Effect of protein environment on electronically excited and ionized states of the green fluorescent protein chromophore

Journal of Physical Chemistry B

Volumn 115, Issue 25, 2011, Pages 8296-8303

  Bravaya, Ksenia B ^a   Khrenova, Maria G ^b   Grigorenko, Bella L ^b   Nemukhin, Alexander V ^b,c   Krylov, Anna I ^a  

^a UNIVERSITY OF SOUTHERN CALIFORNIA   (United States)

^b MOSCOW STATE UNIVERSITY   (Russian Federation)

^c EMANUEL INSTITUTE OF BIOCHEMICAL PHYSICS   (Russian Federation)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

CHARGE TRANSFER; ELECTRONIC STRUCTURE; FLUORESCENCE; IONIZATION OF GASES; MOLECULAR MODELING; PROTEINS;

CLUSTER CALCULATIONS; GASPHASE; GREEN FLUORESCENT PROTEIN; IONIZED STATE; PHOTOCONVERSION; PHYSIOLOGICAL CONDITION; REDOX PROPERTY; REDUCTION POTENTIAL; STANDARD REDUCTION POTENTIALS; TRIPLET STATE; VERTICAL DETACHMENT ENERGIES;

CHROMOPHORES;

EID: 79959540434     PISSN: 15206106     EISSN: 15205207     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/jp2020269     Document Type: Article

References (69)

