Update of the CHARMM All-Atom Additive Force Field for Lipids: Validation on Six Lipid Types

Journal of Physical Chemistry B

Volumn 114, Issue 23, 2010, Pages 7830-7843

  Klauda, Jeffery B ^a   Venable, Richard M ^b   Freites, J Alfredo ^c   O'Connor, Joseph W ^a   Tobias, Douglas J ^c   Mondragon Ramirez, Carlos ^d   Vorobyov, Igor ^d   MacKerell Jr , Alexander D ^d   Pastor, Richard W ^b  

^a UNIVERSITY OF MARYLAND   (United States)

^b NATIONAL HEART LUNG AND BLOOD INSTITUTE   (United States)

^c UNIVERSITY OF CALIFORNIA   (United States)

^d UNIVERSITY OF MARYLAND   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

ATOMS; BIOLOGICAL MEMBRANES; DEUTERIUM; GELS; HYDRATION; MOLECULAR DYNAMICS; PHOSPHOLIPIDS; PROTEINS; QUANTUM THEORY; WATER SUPPLY; X RAY DIFFRACTION;

ALIPHATIC CARBON; ALIPHATIC CHAINS; AREA COMPRESSIBILITY; ATOMIC CHARGE; BI-LAYER; DENSITY PROFILE; DIMYRISTOYL; ETHANOLAMINES; EXPERIMENTAL DATA; FORCE FIELDS; FREQUENCY DEPENDENCE; GEL-TRANSITION TEMPERATURE; HEAD GROUPS; HETEROGENEOUS SYSTEMS; HIGH-LEVEL AB INITIO CALCULATIONS; LENNARD JONES; LIPID SYSTEMS; MEMBRANE PROTEINS; MOLECULAR DYNAMICS SIMULATIONS; NMR RELAXATION RATES; ORDER PARAMETER; PARAMETER OPTIMIZATION; PHOSPHATIDYLCHOLINE; PHOSPHATIDYLETHANOLAMINE; PHOSPHOLIPID BILAYER; QUANTUM MECHANICAL; SEMI-EMPIRICAL; SMALL MOLECULES; SURFACE AREA; THERMODYNAMIC DATA; WATER DISTRIBUTIONS; [CARBONYL;

LIPID BILAYERS;

EID: 77953377650     PISSN: 15206106     EISSN: 15205207     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/jp101759q     Document Type: Article

References (106)

1. Yin, D. X.; MacKerell, A. D., Jr. J. Comput. Chem. 1998, 19, 334
2. Feller, S. E.; MacKerell, A. D., Jr. J. Phys. Chem. B 2000, 104, 7510
3. Klauda, J. B.; Brooks, B. R.; MacKerell, A. D., Jr.; Venable, R. M.; Pastor, R. W. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 5300
4. Klauda, J. B.; Pastor, R. W.; Brooks, B. R. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 15684
5. MacKerell, A. D. J. Comput. Chem. 2004, 25, 1584
6. MacKerell, A. D., Jr.; Bashford, D.; Bellott, M.; Dunbrack, R. L.; Evanseck, J. D.; Field, M. J.; Fischer, S.; Gao, J.; Guo, H.; Ha, S.; Joseph-McCarthy, D.; Kuchnir, L.; Kuczera, K.; Lau, F. T. K.; Mattos, C.; Michnick, S.; Ngo, T.; Nguyen, D. T.; Prodhom, B.; Reiher, W. E.; Roux, B.; Schlenkrich, M.; Smith, J. C.; Stote, R.; Straub, J.; Watanabe, M.; Wiorkiewicz-Kuczera, J.; Yin, D.; Karplus, M. J. Phys. Chem. B 1998, 102, 3586
7. Foloppe, N.; Alexander, D.; MacKerell, J. J. Comput. Chem. 2000, 21, 86
8. Vorobyov, I.; Anisimov, V. M.; Green, S.; Venable, R. M.; Moser, A.; Pastor, R. W.; MacKerell, A. D. J. Chem. Theory Comput. 2007, 3, 1120
9. Guvench, O.; Greene, S. N.; Kamath, G.; Brady, J. W.; Venable, R. M.; Pastor, R. W.; Mackerell, A. D., Jr. J. Comput. Chem. 2008, 29, 2543
10. Guvench, O.; Hatcher, E.; Venable, R.; Pastor, R. W.; MacKerell, A. D., Jr. J. Chem. Theory and Comput. 2009, 5, 2353.
11. Hatcher, E.; Guvench, O.; MacKerell, A. D., Jr. J. Chem. Theory Comput. 2009, 5, 1315.
12. Hatcher, E.; Guvench, O.; MacKerell, A. D., Jr. J. Phys. Chem. B 2009, 113, 12466.
13. Vanommeslaeghe, K.; Hatcher, E.; Acharya, C.; Kundu, S.; Zhong, S.; Shim, J.; Darian, E.; Guvench, O.; Lopes, P.; Vorobyov, I.; MacKerell, A. D., Jr. J. Comput. Chem. 2009, 31, 671
14. Klauda, J. B.; Brooks, B. R. J. Chem. Theory Comput. 2008, 4, 107
15. Klauda, J. B.; Wu, X. W.; Pastor, R. W.; Brooks, B. R. J. Phys. Chem. B 2007, 111, 4393
16. Klauda, J. B.; Kučerka, N.; Brooks, B. R.; Pastor, R. W.; Nagle, J. F. Biophys. J. 2006, 90, 2796
17. Sonne, J.; Jensen, M. O.; Hansen, F. Y.; Hemmingsen, L.; Peters, G. H. Biophys. J. 2007, 92, 4157
18. Benz, R. W.; Castro-Roman, F.; Tobias, D. J.; White, S. H. Biophys. J. 2005, 88, 805
19. Jähnig, F. Biophys. J. 1996, 71, 1348
20. Klauda, J. B.; Venable, R. M.; MacKerell, A. D.; Pastor, R. W. Considerations for lipid force field development Comput. Model. Membr. Bilayers 2008, 60, 1
21. Israelachvili, J. N.; Mitchell, D. J.; Ninham, B. W. Biochim. Biophys. Acta, Biomembr. 1977, 470, 185
22. Marsh, D. Biophys. J. 1997, 73, 865
23. Tien, H. T.; Diana, A. L. Chem. Phys. Lipids 1968, 2, 55
24. Taylor, J.; Whiteford, N. E.; Bradley, G.; Watson, G. W. Biochim. Biophys. Acta, Biomembr. 2009, 1788, 638
25. Seelig, A.; Seelig, J. Biochemistry 1974, 13, 4839
26. Seelig, A.; Seelig, J. Biochim. Biophys. Acta 1975, 406, 1
27. Klauda, J. B.; Eldho, N. V.; Gawrisch, K.; Brooks, B. R.; Pastor, R. W. J. Phys. Chem. B 2008, 112, 5924
28. Perly, B.; Smith, I. C. P.; Jarrell, H. C. Biochemistry 1985, 24, 4659
29. Seelig, J.; Waespe-Sarcevic, N. Biochemistry 1978, 17, 3310
30. Venable, R. M.; Skibinsky, A.; Pastor, R. W. Mol. Simul. 2006, 32, 849
31. Castro-Roman, F.; Benz, R. W.; White, S. H.; Tobias, D. J. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 24157
32. Högberg, C.-J.; Nikitin, A. M.; Lyubartsev, A. P. J. Comput. Chem. 2008, 29, 2359
33. Dewar, M. J. S.; Zoebisch, E. G.; Healy, E. F.; Stewart, J. J. P. J. Am. Chem. Soc. 1985, 107, 3902
