Interpretation of nuclear resonant vibrational spectra of rubredoxin using a combined quantum mechanics and molecular mechanics approach

ChemPhysChem

Volumn 12, Issue 17, 2011, Pages 3434-3441

  Paulsen, Hauke ^a   Trautwein, Alfred X ^a   Wegner, Patrick ^a   Schmidt, Christian ^a   Chumakov, Aleksandr I ^b   Schünemann, Volker ^c  

^a UNIVERSITY OF LÜBECK   (Germany)

^b EUROPEAN SYNCHROTRON RADIATION FACILITY   (France)

^c Rheinland Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern Landau   (Germany)

Author keywords

density functional calculations; molecular mechanics; proteins; rubredoxin; vibrational spectroscopy

Indexed keywords

IRON; MECHANICS; MOLECULAR MECHANICS; PROTEINS; QUANTUM THEORY; VIBRATIONAL SPECTRA; VIBRATIONAL SPECTROSCOPY;

COORDINATION SHELLS; CYSTEINS; IRON CENTERS; MOLECULAR MECHANICS METHOD; REDUCED MODEL; RUBREDOXIN; SIMULATED SPECTRA;

DENSITY FUNCTIONAL THEORY;

EID: 82955173052     PISSN: 14394235     EISSN: 14397641     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/cphc.201100595     Document Type: Article

References (88)

1. V. May, O. Kühn, Charge and Energy Transfer Dynamics in Molecular Systems, Wiley, New York, 2004.
2. M. Seto, Y. Yoda, S. Kikuta, X. W. Zhang, M. Ando, Phys. Rev. Lett. 1995, 74, 3828
3. W. Sturhahn, T. S. Toellner, E. E. Alp, X. Zhang, M. Ando, Y. Yoda, S. Kikuta, M. Seto, C. W. Kimball, B. Dabrowski, Phys. Rev. Lett. 1995, 74, 3832.
4. H. Paulsen, H. Winkler, A. X. Trautwein, H. Grünsteudel, V. Rusanov, H. Toftlund, Phys. Rev. B 1999, 59, 975
5. H. Paulsen, R. Benda, C. Herta, V. Schünemann, A. I. Chumakov, L. Duelund, H. Winkler, H. Toftlund, A. X. Trautwein, Phys. Rev. Lett. 2001, 86, 1351
6. H. Paulsen, V. Rusanov, R. Benda, C. Herta, V. Schünemann, C. Janiak, T. Dorn, A. I. Chumakov, M. Gerdan, H. Winkler, A. X. Trautwein, J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 3007.
7. M. C. Smith, Y. Xiao, H. Wang, S. J. George, D. Coucouvanis, M. Koutmos, W. Stuhrhahn, E. E. Alp, J. Zhao, S. P. Cramer, Inorg. Chem. 2005, 44, 5562.
8. J. T. Sage, C. Paxson, G. R. A. Wyllie, W. Sturhahn, S. M. Durbin, P. M. Champion, E. E. Alp, W. R. Scheidt, J. Phys. Condens. Matter 2001, 13, 7707
9. E. E. Alp, W. Sturhahn, T. S. Toellner, J. Zhao, M. Hu, D. E. Brown, Hyperfine Interact. 2002, 144/145, 3
10. W. Sturhahn, J. Phys. Condens. Matter 2004, 16, S 497
11. H. Paulsen, V. Schünemann, A. X. Trautwein, H. Winkler, Coord. Chem. Rev. 2005, 249, 255
12. W. R. Scheidt, S. M. Durbin, J. T. Sage, J. Inorg. Biochem. 2005, 99, 60
13. C. B. Bell III, S. D. Wong, Y. Xiao, E. J. Klinker, A. L. Tenderholt, M. C. Smith, J.-U. Rohde, L. Que Jr., S. P. Cramer, E. I. Solomon, Angew. Chem. 2008, 120, 9211
14. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 9071
15. B. M. Leu, A. Alatas, H. Sinn, E. E. Alp, A. H. Said, H. Yavas, J. Zhao, J. T. Sage, W. Sturhahn, J. Chem. Phys. 2010, 132, 085103
16. Z. J. Tonzetich, H. Wang, D. Mitra, C. E. Tinberg, L. H. Do, F. E. Jenney Jr., M. W. W. Adams, S. P. Cramer, S. J. Lippard, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 6914.
17. B. M. Leu, M. Zgierski, G. R. A. Wyllie, M. K. Ellison, W. R. Scheidt, W. Sturhahn, E. E. Alp, S. M. Durbin, J. T. Sage, J. Phys. Chem. Solids 2005, 66, 2250
18. H. Paulsen, P. Wegner, H. Winkler, J. A. Wolny, L. H. Böttger, A. X. Trautwein, C. Schmidt, V. Schünemann, G. Barone, A. Silvestri, G. La Manna, A. I. Chumakov, I. Sergueev, R. Rüffer, Hyperfine Interact. 2005, 165, 17.
19. V. S. Oganesyan, J. E. Barclay, S. M. Hardy, D. J. Evans, C. J. Pickett, U. A. Jayasooriya, Chem. Commun. 2004, 214
20. S. P. Cramer, Y. Xiao, H. Wang, Y. Guo, M. C. Smith, Hyperfine Interact. 2006, 170, 47
21. Y. Xiao, K. Fisher, M. C. Smith, W. E. Newton, D. A. Case, S. J. George, H. Wang, W. Sturhahn, E. E. Alp, J. Zhao, Y. Yoda, S. P. Cramer, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 7608
22. S. J. George, R. Y. Igarashi, Y. Xiao, J. A. Hernandez, M. Demuez, D. Zhao, Y. Yoda, P. W. Ludden, L. M. Rubio, S. P. Cramer, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 5673
23. C. E. Tinberg, Z. J. Tonzetich, H. Wang, L. H. Do, Y. Yoda, S. P. Cramer, S. J. Lippard, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 18168.
24. Y. Xiao, H. Wang, S. J. George, M. C. Smith, M. W. Adams, F. E. J. Jenney, Jr., W. Stuhrhahn, E. E. Alp, J. Zhao, Y. Yoda, A. Dey, E. I. Solomon, S. P. Cramer, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 14596
25. M.-L. Tan, A. R. Bizzarri, Y. Xiao, S. Cannistraro, T. Ichiye, C. Manzoni, G. Cerullo, M. W. W. Adams, F. E. Jenney Jr., S. P. Cramer, J. Inorg. Biochem. 2007, 101, 375.
26. Y. Xiao, M.-L. Tan, T. Ichiye, H. Wang, Y. Guo, M. C. Smith, J. Meyer, W. Sturhahn, E. E. Alp, J. Zhao, Y. Yoda, S. P. Cramer, Biochemistry 2008, 47, 6612.
