breton Nature, 1988, 333, 190.
81. W. W. Parson, A. Warshel J. Phys. Chem. B, 2004, 108, 10474.
82. H. Wang, S. Lin, J. P. Allen, J. C. Williams, S. Blankert, C. Laser, N. W. Woodbury Science, 2007, 316, 747.
83. M. Marchi, J. N. Gehlen, D. Chandler, M. D. Newton J. Am. Chem. Soc., 1993, 115, 4178.
84. H. Sumi, R. A. Marcus J. Chem. Phys., 1986, 84, 4272.
85. E. S. Medvedev, A. I. Kotelnikov, A. V. Barinov, B. L. Psikha, J. M. Ortega, D. M. Popovic, A. A. Stuchebrukhov J. Phys. Chem. B, 2008, 112, 3208.
86. S. Chaudhury, B. J. Cherayil J. Chem. Phys., 2007, 127, 145103.
87. V. A. Shuvalov, A. G. Yakovles Membr. Cell Biol., 1998, 12, 563.
88. R. A. Goldstein, L. Takiff, S. G. Boxer Biochim. Biophys. Acta, 1988, 934, 253.
89. W. W. Parson, Z. T. Chu, A. Warshel Biophys. J., 1998, 74, 182.
90. A. Warshel, Z. T. Chu, W. W. Parson Science, 1989, 246, 112.
91. W. W. Parson, A. Warshel Chem. Phys., 2004, 296, 201.
92. R. Borrelli, M. Di Donato, A. Peluso J. Chem. Theory Comput., 2007, 3, 673.
93. R. Zwanzig J. Chem. Phys., 1954, 22, 1420.
94. Y. Tateyama, J. Blumberger, M. Sprik, I. Tavernelli J. Chem. Phys., 2005, 122, 234505.
95. A. Laio, J. VandeVondele, U. Röthlisberger J. Chem. Phys., 2002, 116, 6941.
96. A. Laio, J. VandeVondele, U. Röthlisberger J. Phys. Chem. B, 2002, 106, 7300.
97. C. C. Moser, C. C. Page, X. Chen, P. L. Dutton JBIC, J. Biol. Inorg. Chem., 1997, 2, 393.
98. G. A. Mines, M. J. Bjerrum, M. G. Hill, D. R. Casimiro, J. R. Chang, I.-J. Winkler, H. B. Gray J. Am. Chem. Soc., 1996, 118, 1961.
99. A. J. Di Bilio, M. G. Hill, N. Bonander, B. G. Karlsson, R. M. Villahermosa, B. G. Malmström, J. R. Winkler, H. B. Gray J. Am. Chem. Soc., 1997, 119, 9921.
100. D. A. Case, T. A. Darden, T. E. Cheatham III, C. L. Simmerling, J. Wang, R. E. Duke, R. Luo, K. M. Merz, D. A. Pearlman, M. Crowley, R. C. Walker, W. Zhang, B. Wang, S. Hayik, A. Roitberg, G. Seabra, K. F. Wong, F. Paesani, X. Wu, S. Brozell, V. Tsui, H. Gohlke, L. Yang, C. Tan, J. Mongan, V. Hornak, G. Cui, P. Beroza, D. H. Mathews, C. Schafmeister, W. S. Ross, and P. A. Kollman, AMBER 9, University of California, San Francisco, 2006
101. J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof Phys. Rev. Lett., 1996, 77, 3865.
102. J. C. Phillips, R. Braun, W. Wang, J. Gumbart, E. Tajkhorshid, E. Villa, C. Chipot, R. D. Skeel, L. Kale, K. Schulten J. Comput. Chem., 2005, 1781, 26.