34. MacKerell, A. D., Jr. J. Comput. Chem. 2004, 25, 1584
35. Wang, J.; Wolf, R. M.; Caldwell, J. W.; Kollman, P. A.; Case, D. A. J. Comput. Chem. 2004, 25, 1157
36. Rosso, L.; Gould, I. R. J. Comput. Chem. 2008, 29, 24
37. Siu, S. W. I.; Vacha, R.; Jungwirth, P.; Bockmann, R. A. J. Chem. Phys. 2008, 128, 125103.
38. Jójárt, B.; Martinek, T. A. J. Comput. Chem. 2007, 28, 2051
39. Hénin, J.; Shinoda, W.; Klein, M. L. J. Phys. Chem. B 2008, 112, 7008
40. Daura, X.; Mark, A. E.; Gunsteren, W. F. V. J. Comput. Chem. 1998, 19, 535
41. Berger, O.; Edholm, O.; Jahnig, F. Biophys. J. 1997, 72, 2002
42. Chiu, S.-W.; Pandit, S. A.; Scott, H. L.; Jakobsson, E. J. Phys. Chem. B 2009, 113, 2748
43. Poger, D.; Gunsteren, W. F. V.; Mark, A. E. J. Comput. Chem. 2010, 31, 1117
44. Poger, D.; Mark, A. E. J. Chem. Theory Comput. 2009, 6, 325
45. Smondyrev, A. M.; Berkowitz, M. L. J. Comput. Chem. 1999, 20, 531
46. Ulmschneider, J. P.; Ulmschneider, M. B. J. Chem. Theory Comput. 2009, 5, 1803
47. Sum, A. K.; Biddy, M. J.; de Pablo, J. J.; Tupy, M. J. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 14443
48. J. Lipid Res. 1967, 8, 523.
49. J. Lipid Res. 1978, 19, 114.
50. Sundaralingam, M. Ann. N.Y. Acad. Sci. 1972, 195, 324
51. Wang, B.; Raha, K.; Liao, N.; Peters, M. B.; Kim, H.; Westerhoff, L. M.; Wollacott, A. M.; Vaart, A. v. d.; Gogonea, V.; Suarez, D.; Dixon, S. L.; Vincent, J. J.; Brothers, E. N.; K., M.; Merz, J. DivCon In QuantumBio Inc.; State College, PA, 2005.
52. Steven, L. D.; Merz, K. M., Jr. J. Chem. Phys. 1996, 104, 6643
53. Steven, L. D.; Merz, K. M., Jr. J. Chem. Phys. 1997, 107, 879
54. Li, J.; Zhu, T.; Cramer, C. J.; Truhlar, D. G. J. Phys. Chem. A 1998, 102, 1820
55. Woodcock, H.; Moran, D.; Pastor, R. W.; MacKerell, A. D.; Brooks, B. R. Biophys. J. 2007, 93, 1
56. Woodcock, H. L.; Brooks, B. R.; Pastor, R. W. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 6345
57. Klauda, J. B.; Venable, R. M.; MacKerell, A. D., Jr.; Pastor, R. W. Considerations for Lipid Force Field Development. In Current Topics in Membranes: Computer Modeling of Membrane Bilayers; Feller, S. E., Ed.; Elsevier Academic Press Inc: San Diego, 2008; Vol. 60; pp 1.
58. MÃ̧ller, C.; Plesset, M. S. Phys. Rev. 1934, 46, 618
59. Raghavachari, K.; Trucks, G. W.; Pople, J. A.; Head-Gordon, M. Chem. Phys. Lett. 1989, 157, 479
60. Klauda, J. B.; Garrison, S. L.; Jiang, J.; Arora, G.; Sandler, S. I. J. Phys. Chem. A 2004, 108, 107
61. Guvench, O.; MacKerell, A. D., Jr. J. Mol. Model. 2008, 14, 667
62. Lamoureux, G.; Roux, B. J. Chem. Phys. 2003, 119, 5185
63. Darden, T.; York, D.; Pedersen, L. J. Chem. Phys. 1993, 98, 10089
64. Allen, M. P.; Tildesley, D. J. Computer Simulations of Liquids; Clarendon Press: Oxford, 1987.
65. Lagüe, P.; Pastor, R. W.; Brooks, B. R. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 363
66. Kollman, P. Chem. Rev. 1993, 93, 2395
67. Deng, Y.; Roux, B. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 16567
68. Vorobyov, I. V.; Anisimov, V. M.; MacKerell, A. D., Jr. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 18988
69. Brooks, B. R.; Brooks, C. L., III; MacKerell, A. D., Jr.; Nilsson, L.; Petrella, R. J.; Roux, B.; Won, Y.; Archontis, G.; Bartels, C.; Boresch, S.; Caflisch, A.; Caves, L.; Cui, Q.; Dinner, A. R.; Feig, M.; Fischer, S.; Gao, J.; Hodoscek, M.; Im, W.; Kuczera, K.; Lazaridis, T.; Ma, J.; Ovchinnikov, V.; Paci, E.; Pastor, R. W.; Post, C. B.; Pu, J. Z.; Schaefer, M.; Tidor, B.; Venable, R. M.; Woodcock, H. L.; Wu, X.; Yang, W.; York, D. M.; Karplus, M. J. Comput. Chem. 2009, 30, 1545