1. Tsien, R. Y. Annu. Rev. Biochem. 1998, 67, 509
2. Zimmer, M. Chem. Rev. 2002, 102, 759
3. Wang, Y.; Shyy, J.Y.-J.; Chien, S. Ann. Rev. Biomed. Eng. 2008, 10, 1
4. Meech, S. R. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 2922
5. Sample, V.; Newman, R. H.; Zhang, J. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 2852
6. Nemukhin, A. V.; Grigorenko, B. L.; Savitskii, A. P. Acta Naturae 2009, 2, 41
7. Nielsen, S. B.; Lapierre, A.; Andersen, J. U.; Pedersen, U. V.; Tomita, S.; Andersen, L. H. Phys. Rev. Lett. 2001, 87, 228102
8. Andersen, L. H.; Lappierre, A.; Nielsen, S. B.; Nielsen, I. B.; Pedersen, S. U.; Pedersen, U. V.; Tomita, S. Eur. Phys. J. D 2002, 20, 597
9. Forbes, M. W.; Jockusch, R. A. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 17038
10. Rajput, J.; Rahbek, B., D.; Rocha-Rinza, L. H.; Andin, A. V.; Bochenkova, A. V.; Solntsev, K. M.; Dong, J.; Kowalik, J.; Tolbert, L. M.; Åxman Petersen, M.; Brøndsted Nielsen, M. Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11, 9996
11. Sinicropi, A.; Anduniow, T.; Ferre, N.; Basosi, R.; Olivucci, M. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 11534
12. Epifanovsky, E.; Polyakov, I.; Grigorenko, B. L.; Nemukhin, A. V.; Krylov, A. I. J. Chem. Theory Comput. 2009, 5, 1895
13. Zuev, D.; Bravaya, K. B.; Crawford, T. D.; Lindh, R.; Krylov, A. I. J. Chem. Phys. 2011, 134, 034310
14. Epifanovsky, E.; Polyakov, I.; Grigorenko, B. L.; Nemukhin, A. V.; Krylov, A. I. J. Chem. Phys. 2010, 132, 115104
15. Bogdanov, A. M.; Mishin, A. S.; Yampolsky, I. V.; Belousov, V. V.; Chudakov, D. M.; Subach, F. V.; Verkhusha, V. V.; Lukyanov, S.; Lukyanov, K. A. Nat. Chem. Biol. 2009, 5, 459
16. Hanson, G. T.; Aggeler, R.; Oglesbee, D.; Cannon, M.; Capaldi, R. A.; Tsien, R. Y.; Remington, S. J. J. Biol. Chem. 2004, 279, 13044
17. Dooley, C. T.; Dore, T. M.; Hanson, G. T.; Jakson, W. C.; Remington, S. G.; Tsien, R. Y. J. Biol. Chem. 2004, 279, 2284
18. Inouye, S.; Tsuji, F. I. FEBS Lett. 1994, 351, 211
19. Jiménez-Banzo, A.; Ragás, X.; Abbruzzetti, S.; Viappiani, C.; Campanini, B.; Flors, C.; Nonell, S. Photochem. Photobiol. Sci. 2010, 9, 1336
20. Vegh, R. B.; Solntsev, K. M.; Kuimova, M. K.; Cho, S.; Liang, Y.; Loo, B. L. W.; Tolbert, L. M.; Bommarius, A. S. Chem. Commun. 2011, 47, 4887
21. Ragás, X.; Cooper, L. P.; White, J. H.; Nonell, S.; Flors, C. ChemPhysChem 2011, 12, 161
22. McLean, M. A.; Rajfur, Z.; Chen, Z.; Humphrey, D.; Yang, B.; Sligar, S. G.; Jacobson, K. Anal. Chem. 2009, 81, 1755
23. Bell, A. F.; Stoner-Ma, D.; Wachter, R. M.; Tonge, P. J. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 6919
24. Koseki, J.; Kita, Y.; Tachikawa, M. Biophys. Chem. 2010, 147, 140
25. Blandamer, M. J.; Fox, M. F. Chem. Rev. 1970, 70, 59
26. Bradforth, S. E.; Jungwirth, P. J. Phys. Chem. A 2002, 106, 1286
27. Simons, J. J. Phys. Chem. A 2008, 112, 6401
28. Sobolewski, A. L.; Domcke, W. Phys. Chem. Chem. Phys. 2007, 9, 3818
29. Feng, D. F.; Kevan, L. Chem. Rev. 1980, 80, 1
30. Jacobson, L. D.; Herbert, J. M. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 10000
31. Vengris, M.; van Stokkum, I. H. M.; He, X.; Bell, A. F.; Tonge, P.; van Grondelle, R.; Larsen, D. S. J. Phys. Chem. A 2004, 108, 4587
32. Solntsev, K. M.; Poizat, O.; Dong, J.; Rehault, J.; Lou, Y.; Burda, C.; Tolbert, L. M. J. Phys. Chem. B 2008, 112, 2700
33. Winkler, K.; Lindner, J.; Subramaniam, V.; Jovin, T. M. Phys. Chem. Chem. Phys. 2002, 4, 1072
34. No two-photon ionization was observed in subsequent experiments using 400 nm laser (total energy of 6.2 eV) (D. Larsen, private communication).
35. Ormö, M.; Cubitt, A. B.; Kallio, K.; Gross, L. A.; Tsien, R. Y.; Remington, S. J. Science 1996, 273, 1392
36. http://www.rcsb.org/.
37. Yang, F.; Moss, L. G.; Phillips, G. N. Nat. Biotechnol. 1996, 14, 1246
38. Gordon, M. S.; Freitag, M. A.; Bandyopadhyay, P.; Jensen, J. H.; Kairys, V.; Stevens, W. J. J. Phys. Chem. A 2001, 105, 293
39. Adamovic, I.; Freitag, M. A.; Gordon, M. S. J. Chem. Phys. 2003, 118, 6725
40. Nemukhin, A. V.; Grigorenko, B. L.; Topol, I. A.; Burt, S. K. J. Comput. Chem. 2003, 24, 1410
41. Adamo, C.; Barone, V. J. Chem. Phys. 1999, 110, 6158
42. Case, D. A.; Darden, T. A., III; Cheetham, T.E.;; Simmerling, C. L.; Wang, J.; Duke, R. E.; Luo, R.; Merz, K. M.; Wang, B.; Pearlman, D. A.; Crowley, M.; Brozell, S.; Tsui, V.; Gohlke, H.; Mongan, J.; Hornak, V.; Cui, G.; Beroza, P.; Schafmeister, C.; Caldwell, J. W.; Ross, W. S.; Kollman, P. A. Amber 8; University of California: San Francisco, 2004.
43. Grigorenko, B.; Savitsky, A.; Topol, I.; Burt, S.; Nemukhin, A. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 18635
44. 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
45. Chai, J.-D.; Head-Gordon, M. J. Chem. Phys. 2008, 128, 084106
46. Extensive benchmark study (45) of long-range corrected functionals has demonstrated improved accuracy for a variety of thermochemical properties including ionization energies relative to their nonlong-range corrected counterparts (e.g., wB3LYP versus B3LYP). Among the functionals tested, wB97X has been shown to yield the best results. Thus, we employ this functional in our study.
47. Rhee, Y. M.; Head-Gordon, M. J. Phys. Chem. A 2007, 111, 5314
48. Head-Gordon, M.; Grana, A. M.; Maurice, D.; White, C. A. J. Phys. Chem. 1995, 14261
49. Cauët, E.; Valiev, M.; Weare, J. H. J. Phys. Chem. B 2010, 114, 5886
50. Ghosh, D.; Isayev, O.; Slipchenko, L. V.; Krylov, A. I. J. Phys. Chem. A 2011, 10.1021/jp110438c.
51. Golubeva, A. A.; Krylov, A. I. Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11, 1303
52. Bravaya, K. B.; Kostko, O.; Ahmed, M.; Krylov, A. I. Phys. Chem. Chem. Phys. 2010, 12, 2292
53. Polyakov, I.; Grigorenko, B. L.; Epifanovsky, E.; Grigorenko, B. L.; Krylov, A. I.; Nemukhin, A. V. J. Chem. Theory Comput. 2010, 6, 2377
54. Khrenova, M.; Nemukhin, A. V.; Grigorenko, B. L.; Krylov, A. I.; Domratcheva, T. J. Chem. Theory Comput. 2010, 6, 2293
55. Shao, Y.; Molnar, L. F.; Jung, Y.; Kussmann, J.; Ochsenfeld, C.; Brown, S.; Gilbert, A. T. B.; Slipchenko, L. V.; Levchenko, S. V.; O'Neil, D. P.; Distasio, R. A., Jr.; Lochan, R. C.; Wang, T.; Beran, G. J. O.; Besley, N. A.; Herbert, J. M.; Lin, C. Y.; Van Voorhis, T.; Chien, S. H.; Sodt, A.; Steele, R. P.; Rassolov, V. A.; Maslen, P.; Korambath, P. P.; Adamson, R. D.; Austin, B.; Baker, J.; Bird, E. F. C.; Daschel, H.; Doerksen, R. J.; Drew, A.; Dunietz, B. D.; Dutoi, A. D.; Furlani, T. R.; Gwaltney, S. R.; Heyden, A.; Hirata, S.; Hsu, C.-P.; Kedziora, G. S.; Khalliulin, R. Z.; Klunziger, P.; Lee, A. M.; Liang, W. Z.; Lotan, I.; Nair, N.; Peters, B.; Proynov, E. I.; Pieniazek, P. A.; Rhee, Y. M.; Ritchie, J.; Rosta, E.; Sherrill, C. D.; Simmonett, A. C.; Subotnik, J. E.; Woodcock, H. L., III; Zhang, W.; Bell, A. T.; Chakraborty, A. K.; Chipman, D. M.; Keil, F. J.; Warshel, A.; Herhe, W. J.; Schaefer, H. F., III; Kong, J.; Krylov, A. I.; Gill, P. M. W.; Head-Gordon, M. Phys. Chem. Chem. Phys. 2006, 8, 3172
56. Schmidt, M. W.; Baldridge, K. K.; Boatz, J. A.; Elbert, S. T.; Gordon, M. S.; Jensen, J. H.; Koseki, S.; Mastunaga, N.; Nguyen, K. A.; Su, S.; Windus, T. L.; Dupuis, M.; Montgomery, J. A. J. Comput. Chem. 1993, 14, 1347
57. Granovsky, A.A. PC; GAMESSFirefly, U. R. L. http://classic.chem.msu.su/ gran/gamess/index.html (Accessed Dec. 18, 2009).
58. Krylov, A. I. Annu. Rev. Phys. Chem. 2008, 59, 433
59. Kevan, L. Acc. Chem. Res. 1981, 14, 138
60. Bartels, D. M.; Takahashi, K.; Cline, J. A.; Marin, T. W.; Jonah, C. D. J. Phys. Chem. A 2005, 109, 1299
61. Jordan, K. D.; Johnson, M. A. Science 2010, 329, 42
62. Herbert, J. M.; Jacobson, L. D. Int. Rev. Phys. Chem. 2011, 30, 1
63. Zuev, D.; Bravaya, K.; Makarova, M.; Krylov, A. I. (2011; in preparation.
64. Lewis, A.; Bumpus, J. A.; Thrular, D. G.; Cramer, C. J. J. Chem. Educ. 2004, 81, 596
65. Crespo-Hernández, C.; Close, D. M.; Gorb, L.; Leszczynski, J. J. Phys. Chem. B 2007, 111, 5386
66. Gunion, R. F.; Gilles, M. K.; Polak, M. L.; Lineberger, W. C. Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc. 1992, 117, 601
67. Lind, J.; Shen, X.; Eriksen, T. E.; Merényi, G. J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 479
68. Li, C.; Hoffman, M. Z. J. Phys. Chem. B 1999, 103, 6653
69. Costentin, C.; Louault, C.; Savéant, J.-M. Proc. Natl. Acad. Sci. 2009, 106, 18143