103. CPMD Version 3.10, The CPMD consortium, MPI für Festkörperforschung and the IBM Zurich Research Laboratory, Germany, 2005, see http://www.cpmd.org
104. M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B. Schlegel, G. E. Scuseria, M. A. Robb, J. R. Cheeseman, J. A. Montgomery, Jr., T. Vreven, K. N. Kudin, J. C. Burant, J. M. Millam, S. S. Iyengar, J. Tomasi, V. Barone, B. Mennucci, M. Cossi, G. Scalmani, N. Rega, G. A. Petersson, H. Nakatsuji, M. Hada, M. Ehara, K. Toyota, R. Fukuda, J. Hasegawa, M. Ishida, T. Nakajima, Y. Honda, O. Kitao, H. Nakai, M. Klene, X. Li, J. E. Knox, H. P. Hratchian, J. B. Cross, V. Bakken, C. Adamo, J. Jaramillo, R. Gomperts, R. E. Stratmann, O. Yazyev, A. J. Austin, R. Cammi, C. Pomelli, J. Ochterski, P. Y. Ayala, K. Morokuma, G. A. Voth, P. Salvador, J. J. Dannenberg, V. G. Zakrzewski, S. Dapprich, A. D. Daniels, M. C. Strain, O. Farkas, D. K. Malick, A. D. Rabuck, K. Raghavachari, J. B. Foresman, J. V. Ortiz, Q. Cui, A. G. Baboul, S. Clifford, J. Cioslowski, B. B. Stefanov, G. Liu, A. Liashenko, P. Piskorz, I. Komaromi, R. L. Martin, D. J. Fox, T. Keith, M. A. Al-Laham, C. Y. Peng, A. Nanayakkara, M. Challacombe, P. M. W. Gill, B. G. Johnson, W. Chen, M. W. Wong, C. Gonzalez, and J. A. Pople, GAUSSIAN 03 (Revision C.01), Gaussian, Inc., Wallingford, CT, 2004
105. J. Blumberger, L. Bernasconi, I. Tavernelli, R. Vuilleumier, M. Sprik J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 3928.
106. R. Ayala, M. Sprik J. Chem. Theory Comput., 2006, 2, 1403.
107. P. Jaque, A. V. Marenich, C. J. Cramer, D. G. Truhlar J. Phys. Chem. C, 2007, 111, 5783.
108. X. Zeng, H. Hu, X. Hu, A. J. Cohen, W. Yang J. Chem. Phys., 2008, 128, 124510.
109. G. King, A. Warshel J. Chem. Phys., 1990, 93, 8682.
110. T. J. Meade, H. B. Gray, J. R. Winkler J. Am. Chem. Soc., 1989, 111, 4353.
111. W. L. Jorgensen, J. Chandrasekhar, J. D. Madura, R. W. Impey, M. L. Klein J. Chem. Phys., 1983, 79, 926.
112. K. Izutsu, Electrochemistry in Nonaqueous Solutions, VCH, Weinheim, 2002
113. CRC Handbook of Chemistry and Physics, ed. D. R. Lide, CRC Press, 75 edn, 1995
114. V. Ball, J. Ramsden J. Biopolym., 1998, 46, 489.
115. S. W. Rick, S. J. Stuart, B. J. Berne J. Chem. Phys., 1994, 101, 6141.
116. J. S. Bader, C. M. Cortis, B. J. Berne J. Chem. Phys., 1997, 106, 2372.
117. A. Calhoun, G. A. Voth J. Phys. Chem. B, 1998, 102, 8563.
118. K. Ando J. Chem. Phys., 2001, 115, 5228.
119. P. Ren, J. W. Ponder J. Phys. Chem. B, 2003, 107, 5933.
120. J. W. Caldwell, P. A. Kollman J. Phys. Chem., 1995, 99, 6208.
121. G. Lamoureux, E. Harder, I. V. Vorobyov, B. Roux, A. D. MacKerell, Jr Chem. Phys. Lett., 2005, 418, 241.
122. M. Elstner Theor. Chem. Acc., 2006, 116, 316.
123. B. Ensing, S. O. Nielsen, P. B. Moore, M. L. Klein, M. Parrinello J. Chem. Theory Comput., 2007, 3, 1100.
124. A. D. Becke Phys. Rev. A: At., Mol., Opt. Phys., 1988, 38, 3098.
125. J. P. Perdew Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys., 1986, 33, 8822.
126. A. Becke J. Chem. Phys., 1993, 98, 5648.
127. N. Troullier, J. Martins Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys., 1991, 43, 1993.
128. Computer Simulation of Liquids, ed. M. P. Allen and D. J. Tildesley, Clarendon Press, Oxford, 2000
129. J. Blumberger, I. Tavernelli, M. L. Klein, M. Sprik J. Chem. Phys., 2006, 124, 64507.