70. Brooks, B. R.; Bruccoleri, R. E.; Olafson, B. D.; States, D. J.; Swaminathan, S.; Karplus, M. J. Comput. Chem. 1983, 4, 187
71. Phillips, J. C.; Braun, R.; Wang, W.; Gumbart, J.; Tajkhorshid, E.; Villa, E.; Chipot, C.; Skeel, R. D.; Kale, L.; Schulten, K. J. Comput. Chem. 2005, 26, 1781
72. Tuckerman, M.; Berne, B. J.; Martyna, G. J. J. Chem. Phys. 1992, 97, 1990
73. Grubmüller, H.; Heller, H.; Windemuth, A.; Schulten, K. Mol. Simul. 1991, 6, 121
74. Hoover, W. G. Phys. Rev. A 1985, 31, 1695
75. Nosé, S.; Klein, M. L. J. Chem. Phys. 1983, 78, 6928
76. Andersen, H. C. J. Chem. Phys. 1980, 72, 2384
77. Feller, S. E.; Zhang, Y.; Pastor, R. W.; Brooks, B. R. J. Chem. Phys. 1995, 103, 4613
78. Martyna, G. J.; Tobias, D. J.; Klein, M. L. J. Chem. Phys. 1994, 101, 4177
79. Ryckaert, J. P.; Ciccotti, G.; Berendsen, H. J. C. J. Comput. Phys. 1977, 23, 327
80. Klauda, J. B.; Brooks, B. R. J. Mol. Biol. 2007, 367, 1523
81. Skibinsky, A.; Venable, R. M.; Pastor, R. W. Biophys. J. 2005, 89, 4111
82. Crouzy, S.; Berneche, S.; Roux, B. J. Gen. Physiol. 2001, 118, 207
83. Schlenkrich, M.; Brinkman, J.; MacKerell, A. D.; Karplus, M. An Empirical Potential Energy Function for Phospholipids: Criteria for Parameter Optimization and Applications. In Membrane Structure and Dynamics; Merz, K. M.; Roux, B., Eds.; Birkhauser: Boston, 1996; p 31.
84. Kang, Y. K.; Nemethy, G.; Scheraga, H. A. J. Phys. Chem. 1987, 91, 4118
85. Kelly, C. P.; Cramer, C. J.; Truhlar, D. G. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 16066
86. Weeks, J. D.; Chandler, D.; Andersen, H. C. J. Chem. Phys. 1971, 54, 5237
87. Kučerka, N.; Nagle, J. F.; Sachs, J. N.; Feller, S. E.; Pencer, J.; Jackson, A.; Katsaras, J. Biophys. J. 2008, 95, 2356
88. Hubner, W.; Mantsch, H. H. Biophys. J. 1991, 59, 1261
89. Sachs, J. N.; Petrache, H. I.; Woolf, T. B. Chem. Phys. Lipids 2003, 126, 211
90. Rawicz, W.; Olbrich, K. C.; McIntosh, T.; Needham, D.; Evans, E. Biophys. J. 2000, 79, 328.
91. Brown, M. F.; Ribeiro, A. A.; Williams, G. D. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1983, 80, 4325
92. Pastor, R. W.; Venable, R. M.; Feller, S. E. Acc. Chem. Res. 2002, 35, 438
93. Kučerka, N.; Liu, Y. F.; Chu, N. J.; Petrache, H. I.; Tristram-Nagle, S. T.; Nagle, J. F. Biophys. J. 2005, 88, 2626
94. Kučerka, N.; Tristram-Nagle, S.; Nagle, J. F. J. Membr. Biol. 2006, 208, 193
95. Wiener, M. C.; King, G. I.; White, S. H. Biophys. J. 1991, 60, 568
96. Rappolt, M.; Hickel, A.; Bringezu, F.; Lohner, K. Biophys. J. 2003, 84, 3111
97. Feller, S. E.; Pastor, R. W. J. Chem. Phys. 1999, 111, 1281
98. Shaikh, S. R.; Brzustowicz, M. R.; Gustafson, N.; Stillwell, W.; Wassall, S. R. Biochemistry 2002, 41, 10593
99. Clarke, R. J. Adv. Colloid Interface Sci. 2001, 89, 263
100. Pratt, L. R. J. Phys. Chem. 1992, 96, 25
101. Venable, R. M.; Chen, L. E.; Pastor, R. W. J. Phys. Chem. B 2009, 113, 5855
102. Wu, X.; Brooks, B. R. J. Chem. Phys. 2008, 129, 154115
103. Priyanka, P.; Ramasubbu, S. J. Comput. Chem. 2010, 31, 266.
104. Sonne, J.; Hansen, F. Y.; Peters, G. H. J. Chem. Phys. 2005, 122, 124903.
105. Wiener, M. C.; White, S. H. Biophys. J. 1992, 61, 428
106. Somerharju, P. J.; Virtanen, J. A.; Eklund, K. K.; Vainio, P.; Kinnunen, P. K. J. Biochemistry 1985, 24, 2773