27. Y. Xiao, M. Koutmos, D. A. Case, D. Coucouvanis, H. Wang, S. P. Cramer, Dalton Trans. 2006, 2192
28. Y. Guo, H. Wang, Y. Xiao, S. Vogt, R. K. Thauer, S. Shima, P. I. Volkers, T. B. Rauchfuss, V. Pelmenschikov, D. A. Case, E. E. Alp, W. Sturhahn, Y. Yoda, S. P. Cramer, Inorg. Chem. 2008, 47, 3969
29. D. Mitra, V. Pelmenschikov, Y. Guo, D. A. Case, H. Wang, W. Dong, M.-l. Tan, T. Ichiye, F. E. Jenney Jr., M. W. W. Adams, Y. Yoda, J. Zhao, S. P. Cramer, Biochemistry 2011, 50, 5220.
30. B. M. Leu, N. J. Silvernail, M. Z. Zgierski, G. R. A. Wyllie, M. K. Ellison, W. R. Scheidt, J. Zhao, W. Sturhahn, E. E. Alp, J. T. Sage, Biophys. J. 2007, 92, 3764.
31. J. T. Sage, S. M. Durbin, W. Sturhahn, D. C. Wharton, P. M. Champion, P. Hession, J. Sutter, E. E. Alp, Phys. Rev. Lett. 2001, 86, 4966
32. K. Achterhold, C. Keppler, A. Ostermann, U. van Burck, W. Sturhahn, E. E. Alp, F. G. Parak, Phys. Rev. E 2002, 65, 051916
33. W. Zeng, N. J. Silvernail, D. C. Wharton, G. Y. Georgiev, B. M. Leu, W. R. Scheidt, J. Zhao, W. Sturhahn, E. E. Alp, J. T. Sage, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 11200
34. K. L. Adams, S. Tsoi, J. S. Yan, S. M. Durbin, A. K. Ramdas, W. A. Cramer, W. Sturhahn, E. E. Alp, C. Schulz, J. Phys. Chem. B 2006, 110, 530
35. B. M. Leu, Y. Zhang, L. Bu, J. E. Straub, J. Zhao, W. Sturhahn, E. E. Alp, J. T. Sage, Biophys. J. 2008, 95, 5874
36. W. Zeng, A. Barabanschikov, Y. Zhang, J. Zhao, W. Sturhahn, E. E. Alp, J. T. Sage, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 1816
37. B. M. Leu, T. H. Ching, J. Zhao, W. Sturhahn, E. E. Alp, J. T. Sage, J. Phys. Chem. B 2009, 113, 2193
38. J. W. Pavlik, A. Barabanschikov, A. G. Oliver, E. E. Alp, W. Sturhahn, J. Zhao, J. T. Sage, W. R. Scheidt, Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 4400.
39. B. M. Leu, M. Z. Zgierski, G. R. Wyllie, W. R. Scheidt, W. Stuhrhahn, E. E. Alp, S. M. Durbin, J. T. Sage, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 4211.
40. N. J. Silvernail, A. Barabanschikov, J. W. Pavlik, B. C. Noll, J. Zhao, E. E. Alp, W. Sturhahn, J. T. Sage, W. R. Scheidt, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 2200
41. W. R. Scheidt, A. Barabanschikov, J. W. Pavlik, N. J. Silvernail, J. T. Sage, Inorg. Chem. 2010, 49, 6240
42. B. M. Leu, J. T. Sage, N. J. Silvernail, W. R. Scheidt, A. Alatas, E. E. Alp, W. Sturhahn, J. Phys. Chem. B 2011, 115, 4469.
43. B. K. Rai, S. M. Durbin, E. W. Prohofsky, J. T. Sage, G. R. A. Wyllie, W. R. Scheidt, W. Sturhahn, E. E. Alp, Biophys. J. 2002, 82, 2951
44. B. K. Rai, S. M. Durbin, E. W. Prohofsky, J. T. Sage, M. K. Ellison, W. R. Scheidt, W. Sturhahn, E. E. Alp, Phys. Rev. E 2002, 66, 051904
45. B. K. Rai, S. M. Durbin, E. W. Prohofsky, J. T. Sage, M. K. Ellison, A. Roth, W. R. Scheidt, W. Sturhahn, E. E. Alp, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 6927
46. T. E. Budarz, E. W. Prohofsky, S. M. Durbin, T. Sjodin, J. T. Sage, W. Sturhahn, E. E. Alp, J. Phys. Chem. B 2003, 107, 11170.
47. N. Lehnert, J. T. Sage, N. J. Silvernail, W. R. Scheidt, E. E. Alp, W. Sturhahn, J. Zhao, Inorg. Chem. 2010, 49, 7197
48. N. Lehnert, M. G. I. Galinato, F. Paulat, G. B. Richter-Addo, W. Sturhahn, N. Xu, J. Zhao, Inorg. Chem. 2010, 49, 4133.
49. T. Petrenko, W. Sturhahn, F. Neese, Hyperfine Interact. 2007, 175, 165.
50. N. Lehnert, F. Tuczek, Inorg. Chem. 1999, 38, 1659.
51. R. B. Murphy, D. M. Philipp, R. A. Friesner, J. Comput. Chem. 2000, 21, 1442.
52. F. Maseras, K. Morokuma, J. Comput. Chem. 1995, 16, 1170
53. F. Maseras, K. Morokuma, J. Comput. Chem. 1995, 16, 1170
54. S. Humbel, S. Sieber, K. Morokuma, J. Chem. Phys. 1996, 105, 1959
55. M. Svensson, S. Humbel, R. Froese, T. Matsubara, S. Sieber, K. Morokuma, J. Phys. Chem. 1996, 100, 19357
56. M. Svensson, S. Humbel, K. Morokuma, J. Chem. Phys. 1996, 105, 3654
57. S. Dapprich, I. Komaromi, K. Byun, K. Morokuma, M. Frisch, J. Mol. Struct. (Theochem) 1999, 461-462, 1
58. T. Vreven, K. Morokuma, J. Comput. Chem. 2000, 21, 1419
59. T. Vreven, B. Mennucci, C. da Silva, K. Morokuma, J. Tomasi, J. Chem. Phys. 2001, 115, 62.
60. Gaussian 03 (Revision B.01), 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, C. Adamo, J. Jaramillo, R. Gomperts, R. E. Stratmann, O. Yazyev, A. J. Austin, R. Cammi, C. Pomelli, J. W. 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. Johnson, W. Chen, M. W. Wong, C. Gonzalez, J. A. Pople, Gaussian, Inc., Pittsburgh PA, 2003.
61. G. Erauso, A.-L. Reysenbach, A. Godfoy, J.-R. Meunier, B. Crump, F. Partensky, J. A. Baross, V. Marteinsson, G. Barbier, N. R. Pace, D. & Prieur, Arch. Microbiol. 1993, 160, 338.
62. G. N. Cohen, V. Barbe, D. Flament, M. Galperin, R. Heilig, O. Lecomte, O. Poch, D. Prieur, J. Querellou, R. Ripp, J.-C. Thierry, J. van der Oost, J. Weissenbach, Y. Zivanovic, P. Forterre, Mol. Microbiol. 2003, 47, 1495.
63. W. Martin, M. J. Russell, Phil. Trans. R. Soc. Lond. B 2003, 358, 59
64. C. Huber, G. Wächtershäuser, Science 1998, 281, 670.
65. D. C. Johnson, D. R. Dean, A. D. Smith, M. K. Johnson, Annu. Rev. Biochem. 2005, 74, 247.
66. S. Niu, X.-B. Wang, J. A. Nichols, L.-S. Wang, T. Ichiye, J. Phys. Chem. A 2003, 107, 2898.
67. R. S. Czernuszewicz, L. K. Kilpatrick, S. A. Koch, T. G. Spiro, J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 1134.
68. H. Bönisch, C. L. Schmidt, P. Bianco, R. Ladenstein, Acta Crystallogr. Sect. A Acta Crystallogr. D 2005, 61, 990.
69. A. X. Trautwein, P. Wegner, H. Winkler, H. Paulsen, V. Schünemann, C. Schmidt, A. I. Chumakov, R. Rüffer, Hyperfine Interact. 2005, 165, 295.
70. A. Rappe, C. Casewit, K. Colwell, W. Goddard III., W. Skiff, J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 10024.
71. P. Wegner, M. Bever, V. Schünemann, A. X. Trautwein, C. Schmidt, H. Bönisch, M. Gnida, W. Meyer-Klaucke, Hyperfine Interact. 2004, 156/157, 293.
72. G. N. George, I. J. Pickering, R. C. Prince, Z. H. Zhou, M. W. W. Adams, J. Biol. Inorg. Chem. 1996, 1, 226.
73. F. Neese, and, T. Petrenko, Quantum Chemistry and Mössbauer Spectroscopy, in: P. Gütlich, E. Bill, A. X. Trautwein, Mössbauer Spectroscopy and Transition Metal Chemistry: Fundamentals and Application 2011, Springer: Berlin.
74. C. L. Schmidt, O. M. Hatzfeld, A. Petersen, T. A. Link, G. Schäfer, Biochem. Biophys. Res. Commun. 1997, 234, 283.
75. R. Rüffer, A. I. Chumakov, Hyperfine Interact. 1996, 97-98, 589.
76. A. I. Chumakov, unpublished results.
77. A. Q. R. Baron, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A 1995, 352, 665.
78. E. Gerdau, R. Rüffer, H. Winkler, W. Tolksdorf, C. P. Klages, J. P. Hannon, Phys. Rev. Lett. 1985, 54, 835.
79. A. D. Becke, J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648.
80. A. D. Becke, Phys. Rev. A 1988, 38, 3098
81. J. P. Perdew, Phys. Rev. B 1986, 33, 8822.
82. J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 3865.
83. T. H. Dunning, Jr., P. J. Hay, in Modern Theoretical Chemistry, Vol. 3, (Ed.:, H. F. Schaefer III.,), Plenum, New York, 1976, pp. 1.
84. A. Schäfer, H. Horn, R. Ahlrichs, J. Chem. Phys. 1992, 97, 2571.
85. A. Wachters, J. Chem. Phys. 1970, 52, 1033.
86. P. Dufek, P. Blaha, K. Schwarz, Phys. Rev. Lett. 1995, 75, 3545.
87. H. Paulsen, L. Duelund, A. Zimmermann, F. Averseng, M. Gerdan, H. Winkler, H. Toftlund, A. X. Trautwein, Monatsh. Chem. 2003, 134, 295
88. J. A. Wolny, H. Paulsen, H. Winkler, A. X. Trautwein, J.-P. Tuchagues, Hyperfine Interact. 2006, 169, 1389.