Coherent multidimensional vibrational spectroscopy of biomolecules: Concepts, simulations, and challenges

Angewandte Chemie - International Edition

Volumn 48, Issue 21, 2009, Pages 3750-3781

  Zhuang, Wei ^a   Hayashi, Tomoyuki ^a   Mukamel, Shaul ^a  

^a UNIVERSITY OF CALIFORNIA   (United States)

Author keywords

Chirality; Moleculardynamics; Proteins; Spectroscopic methods; Vibrational spectroscopy

Indexed keywords

AB INITIO; AMYLOID FIBRIL; ANHARMONIC VIBRATIONS; BASIC PRINCIPLES; CLASSICAL MOLECULAR DYNAMICS; COMPLEX MOLECULES; CUMULANT EXPANSION; ELECTROSTATIC ENVIRONMENTS; EXCHANGE PROCESS; FEMTOSECONDS; GAUSSIAN FLUCTUATIONS; HYDROGEN-BONDING FLUCTUATIONS; INFRARED PULSE; LIQUID WATER; MEMBRANE LIPIDS; MULTIDIMENSIONAL NMR; NONLINEAR OPTICAL RESPONSE; PARAMETERIZED; PERTURBATIVE APPROACH; QUASI PARTICLES; SIMULATION METHODS; SPECTROSCOPIC METHODS; STOCHASTIC LIOUVILLE EQUATION;

AMIDES; CHIRALITY; CHROMOPHORES; ENANTIOMERS; HYDROGEN; HYDROGEN BONDS; LIPIDS; MOLECULAR DYNAMICS; NONLINEAR OPTICS; NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SPECTROSCOPY; NUMERICAL METHODS; PROTEIN FOLDING; STEREOCHEMISTRY; SYSTEMS ENGINEERING; VIBRATION ANALYSIS; VIBRATIONAL SPECTROSCOPY;

INFRARED SPECTROSCOPY;

AMYLOID; PEPTIDE; PHOSPHOLIPID;

CHEMISTRY; COMPUTER SIMULATION; HUMAN; INFRARED SPECTROPHOTOMETRY; PROCEDURES; VIBRATION;

AMYLOID; COMPUTER SIMULATION; HUMANS; PEPTIDES; PHOSPHOLIPIDS; SPECTROPHOTOMETRY, INFRARED; VIBRATION;

EID: 70349783538     PISSN: 14337851     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/anie.200802644     Document Type: Review

References (297)

1. L. Stryer, Biochemistry, 2nd ed, Freeman, New York, 1995.
2. G. Rhodes, Crystallography Made Crystal Clear: A Guide for Users of Macromolecular Models, 3rd ed., Academic Press, Burlington, 2006.
3. D. J. Segel, A. Bachmann, J. Hofrichter, K. O. Hodgson, S. Doniach, T. Kiefhaber, J. Mol. Biol. 1999, 288, 489.
4. S. Arai, M. Hirai, Biophys. J. 1999, 76, 2192-2197.
5. L. Pollack, M. W. Tate, N. C. Darnton, J. B. Knight, S. M. Gruner, W. A. Eaton, R. H. Austin, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1999, 96, 10115-10117.
6. T. Uzawa, T. Kimura, K. Ishimori, I. Morishima, T. Matsui, M. Ikeda-Saito, S. Takahashi, S. Akiyama, T. Fujisawa, J. Mol. Biol. 2006, 357,997-1008.
7. M. Pfuhl, P. C. Driscoll, Philos. Trans. R. Soc. London Ser. A 2000, 358, 513 -545.
8. K. Wüthrich, NMR of Proteins and Nucleic Acids, Wiley, New York, 1995.
9. B. Gruenewald, C. U. Nicola, A. Lustig, G. Schwarz, H. Klump, Biophys. Chem. 1979, 9, 137-147.
10. R. R. Ernst, G. Bodenhausen, A. Wokaun, Principles of Nuclear Magnetic Resonance in One and Two Dimensions, Clarendon, Oxford, 1987.
11. C. Rose-Petruck, R. Jimenez, T. Guo, A. Cavalleri, C. W. Siders, F. Raksi, J. A. Squier, B. C. Walker, K. R. Wilson, C. P. J. Barty, Nature 1999, 398, 310-312.
12. M. Chergui, A. H. Zewail, ChemPhysChem, 2009, 10, 28-43.
13. A. H. Zewail, Physical Biology, From Atoms to Medicine, Imperial College Press, London, 2008.
14. W. A. Eaton, V. Munoz, S. J. Hagen, G. S. Jas, L. J. Lapidus, E. R. Henry, J. Hofrichter, Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 2000, 29, 327-359.
15. Applications ofVibrational Spectroscopy in Life, Pharmaceutical and Natural Sciences (Eds.: J. M. Chalmers, P. R. Griffiths), Wiley, New York, 2002.
16. M. Hein, A. A. Wegener, M. Engelhard, F. Siebert, Biophys. J. 2003, 84, 1208-1217.
17. R. Brudler, R. Rammelsberg, T. T. Woo, E. D. Getzor, K. Gerwert, Nat. Struct. Biol. 2001, 8, 265 -270.
18. M. Aki, T. Ogura, K. Shinzawa-Itoh, S. Yoshikawa, T. Kitagawa, J. Phys. Chem. B 2000,104, 10765-10774.
19. S. A. Asher, A. Ianoul, G. Mix, M. N. Boyden, A. Karnoup, M. Diem, R. Schweitzer-Stenner, J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 11775-11781.
20. E. W. Blanch, L. A. Morozova-Roche, D. A. E. Cochran, A. J. Doig, L. Hecht, L. D. Barron, J. Mol. Biol. 2000, 301, 553-563.
21. M. H. Cho, Chem. Rev. 2008,108, 1331-1418.
22. J. Bredenbeck, J. Helbing, C. Kolano, P. Hamm, ChemPhys-Chem 2007, 8, 1747-1756.
23. C. Scheurer, S. Mukamel, J. Chem. Phys. 2001, 115, 4989.
24. C. Scheurer, S. Mukamel, J. Chem. Phys. 2002,116, 6803-6816.
25. C. Scheurer, S. Mukamel, Bull. Chem. Soc. Jpn. 2002, 75, 989-999.
26. K. W. Kwak, S. Park, M. D. Fayer, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2007, 104, 14221-14226.
27. R. Venkatramani, S. Mukamel, J. Chem. Phys. 2002, 117, 11089-11101.
28. Chem. Phys. 2007,341(1-3) (specialissue: "Ultrafast Dynamics of Molecules in the Condensed Phase").
29. W. Zhao, J. C. Wright, J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 10994-10998.
30. E. I. Shakhnovich, Curr. Opin. Struct. Biol. 1997, 7, 29-40.
31. M. Karplus, J. A. McCammon, Nat. Struct. Biol. 2002, 9, 646-652.
32. J. A. McCammon, S. C. Harvey, Dynamics of Proteins and Nucleic Acids, Cambridge University Press, Cambridge, 1987.
33. X. Daura, K. Gademann, H. Schafer, B. Jaun, D. Seebach, W. F. van Gunsteren, J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 2393 -2404.
34. J. N. Onuchic, Z. Luthey-Schulten, P. G. Wolynes, Annu. Rev. Phys. Chem. 1997, 48, 545 -600.
35. J. D. Bryngelson, J. N. Onuchic, N. D. Socci, P. G. Wolynes, Proteins Struct. Funct. Genet. 1995, 21, 167-195.
36. P. G. Wolynes, J. N. Onuchic, D. Thirumalai, Science 1995, 267, 1619-1620.
37. S. Gnanakaran, H. Nymeyer, J. Portman, K. Y. Sanbonmatsu, A. E. Garcia, Curr. Opin. Struct. Biol. 2003,13, 168-174.
38. Y. Duan, P. Kollman, Science 1998, 282, 740.
39. J. Wang, J. Onuchic, P. Wolynes, Phys. Rev. Lett. 1996, 76, 4861 - 4864.
40. C. D. Snow, B. Zagrovic, V. S. Pande, J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 14548-14549.
41. P. L. Freddolino, F. Liu, M. Gruebele, K. Schulten, Biophys. J. 2008, 94, L75-L77.
42. Y. Zhu, D. O. V. Alonso, K. Maki, C. Y. Huang, S. J. Lahr, V. Daggett, H. Roder, W. F. DeGrado, F. Gai, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2003,100, 15486-15491.
43. J. Kubelka, W. A. Eaton, J. Hofrichter, J. Mol. Biol. 2003, 329, 625 -630.
44. C. D. Snow, N. Nguyen, V. S. Pande, M. Gruebele, Nature 2002, 420, 102-106.
45. D. Frenkel, B. Smit, Understanding Molecular Simulation: From Algorithms to Applications, Academic Press, San Diego, 2002.
46. D. Mohanty, R. Elber, D. Thirumalai, D. Beglov, B. Roux, J. Mol. Biol. 1997, 272, 423-442.
47. C. Dellago, P. Bolhuis, F. Csajka, D. Chandler, J. Chem. Phys. 1998,108,1964-1977.
48. V. Chernyak, W. M. Zhang, S. Mukamel, J. Chem. Phys. 1998, 109, 9587-9601.
49. S. Mukamel, A. Piryatinski, V. Chernyak, J. Chem. Phys. 1999, 110,1711-1725.
50. A. Piryatinski, S. Tretiak, V. Chernyak, S. Mukamel, J. Raman Spectrosc. 2000, 31, 125-135.
51. A. Piryatinski, V. Chernyak, S. Mukamel in Ultrafast Infrared and Raman Spectroscopy (Ed.: M. Fayer), Marcel Dekker, New York, 2001, pp. 349-382.
52. A. Piryatinski, V. Chernyak, S. Mukamel, Chem. Phys. 2001, 266, 311 -322.
53. C. Scheurer, A. Piryatinski, S. Mukamel, J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 3114-3124.
54. A. Piryatinski, S. A. Asher, S. Mukamel, J. Phys. Chem. A 2002, 106, 3524-3530.
55. W. Zhuang, D. Abramavicius, T. Hayashi, S. Mukamel, J. Phys. Chem. B 2006, 108, 18034-18045.
56. J. P. Wang, J. X. Chen, R. M. Hochstrasser, J. Phys. Chem. B 2006,110, 7545-7555.
57. N. Demirdoven, C. M. Cheatum, H. S. Chung, M. Khalil, J. Knoester, A. Tokmakoff, J. Am. Chem. Soc. 2004,126, 7981 - 7990.
58. B. R. Brooks, R. E. Bruccoleri, B. D. Olafson, D. J. States, S. Swaminathan, M. Karplus, J. Comput. Chem. 1983, 4,187 - 217.
59. W. R. P. Scott, P. H. Hunenberger, I. G. Tironi, A. E. Mark, S. R. Billeter, J. Fennen, A. E. Torda, T. Huber, P. Kruger, W. F. van Gunsteren, J. Phys. Chem. A 1999,103, 3596-3607.
60. D. A. Pearlman, D. A. Case, J. W. Caldwell, W. S. Ross, T. E. Cheatham, S. Debolt, D. Ferguson, G. Seibel, P. Kollman, Comput. Phys. Commun. 1995, 91, 1 -41.
61. D. Abramavicius, S. Mukamel, J. Chem. Phys. 2005, 122, 134305.
62. S. Mukamel, D. Abramavicius, Chem. Rev. 2004, 104, 2073 - 2098.
63. S. Mukamel in Molecular Nonlinear Optics (Ed.: J. Zyss), Academic Press, New York, 1994, pp. 1 -46.
64. D. Abramavicius, B. Palmieri, V. Voronine, F. Sanda, S. Mukamel, Chem. Rev. 2008, in press.
65. S. Mukamel, Annu. Rev. Phys. Chem. 2000, 51, 691-729.
66. S. Mukamel, Principles of Nonlinear Optical Spectroscopy, Oxford University Press, New York, 1995.
67. S. M. George, A. L. Harris, M. Berg, C. B. Harris, J. Chem. Phys. 1984, 80, 83 -94.
68. L. Allen, J. H. Elberly, Optical Resonances and Two-Level Atoms, Wiley, New York, 1975.
69. A. Laubereau, W. Kaiser, Rev. Mod. Phys. 1978, 50, 607-665.
70. R. F. Loring, S. Mukamel, J. Chem. Phys. 1985, 83, 2116-2128.
71. L. J. Muller, D. Vandenbout, M. Berg, J. Chem. Phys. 1993, 99, 10-819.
72. D. Vandenbout, L. J. Muller, M. Berg, Phys. Rev. Lett. 1991, 67, 3700-3703.
73. M. Muller, K. Wynne, J. D. W. Vanvoorst, Chem. Phys. 1988, 25, 225 -230.
74. S. Mukamel, Phys. Rev. A 1983, 28, 3480-3492.
75. S. Mukamel, R. F. Loring, J. Opt. Soc. Am. B 1986, 3, 595-606.
76. L. E. Fried, S. Mukamel, Adv. Chem. Phys. 1993, 84, 435.
77. Y. Tanimura, S. Mukamel, J. Chem. Phys. 1993, 99, 9496-9511.
78. L. J. Kaufman, J. Heo, L. D. Ziegler, G. R. Fleming, Phys. Rev.Lett. 2002, 88, 207402.
79. K. Kubarych, C. J. Milne, R. J. D. Miller, Chem. Phys. Lett.2003, 369, 635 -642.
80. S. Saito, I. Ohmine, J. Chem. Phys. 1998, 108, 250-251.
81. A. Ma, R. M. Stratt, J. Chem. Phys. 2002, 116, 4972-4984.
82. K. Okumura, A. Tokmakoff, Y. Tanimura, J. Chem. Phys. 1999, 111, 492.
83. S. Mukamel, A. Piryatinski, V. Chernyak, Acc. Chem. Res. 1999, 32, 145-154.
84. Ultrafast Phenomena XIII (Eds.: R. D. Miller, M. M. Muri- name, N. F. Scherer, A. M. Weiner), Springer, Heidelberg, 2002.
85. T. L. C. Jansen, K. Duppen, J. G. Snijders, Phys. Rev. B 2003,67, 134206.
86. S. Saito, I. Ohmine, J. Chem. Phys. 2003,119, 9073-9087.
87. C. J. Milne, Y. Li, R. J. D. Miller in Time-Resolved Spectroscopy in Complex Liquids (Ed. : R. Torre), Springer, New York, 2007, p. 1.
88. S. Palese, J. T. Buontempo, L. Schilling, W. T. Lotshaw, Y. Tanimura, S. Mukamel, R. J. D. Miller, J. Phys. Chem. 1994, 98, 12466-12470.
89. Y. L. Li, L. Huang, R. J. D. Miller, T. Hasegawa, Y. Tanimura, J. Chem. Phys. 2008, 128, 234507.
90. W. M. Zhang, V. Chernyak, S. Mukamel, J. Chem. Phys. 1999, 110, 5011.
91. M. C. Asplund, M. T. Zanni, R. M. Hochstrasser, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2000, 97, 8219-8224.
92. C. Kolano, J. Helbing, M. Kozinski, W. Sander, P. Hamm, Nature 2006, 444, 469 -472.
93. P. Mukherjee, I. Kass, I. Arkin, M. T. Zanni, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2006, 103, 3528-3533.
94. T. Brixner, J. Stenger, H. M. Vaswani, M. Cho, R. E. Blanken-ship, G. R. Fleming, Nature 2005, 434, 625 -628.
95. J. D. Hybl, Y. Christophe, D. M. Jonas, Chem. Phys. 2001, 266, 295 -309.
96. X. Q. Li, T. H. Zhang, C. N. Borca, S. T. Cundiff, Phys. Rev. Lett. 2006, 96, 57406.
97. T. H. Zhang, I. Kuznetsova, T. Meier, X. C. Li, R. P. Mirin, P. Thomas, S. T. Cundiff, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2007, 104, 14227-14232.
98. P. Hamm, M. H. Lim, R. M. Hochstrasser, J. Phys. Chem. B 1998,102, 6123-6138.
99. P. Hamm, M. Lim, W. F. DeGrado, R. M. Hochstrasser, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1999, 96, 2036 -2041.
100. S. Woutersen, P. Hamm, J. Phys. Chem. B 2000, 104, 11316-11320.
101. M. T. Zanni, M. C. Asplund, R. M. Hochstrasser, J. Chem. Phys. 2001, 114, 4579-4590.
102. C. Fang, J. Wang, Y. S. Kim, A. K. Charnley, W. Barber-Armstrong, A. B. Smith, S. M. Decatur, R. M. Hochstrasser, J. Phys. Chem. B 2004, 108, 10415 -10427.
103. H. Maekawa, C. Toniolo, A. Moretto, Q. B. Broxterman, N. H. Ge, J. Phys. Chem. B 2006, 110, 5834 -5837.
104. A. T. Krummel, P. Mukherjee, M. T. Zanni, J. Phys. Chem. B 2003,107, 9165-9169.
105. O. F. A. Larsen, P. Bodis, W. J. Buma, J. S. Hannam, D. A. Leigh, S. Woutersen, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2005, 102, 13378-13382.
106. Z. Ganim, H. S. Chung, A. W. Smith, L. P. Deflores, K. C. Jones, A. Tokmakoff, Acc. Chem. Res. 2008, 41, 432-441.
107. V. Volkov, R. Chelli, W. Zhuang, F. Nuti, Y. Takaoka, A. M. Papini, S. Mukamel, R. Righini, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2007,104, 15323-15327.
108. J. Bredenbeck, A. Ghosh, M. Smits, M. Bonn, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 2152-2153.
109. S. H. Shim, D. B. Strasfeld, Y. L. Ling, M. T. Zanni, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2007, 104, 14197-14202.
110. C. Paul, J. P. Wang, W. C. Wimley, R. M. Hochstrasser, P. H. Axelsen, J. Am. Chem. Soc. 2004,126, 5843 - 5850.
111. Y. S. Kim, L. Liu, P. H. Axelsen, R. M. Hochstrasser, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2008, 105, 7720-7725.
112. J. Bredenbeck, J. Helbing, R. Behrendt, C. Renner, L. Moroder, J. Wachtveitl, P. Hamm, J. Phys. Chem. B 2003, 107, 8654-8660.
113. H. S. Chung, Z. Ganim, K. C. Jones, A. Tokmakoff, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2007, 104, 14237-14242.
114. J. Bredenbeck, J. Helbing, J. R. Kumita, G. A. Woolley, P. Hamm, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2005, 102, 2379-2384.
115. M. Broquier, C. Crepin, H. Dubost, J. P. Galaup, Chem. Phys. 2007, 341, 207-217.
116. J. N. Bandaria, S. Dutta, S. E. Hill, A. Kohen, C. M. Cheatum, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 22-23.
117. J. F. Cahoon, K. R. Sawyer, J. P. Schlegel, C. B. Harris, Science 2008, 319, 1820-1823.
118. J. C. Deak, S. T. Rhea, L. K. Iwaki, D. D. Dlott, J. Phys. Chem. A 2000, 104, 4866 -4875.
119. D. D. Dlott, Chem. Phys. 2001, 266, 149-166.
120. C. J. Fecko, J. D. Eaves, J. J. Loparo, A. Tokmakoff, P. L. Geissler, Science 2003, 301, 1698-1702.
121. J. D. Eaves, J. J. Loparo, C. J. Fecko, S. T. Roberts, A. Tokmak-off, P. L. Geissler, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2005, 102, 13019-13022.
122. J. B. Asbury, T. Steinel, C. Stromberg, S. A. Corcelli, C. P. Lawrence, J. L. Skinner, M. D. Fayer, J. Phys. Chem. A 2004, 108, 1107-1119.
123. D. Kraemer, M. L. Cowan, A. Paarmann, N. Huse, E. T. J. Nibbering, T. Elsaesser, R. J. D. Miller, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2008, 105, 437-442.
124. P. Hamm, M. Lim, R. M. Hochstrasser, Phys. Rev. Lett. 1998, 81, 5326-5329.
125. M. Kozinski, S. Garrett-Roe, P. Hamm, Chem. Phys. 2007, 341, 5-10.
126. C. H. Kuo, R. M. Hochstrasser, Chem. Phys. 2007, 341, 21 -28.
127. J. J. Sines, S. A. Allison, J. A. McCammon, Biochemistry 1990, 29, 9403 -9412.
128. D. K. Jones-Hertzog, W. L. Jorgensen, J. Med. Chem. 1997, 40, 1539-1549.
129. B. E. Cohen, T. B. McAnaney, E. S. Park, Y. N. Jan, S. G. Boxer, L. Y. Jan, Science 2002, 296, 1700-1703.
130. C. Fang, J. D. Bauman, K. Das, A. Remorino, E. Arnold, R. M. Hochstrasser, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2008, 105, 1472-1477.
131. I. T. Suydam, S. G. Boxer, Biochemistry 2003, 42, 12050-12055.
132. A. Piryatinski, V. Chernyak, S. Mukamel, Chem. Phys. 2001, 266, 285 -294.
133. D. V. Kurochkin, S. R. G. Naraharisetty, I. V. Rubtsov, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2007, 104, 14209-14214.
134. Q. Shi, E. Geva, J. Phys. Chem. A 2003, 107, 9059-9069.
135. Y. S. Kim, R. M. Hochstrasser, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2005, 102, 11185-11190.
136. J. R. Zheng, K. Kwak, J. Asbury, X. Chen, I. R. Piletic, M. D. Fayer, Science 2005, 309, 1338-1343.
137. J. Bredenbeck, J. Helbing, K. Nienhaus, G. U. Nienhaus, P. Hamm, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2007, 104, 14243-14248.
138. O. Golonzka, M. Khalil, N. Demirdoven, A. Tokmakoff, J. Chem. Phys. 2001, 115, 10814-10828.
139. T. Miyazawa, T. Shimanouchi, S. I. Mizushima, J. Chem. Phys. 1958,29, 611-616.
140. M. Tsuboi, T. Onishi, I. Nakagawa, T. Shimanouchi, S. Mizushima, Spectrochim. Acta 1958, 12, 253 -261.
141. S. Krimm, J. Bandekar, Adv. Protein Chem. 1986, 38,181-364.
142. T. Hayashi, W. Zhuang, S. Mukamel, J. Phys. Chem. A 2005, 109, 9747-9759.
143. J. T. Pelton, L. R. McLean, Anal. Biochem. 2000, 277, 167-176.
144. Infrared Spectroscopy of Biomolecules (Eds.: H. H. Mantsch, D. Chapman), Wiley-Liss, New York, 1996.
145. T. Wang, Y. J. Zhu, Z. Getahun, D. G. Du, C. Y. Huang, W. F. DeGrado, F. Gai, J. Phys. Chem. B 2004, 108, 15301 -15310.
146. H. Torii, M. Tasumi, J. Raman Spectrosc. 1998, 29, 81 -86.
147. See Ref. [142].
148. T. Hayashi, S. Mukamel, J. Phys. Chem. B 2007, 111, 11032-1046.
149. see Ref. [141]
150. H. Torii, M. Tasumi, J. Chem. Phys. 1992, 96, 3379-3387.
151. R. D. Gorbunov, D. S. Kosov, G. Stock, J. Chem. Phys. 2005, 122, 224904.
152. P. Hamm, S. Woutersen, Bull. Chem. Soc. Jpn. 2002, 75, 985 - 988.
153. T. L. Jansen, A. G. Dijkstra, T. M. Watson, J. D. Hirst, J. Knoester, J. Chem. Phys. 2006, 125, 044312.
154. J. R. Cheeseman, M. J. Frisch, F. J. Devlin, P. J. Stephens, Chem. Phys. Lett. 1996, 252, 211 -220.
155. T. Hayashi, H. Hamaguchi, Chem. Phys. Lett. 2000, 326, 115 - 122.
156. K. A. Merchant, W. G. Noid, R. Akiyama, I. J. Finkelstein, A. Goun, B. L. McClain, R. F. Loring, M. D. Fayer, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 13804-13818.
157. J. R. Hill, A. Tokmakoff, K. A. Peterson, B. Sauter, D. Zimdars, D. D. Dlott, M. D. Fayer, J. Phys. Chem. 1994,98,11213 -11219.
158. S. Ham, J. H. Kim, H. Lee, M. H. Cho, J. Chem. Phys. 2003, 118, 3491 -3498.
159. K. Kwac, M. H. Cho, J. Chem. Phys. 2003, 119, 2247-2255.
160. J. R. Schmidt, S. A. Corcelli, J. L. Skinner, J. Chem. Phys. 2004, 121, 8887-8896.
161. T. M. Watson, J. D. Hirst, Mol. Phys. 2005, 103, 1531 -1546.
162. T. Hayashi, S. Mukamel, J. Chem. Phys. 2006, 125, 194510.
163. T. L. Jansen, J. Knoester, J. Chem. Phys. 2006, 124, 044502.
164. W. Zhuang, D. Abramavicius, T. Hayashi, S. Mukamel, J. Phys. Chem. B 2006,110, 3362-3374.
165. B. R. Brooks, R. E. Bruccoleri, B. D. Olafson, D. J. States, S. Swaminathan, M. Karplus, J. Comput. Chem. 1983, 4,187-217.
166. Gaussian 03 (Revision c.01), Technical report, M. J. Frisch et al., 2003.
167. J. Kubelka, T. A. Keiderling, J. Phys. Chem. A 2001, 105, 10922-10928.
168. See Ref. [166].
169. T. Hayashi, S. Mukamel, J. Phys. Chem. A 2003, 107, 9113 - 9131.
170. T. Hayashi, S. Mukamel, Bull. Korean Chem. Soc. 2003, 24, 1097-1101.
171. L. C. Mayne, B. Hudson, J. Phys. Chem. 1991, 95, 2962-2967.
172. H. Guo, M. Karplus, J. Phys. Chem. 1992, 96, 7273 -7287.
173. S. Ham, J. H. Kim, H. Lee, M. H. Cho, J. Chem. Phys. 2003, 118, 3491 -3498.
174. D. Thouless, Phys. Rep. 1974, 13, 94-142.
175. M. L. Cowan, B. D. Bruner, N. Huse, J. R. Dwyer, B. Chugh, E. T. J. Nibbering, T. Elsaesser, R. J. D. Miller, Nature 2005, 434, 199-202.
176. I. V. Schweigert, S. Mukamel, Phys. Rev. A 2008, 77, 033802.
177. R. A. Marcus, Adv. Chem. Phys. 2007, 106, 1-6.
178. C. Fang, J. Wang, Y. S. Kim, A. K. Charnley, W. Barber-Armstrong, A. B. Smith, S. M. Decatur, R. M. Hochstrasser, J. Phys. Chem. B 2004, 108, 10415 -10427.
179. M. Kobus, R. D. Gorbunov, P. H. Nguyen, G. Stock, Chem. Phys. 2008, 347, 208 -217.
180. R. Kubo, J. Math. Phys. 1963, 4, 174.
181. R. Kubo in Advances in Chemical Physics, Vol. XV: Stochastic Processes in Chemical Physics (Ed. : K. Schuler), Wiley, New York, 1969, p. 101.
182. Y. Tanimura, J. Phys. Soc. Jpn. 2006, 75, 082001.
183. D. Gamliel, H. Levanon, Stochastic Processes in Magnetic Resonance, World Scientific, River Edge, 1995.
184. J. H. Freed, G. V. Bruno, C. F. Polnaszek, J. Phys. Chem. 1971, 75, 3385.
185. D. J. Schneider, J. H. Freed in Advances in Chemical Physics, Vol. LXXIII: Lasers, Molecules, and Methods (Eds.: J. O. Hirschfelder, R. E. Wyatt, R. D. Coalson), Wiley, New York, 1989, p. 387.
186. R. A. MacPhail, R. G. Snyder, H. L. Strauss, J. Chem. Phys. 1982, 77, 1118-1137.
187. J. J. Turner, C. M. Gordon, S. M. Howdle, J. Phys. Chem. 1995, 99, 17532-17538.
188. F. Sanda, S. Mukamel, J. Chem. Phys. 2006, 125, 014507.
189. S. Woutersen, P. Hamm, J. Chem. Phys. 2001, 114, 6833 -6840.
190. R. Schweitzer-Stenner, Biophys. J. 2002, 83, 523 -532.
191. R. Schweitzer-Stenner, F. Eker, Q. Huang, K. Griebenow, J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 9628-9633.
192. S. Woutersen, R. Pfister, P. Hamm, Y. Mu, D. S. Kosov, G. Stock, J. Chem. Phys. 2002, 117, 6833 -6840.
193. K. Kwac, M. H. Cho, J. Chem. Phys. 2003, 119, 2256-2263.
194. T. L. Jansen, W. Zhuang, S. Mukamel, J. Chem. Phys. 2004, 121, 10577-10598.
195. Y. Mu, D. S. Kosov, G. Stock, J. Phys. Chem. B 2003, 107, 5064-5073.
196. M. Fayer, personal communication.
197. D. Eisenberg, W. Kauzmann, The Structure and Properties of Water, Oxford University Press, New York, 1969.
198. The Hydrogen Bond: Recent Developments in Theory and Experiments, Vol. 1-3 (Eds.: P. Schuster, G. Zundel, C. San-dorfy), North-Holland, Amsterdam, 1976.
199. P. Wernet, D. Nordlund, U. Bergmann, M. Cavalleri, M. Odelius, H. Ogasawara, L. A. Naslund, T. K. Hirsch, L. Ojamae, P. Glatzel, L. G. M. Pettersson, A. Nilsson, Science 2004, 304, 995 -999.
200. A. H. Romero, P. L. Silvestrelli, M. Parrinello, J. Chem. Phys. 2001, 115, 115 -123.
201. E. D. Isaacs, A. Shukla, P. M. Platzman, D. R. Hamann, B. Barbiellini, C. A. Tulk, Phys. Rev. Lett. 1999, 82, 600-603.
202. M. Bernasconi, P. L. Silvestrelli, M. Parrinello, Phys. Rev. Lett. 1998, 81, 1235-1238.
203. A. Luzar, D. Chandler, Nature 1996, 379, 55 - 57.
204. S. Woutersen, H. J. Bakker, Nature 1999, 402, 507-509.
205. J. H. Guo, Y. Luo, A. Augustsson, J. E. Rubensson, C. Sathe, H. Agren, H. Siegbahn, J. Nordgren, Phys. Rev. Lett. 2002, 89, 137402.
206. Ultrafast Hydrogen Bonding Dynamics and Proton Transfer Processes in the Condensed Phase (Eds.: T. Elsaesser, H. J. Bakker), Kluwer, Dordrecht, 2002.
207. R. Laenen, C. Rauscher, A. Laubereau, Phys. Rev. Lett. 1998, 80, 2622 -2625.
208. J. Stenger, D. Madsen, P. Hamm, E. T. J. Nibbering, T. Elsaesser, Phys. Rev. Lett. 2001, 87, 027401.
209. R. Rey, K. B. M0ller, J. T. Hynes, Chem. Rev. 2004,104, 1915-1928.
210. C. P. Lawrence, J. L. Skinner, J. Chem. Phys. 2002, 117, 5827-5838.
211. M. Falk, T. A. Ford, Can. J. Phys. 1966, 44, 1699-1714.
212. See Ref. [211]
213. S. Yeremenko, M. S. Pshenichnikov, D. A. Wiersma, Chem. Phys. Lett. 2003, 369, 107-113.
214. W. S. Benedicht, N. Gailar, E. K. Plyler, J. Chem. Phys. 1956, 24, 1139-1165.
215. S. Woutersen, H. J. Bakker, Phys. Rev. Lett. 1999, 83, 2077-2080.
216. H. Graener, G. Seifert, A. Laubereau, Phys. Rev. Lett. 1991, 66, 2092 -2095.
217. R. Laenen, K. Simeonidis, A. Laubereau, J. Phys. Chem. B 2002, 106, 408 -417.
218. S. Bratos, J.-Cl. Leicknam, J. Chem. Phys. 1994, 101, 4536-4546.
219. A. J. Lock, S. Woutersen, H. J. Bakker, J. Phys. Chem. A 2001, 105, 1238-1243.
220. J. Stenger, D. Madsen, P. Hamm, E. T. J. Nibbering, T. Elsaesser, J. Phys. Chem. A 2002, 106, 2341 -2350.
221. J. Stenger, D. Madsen, J. Dreyer, P. Hamm, E. T. J. Nibbering, T. Elsaesser, Chem. Phys. Lett. 2002, 354, 256-263.
222. A. Piryatinski, C. P. Lawrence, J. L. Skinner, J. Chem. Phys. 2003,118, 9672 - 9679.
223. T. Steinel, J. B. Asbury, S. A. Corcelli, C. P. Lawrence, J. L. Skinner, M. D. Fayer, Chem. Phys. Lett. 2004, 386, 295 -300.
224. F. Ding, M. T. Zanni, Chem. Phys. 2007, 341, 95 -105.
225. S. Garrett-Roe, P. Hamm, J. Chem. Phys. 2008, 128, 104507.
226. T. Hayashi, T. L. Jansen, W. Zhuang, S. Mukamel, J. Phys. Chem. A 2005, 109, 64-82.
227. T. L. Jansen, T. Hayashi, W. Zhuang, S. Mukamel, J. Chem. Phys. 2005, 123, 114505.
228. C. P. Lawrence, J. L. Skinner, J. Chem. Phys. 2003, 118, 264-272.
229. F. Csajka, D. Chandler, J. Chem. Phys. 1998, 109, 1125 -1133.
230. R. Laenen, C. Rauscher, A. Laubereau, J. Phys. Chem. B 1998, 102, 9304-9311.
231. I. R. Piletic, D. E. Moilanen, D. B. Spry, N. E. Levinger, M. D. Fayer, J. Phys. Chem. A 2006, 110, 4985 -4999.
232. V. V. Volkov, D. J. Palmer, R. Righini, Phys. Rev. Lett. 2007, 99, 078302.
233. D. Cringus, A. Bakulin, J. Lindner, P. Vohringer, M. S. Pshenichnikov, D. A. Wiersma, J. Phys. Chem. B 2007, 111, 14193 -14207.
234. Y. R. Shen, The Principles of Nonlinear Optics, Wiley, New York, 1984.
235. Y. R. Shen, Nature 1989, 337, 519-525.
236. X. Chen, T. Yang, S. Kataoka, P. S. Cremer, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 12272-12279.
237. M. Sovago, R. K. Campen, G. W. H. Wurpel, M. Müller, H. J. Bakker, M. Bonn, Phys. Rev. Lett. 2008, 100, 173901.
238. A. Paarmann, T. Hayashi, S. Mukamel, R. J. D. Mirrer, J. Chem. Phys. 2008, 128, 191103.
239. J. Park, J. H. Ha, R. M. Hochstrasser, J. Chem. Phys. 2004, 121, 7281 -7292.
240. J. H. Ha, Y. S. Kim, R. M. Hochstrasser, J. Chem. Phys. 2006, 124, 064508.
241. M. Lima, V. Volkov, P. Foggi, R. Chelli, R. Righini, Biophysics 2005, 45, S85.
242. A. M. Dokter, S. Woutersen, H. J. Bakker, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2006,103, 15355-15358.
243. H. S. Tan, I. R. Piletic, M. D. Fayer, J. Chem. Phys. 2005, 122, 174501.
244. H. S. Tan, I. R. Piletic, R. E. Riter, N. E. Levinger, M. D. Fayer, Phys. Rev. Lett. 2005, 94, 057405.
245. I. R. Piletic, H. S. Tan, M. D. Fayer, J. Phys. Chem. B 2005, 109, 21273 -21284.
246. A. M. Dokter, S. Woutersen, H. J. Bakker, Phys. Rev. Lett. 2005, 94, 178301.
247. V. V. Volkov, D. J. Palmer, R. Righini, J. Phys. Chem. B 2007, 111, 1377-1383.
248. A. Ghosh, M. Smits, J. Bredenbeck, M. Bonn, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 9608-9609.
249. G. Otting, E. Liepinsh, K. Wuthrich, Science 1991, 254, 974-980.
250. S. K. Pal, A. H. Zewail, Chem. Rev. 2004, 104, 2099-2123.
251. S. Habuchi, H. B. Kim, N. Kitamura, Anal. Chem. 2001, 73, 366 -372.
252. G. Sposito, N. T. Skipper, R. Sutton, S. H. Park, A. K. Soper, J. A. Greathouse, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1999, 96, 3358-3364.
253. B. Albert, A. Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, P. Walter, Molecular Biology ofthe Cell, Garland, New York, 2000.
254. K. Simons, E. Ikonen, Nature 1997, 387, 569-572.
255. R. Mendelsohn, Biochim. Biophys. Acta Biomembr. 1972, 290, 15-21.
256. M. R. Bunow, I. W. Levin, Biochim. Biophys. Acta Lipids Lipid Metab. 1977, 489, 191 -206.
257. S. F. Bush, H. Levin, I. W. Levin, Chem. Phys. Lipids 1980, 27, 101 -111.
258. E. Bicknell-Brown, K. G. Brown, W. B. Person, J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 5486-5491.
259. E. Mushayakarara, I. W. Levin, J. Phys. Chem. 1982, 86, 2324-2327.
260. W. Hubner, H. H. Mantsch, Biophys. J. 1991, 59, 1261.
261. R. N. Lewis, R. N. McElhaney, W. Pohle, H. H. Mantsch, Biophys. J. 1994, 67, 2367-2375.
262. P. B. Hitchcock, R. Mason, K. M. Thomas, G. G. Shipley, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1974, 71, 3036-3040.
263. R. H. Pearson, I. Pascher, Nature 1979, 281, 499-501.
264. H. Hauser, I. Pascher, R. H. Pearson, S. Sundell, Biochim. Biophys. Acta Rev. Biomembr. 1981, 650, 21 -51.
265. E. Mushayakarara, N. Albon, I. W. Levin, Biochim. Biophys. Acta Biomembr. 1982, 686, 153 -159.
266. A. Blume, W. Hubner, G. Messner, Biochemistry 1988, 27, 8239-8249.
267. R. N. Lewis, R. N. McElhaney, Biophys. J. 1992, 61, 63 -77.
268. V. Volkov, F. Nuti, Y. Takaoka, R. Chelli, A. M. Papini, R. Righini, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 9466-9470.
269. P. F. Tian, D. Keusters, Y. Suzaki, W. S. Warren, Science 2003, 300, 1553 -1555.
270. X. M. Yuan, A. K. Downing, V. Knott, P. A. Handford, EMBO J. 1997, 16, 6659-6666.
271. R. W. W. N. Berova, R. W. Woody, K. Nakanishi, Circular Dichroism. Principles and Applications, 2. Aufl. , Wiley, New York, 2000.
272. L. A. Nafle, Annu. Rev. Phys. Chem. 1997, 48, 357-386.
273. L. D. Barron, Molecular Light Scattering and Optical Activity, 2. Aufl. , Cambridge University Press, Cambridge, 2004.
274. K. K. Lee, C. Joo, S. Yang, H. Han, M. Cho, J. Chem. Phys. 2007, 126, 054505.
275. J. H. Choi, M. Cho, J. Phys. Chem. A 2007, 111, 5176-5184.
276. L. D. Barron, L. Hecht, E. W. Blanch, A. F. Bell, Prog. Biophys. Mol. Biol. 2000, 73, 1 -49.
277. R. D. Singh, T. A. Keiderling, Biopolymers 1981, 20, 237-240.
278. B. B. Lal, L. A. Nafle, Biopolymers 1982, 21, 2161 -2183.
279. A. C. Sen, T. A. Keiderling, Biopolymers 1984, 23, 1519-1532.
280. S. C. Yasui, T. A. Keiderling, J. Am. Chem. Soc. 1986, 108, 5576-5581.
281. S. C. Yasui, T. A. Keiderling, Biopolymers 1986, 25, 5 -15.
282. S. C. Yasui, T. A. Keiderling, G. M. Bonora, C. Toniolo, Biopolymers 1986, 25, 79-89.
283. D. G. Du, Y. J. Zhu, C. Y. Huang, F. Gai, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2004, 101, 15915 -15920.
284. K. Schulten, personal communication.
285. R. Tycko, Curr. Opin. Chem. Biol. 2000, 4, 500-506.
286. M. A. Findeis, Biochim. Biophys. Acta Mol. Basis Dis. 2000, 1502, 76-84.
287. J. Kang, H. G. Lemaire, A. Unterbeck, J. M. Salbaum, C. L. Masters, K. H. Grzeschik, G. Multhaup, K. Beyreuther, B. Muller-Hill, Nature 1987, 325, 733 -736.
288. D. Burdick, B. Soreghan, M. Kwon, J. Kosmoski, M. Knauer, A. Henschen, J. Yates, C. Cotman, C. Glabe, J. Biol. Chem. 1992, 267, 546 -554.
289. M. Knauer, B. Soreghan, D. Burdick, J. Kosmoski, C. Glabe, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1992, 89, 7437-7441.
290. T. Luhrs, C. Ritter, M. Adrian, D. Riek-Loher, B. Bohrmann, H. Doeli, D. Schubert, R. Riek, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2005, 102, 17342-17347.
291. D. Voronine, D. Abramavicius, S. Mukamel, J. Chem. Phys. 2008, 94, 3613 -3619.
292. Theory, Modelling and Evaluation of Single Molecule Measurements (Eds. : E. Barkai, M. Orrit, F. Brown H. Yang), World Scientific, Singapore, 2008.
293. P. Hamm, S. M. Ohline, W. Zinth, J. Chem. Phys. 1997, 106, 519-529.
294. P. L. Geissler, C. Dellago, D. Chandler, J. Hutter, M. Parrinello, Science 2001, 291, 2121 -2124.
295. H. Maekawa, W. Zhuang, C. Toniolo, S. Mukamel, D. J. Tobias, N.-H. Ge, J. Phys. Chem B (in press).
296. 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, 26, 1781 -1802.
297. This is not the case in NMR spectroscopy (see Table 1) in which the signal is generated in all directions.