Photochemical reactions in biological systems: Probing the effect of the environment by means of hybrid quantum chemistry/molecular mechanics simulations

Physical Chemistry Chemical Physics

Volumn 14, Issue 22, 2012, Pages 7912-7928

  Boggio Pasqua, Martial ^a   Burmeister, Carl F ^b   Robb, Michael A ^c   Groenhof, Gerrit ^b  

^a CNRS   (France)

^b MAX PLANCK INSTITUTE FOR BIOPHYSICAL CHEMISTRY   (Germany)

^c IMPERIAL COLLEGE LONDON   (United Kingdom)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

BACTERIAL PROTEIN; PHOTOACTIVE YELLOW PROTEIN, BACTERIA; VISUAL PROTEINS AND PIGMENTS;

CHEMISTRY; ISOMERISM; METABOLISM; MOLECULAR DYNAMICS; PHOTOCHEMISTRY; QUANTUM THEORY; REVIEW;

BACTERIAL PROTEINS; ISOMERISM; MOLECULAR DYNAMICS SIMULATION; PHOTOCHEMICAL PROCESSES; PHOTORECEPTORS, MICROBIAL; QUANTUM THEORY;

EID: 84861385971     PISSN: 14639076     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1039/c2cp23628a     Document Type: Review

References (143)

1. A. Warshel Nature 1976 260 679 683
2. A. Warshel N. Barboy J. Am. Chem. Soc. 1982 104 1469 1476
3. A. Warshel Z. T. Chu J. K. Hwang Chem. Phys. 1991 158 303 314
4. A. Warshel Z. Chu J. Phys. Chem. B 2001 105 9857 9871
5. A. Warshel W. Parson Q. Rev. Biophys. 2001 34 563 679
6. D. Polli P. Altoe O. Weingart K. M. Spillane C. Manzoni D. Brida G. Tomasello G. Orlandi P. Kukura R. A. Mathies M. Garavelli G. