Key role of electrostatic interactions in bacteriorhodopsin proton transfer

Journal of the American Chemical Society

Volumn 126, Issue 44, 2004, Pages 14668-14677

  Bondar, Ana Nicoleta ^a,b   Fischer, Stefan ^a   Smith, Jeremy C ^a   Elstner, Marcus ^b,c   Suhai, Sándor ^b  

^a UNIVERSITY OF HEIDELBERG   (Germany)

^b GERMAN CANCER RESEARCH CENTER DKFZ   (Germany)

^c UNIVERSITY OF PADERBORN   (Germany)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

ABSORPTION; DECOMPOSITION; HYDROGEN BONDS; MOLECULAR DYNAMICS; PHOTONS; QUANTUM THEORY;

PHOTON TRANSPORT; PROTON TRANSPORT;

ELECTROSTATICS;

ASPARTIC ACID; BACTERIORHODOPSIN; SCHIFF BASE; WATER;

ARTICLE; CALCULATION; CHEMICAL BINDING; CHEMICAL INTERACTION; ELECTRICITY; ENERGY; HYDROGEN BOND; LIGHT ABSORPTION; PROTON TRANSPORT; QUANTUM MECHANICS; REACTION ANALYSIS; SURFACE CHARGE;

BACTERIORHODOPSINS; ELECTROSTATICS; MODELS, MOLECULAR; PROTEIN CONFORMATION; PROTONS; QUANTUM THEORY; RETINALDEHYDE; THERMODYNAMICS;

EID: 7744225102     PISSN: 00027863     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/ja047982i     Document Type: Article

References (86)

1. Subramaniam, S.; Lindahl, M.; Bullough, P.; Faruki, A. R.; Tittor, J.; Oesterhelt, D.; Brown, L.; Lanyi, J. K.; Henderson, R. J. Mol. Biol. 1999, 287, 145-161.
2. Lanyi, J. K. J. Phys. Chem. B. 2000, 104, 11441-11448.
3. Neutze, R.; Pebay-Peyroula, E.; Edman, K.; Royant, A.; Navarro, J.; Landau, E. M. Biochim. Biophys. Acta 2002, 1565, 144-167.
4. Ludman, K.; Gergely, C.; Váró, G. Biophys. J. 1998, 75, 3110-3119.
5. Balashov, S. P.; Ebrey, T. G. Photochem. Photobiol. 2001, 73, 453-462.
6. Edman, K.; Royant, A.; Larsson, G.; Jacobson, F.; Taylor, T.; van der Spoel, D.; Landau, E. M.; Pebay-Peyroula, E.; Neutze, R. J. Biol. Chem. 2004, 279, 2147-2158.
7. Schulten, K.; Tavan, P. Nature 1978, 272, 85-86.
8. Schobert, B.; Cupp-Vickery, J.; Hornak, V.; Smith, S. O.; Lanyi, J. K. J. Mol. Biol. 2002, 321, 715-726.
9. Lanyi, J. K.; Schobert, B. J. Mol. Biol. 2003, 328, 439-450.
10. Luecke, H. Biochim. Biophys. Acta 2000, 1460, 133-156.
11. Subramaniam, S.; Henderson, R. Nature 2000, 406, 653-657.
12. Kaliski, O.; Ottolenghi, M.; Honig, B.; Korenstein, R. Biochemistry 1981, 20, 649-655.
13. Warshel, A. Photochem. Photobiol. 1979, 30, 285-290.
14. Hildebrandt, P.; Stockburger, M. Biochemistry 1984, 23, 5539-5548.
15. Gat, Y.; Sheves, M. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 3772-3773.
16. Baasov, T.; Sheves, M. Biochemistry 1986, 25, 5249-5258.
17. Sampogha, R. V.; Honig, B. Biophys. J. 1994, 66, 1341-1352.
18. Scheiner, S.; Duan, X. Biophys. J. 1991, 60, 874-883.
19. Honig, B.; Warshel, A.; Karplus, M. Acc. Chem. Res. 1975, 8, 92-100.
20. Tavan, P.; Schulten, K.; Oesterhelt, D. Biophys. J. 1985, 47, 415-430.
21. Beppu, Y.; Kakitani, T.; Tokunaga, F. Photochem. Photbiol. 1992, 56, 1113-1117.
22. Tajkhorshid, E.; Paizs, B.; Suhai, S. J. Phys. Chem. B 1999, 103, 4518-4527.
23. Rajamani, R.; Gao, J. J. Comput. Chem. 2002, 23, 96-105.
24. Murata, K.; Fujii, Y.; Enomoto, N.; Hata, M.; Hoshino, T.; Tsuda, M. Biophys. J. 2000, 79, 982-991.
25. Baudry, J.; Tajkorshid, E.; Molnar, F.; Philip, J.; Schulten, K. J. Phys. Chem. B. 2001, 105, 905-918.
26. Roux, B.; Nina, M.; Pomès, R.; Smith, J. C. Biophys. J. 1996, 71, 670-681.
27. Schobert, B.; Brown, L. S.; Lanyi, J. K. 2003. J. Mol. Biol. 2003, 330, 553-570.
28. Song, Y.; Mao, J.; Gunner, M. R. Biochemistry 2003, 42, 9875-9888.
29. Balashov, S. P.; Imasheva, E. S.; Govindjee, R.; Ebrey, T. Biophys. J. 1996, 70, 473-481.
30. Nakajima, S.; Ohno, K.; Inoue, Y.; Sakurai, M. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 2867-2874.
31. Singh, U. C.; Kollman, P. J. Comput. Chem. 1986, 7, 718-730.
32. Field, M. J.; Bash, P. A.; Karplus, M. J. Comput. Chem. 1990, 11, 700-733.
33. Warshel, A. Computer Modeling of chemical reactions in enzymes and solutions. John Willey & Sons: New York, 1991.
34. Hayashi, S.; Ohmine, I. J. Phys. Chem. B 2000, 104, 10678-10691.
35. Hayashi, S.; Tajkhorshid, E.; Schulten, K. Biophys. J. 2002, 83, 1281-1297.
36. Hayashi, S.; Tajkhorshid, E.; Schulten, K. Biophys. J. 2003, 85, 1440-1449.
37. Lee, Y. S.; Krauss, M. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 2225-2230.
38. Hayashi, S.; Tajkhorshid, E.; Pebay-Pyroula, E.; Royant, A.; Landau, E. M.; Navarro, J.; Schulten, K. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 10124-10131.
39. Houjou, H.; Inou, Y.; Sakurai, M. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 867-879.
40. Ferre, N.; Olivucci, M. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 6868-6869.
41. Sakurai, M.; Sakata, K.; Saito, S.; Nakajima, S.; Inoue, Y. J. Am. Chem. Soc. 2003; 125: 3108-3112.
42. Warshel, A.; Chu, Z. T. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 9857-9871.
43. Edman, K.; Nollert, P.; Royant, A.; Belrhali, H.; Peyroula, E. P.; Hajdu, J.; Neutze, R.; Landau, E. M. Nature 1999, 401, 822-826.
44. Royant, A.; Edman, K.; Ursby, T.; Peyroula, E. P.; Landau, E. M.; Neutze, R. Nature 2000, 406, 645-648.
45. Matsui, Y.; Sakai, K.; Murakami, M.; Shiro, Y.; Adachi, S.; Okumura, H.; Kouyama, T. J. Mol. Biol. 2002, 324, 469-481.
46. Gerwert, K.; Siebert, F. EMBO J. 1986, 5, 805-811.
47. Fodor, S. P. A.; Ames, J. B.; Gebhard, R.; van der Berg, E. M. M.; Stoeckenius, W.; Lugtemburg, J.; Mathies, R. A. Biochemistry 1988, 27, 7097-7101.
48. Lanyi, J. K.; Luecke, H. Curr. Opin. Struct. Biol. 2001, 11, 415-419.
49. Hendrikson, F. M.; Burkard, F.; Glaeser, R. M. Biophys. J. 1998, 75, 1446-1454.
50. Bullough, P. A.; Henderson, R. J. Mol. Biol. 1999, 286, 1663-1671.
51. Brooks B. R.; Bruccoleri, R. E.; Olafson, B. D.; States, D. J.; Swaminathan, S.; Karplus, M. J. Comput. Chem. 1983, 4, 187-217.
52. Brünger, A. T.; Karplus, M. Proteins 1988, 4, 148-156.
53. Metz, G.; Siebert, F.; Engelhardt, M. FEBS Lett. 1992, 303, 237-241.
54. Brown, L. S.; Sasaki, J.; Kandori, H.; Maeda, A.; Needleman, R.; Lanyi, J. K. J. Biol. Chem. 1995, 270, 27122-27126.
55. Tanimoto, T.; Furutani, Y.; Kandori, H. Biochemistry 2003, 42, 2300-2306.
56. Reuter, N.; Dejaegere, A.; Maigret, B.; Karplus, M. J. Phys. Chem. A 2000, 104, 1720-1735.
57. MacKerell, A. D.; et al. J. Phys. Chem. B 1998, 702, 3586-3616.
58. Neria, E.; Fischer S.; Karplus, M. J. Chem. Phys. 1996, 105, 1902-1921.
59. Jorgensen, W.; Chandrasekhar, J.; Madura, J.; Impey, R.; Klein, M. J. Chem. Phys. 1983, 79, 926-935.
60. Elstner, M.; Porezag, D.; Jungnickel, G.; Elsner, J.; Haugk, M.; Frauenheim, Th.; Suhai, S.; Seifert, G. Phys. Rev. B. 1998, 58, 7260-7268.
61. Cui, Q.; Elstner, M.; Kaxiras, E.; Frauenheim, T.; Karplus, M. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 569-585.
62. Zhou, H.; Tajkhorshid, E.; Frauenheim, T.; Suhai, S.; Elstner, M. Chem. Phys. Lett. 2002, 277, 91-103.
63. http://www.dl.ac.uk/CFS.
64. Fischer, S.; Karplus, M. Chem. Phys. Lett. 1992, 194, 252-261.
65. Dutzler, R.; Schirmer, T.; Karplus, M.; Fischer, S. Structure 2002, 10, 1273-1284.
66. Li, G.; Cui, Q. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 3342-3357.
67. Choi, C.; Eiber, R. J. Chem. Phys. 1991, 94, 751-760.
68. Kandori, H.; Yamazaki, Y.; Shichida, Y.; Raap, J.; Lugtenburg, J.; Belenky, M.; Herzfeld, J. PNAS 2001, 98, 1571-1576.
69. Lansing, J. C.; Hohwy, M.; Jaroniec, C. P.; Creemers, A. F. L.; Lugtenburg, J.; Herzfeld, J.; Griffin, R. G. Biochemistry 2002, 41, 431-438.
70. Griffiths, J. M.; Bennet, A. E.; Engelhard, M.; Siebert, F.; Raap, J.; Lugtenburg, J.; Herzfeld, J.; Griffin, R. G. Biochemistry 2000, 39, 362-371.
71. Ames, J. B.; Fodor, S. P.; Gebhard, R.; Raap, J.; van der Berg, E. M. M.; Lugtenburg, J.; Matthies, A. Biochemistry 1989, 28, 3681-3687.
72. Heimle, M.; Patzelt, H.; Ockenfels, A.; Gärtner, W.; Oesterhelt, D.; Bechinger, B. Biochemistry 2000, 39, 10066-10071.
73. Patzelt, H.; Simon, B.; terLaak, A.; Kessler, B.; Kühne, R.; Scmieder, P.; Oesterhelt, D.; Oschkinat, H. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2002, 99, 9765-9770.
74. Sass, H. J.; Büldt, G.; Gessenich, R.; Hehn, D.; Neff, D.; Schlesinger, R.; Berendzen, J.; Ormos, P. Nature 2000, 406, 649-653.
75. Brown, L. S. Biochemistry (Moscow) 2001, 66, 1249-1255.
76. Sugihara, M.; Buss, V.; Entel, P.; Hafner, J. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 3673-3680.
77. Sheves, M.; Albeck, A.; Friedman, N.; Ottolenghi, M. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1986, 83, 3262-3266.
78. Orlandi, G.; Schulten, K. Chem. Phys. Lett. 1979, 64, 370-374.
79. Kouyama, T.; Nishikawa, T.; Tokuhisa, T.; Okumura, H. J. Mol. Biol. 2004, 335, 531-546.
80. Maeda, A.; Herzfeld, J.; Belenky, M.; Needleman, R.; Gennis, R. B.; Balashov, S. P.; Ebrey, T. G. Biochemistry 2003, 42, 14122-14129.
81. Villa, J.; Warshel, A. J. Phys. Chem. B. 2001, 105, 7887-7907.
82. Warshel, A. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1978, 75, 2558-2562.
83. Koutalos, Y.; Ebrey, T. G.; Gilson, H. R.; Honig, B. Biophys. J. 1992, 58, 493-501.
84. Kraulis, P. J. J. Appl. Crystallogr. 1991, 24, 946-950.
85. http://www.povray.org.
86. Bondar, A.-N.; Elstner, M.; Suhai, S.; Smith, J. C.; Fischer, S. Structure 2004, 72, 1281-1288.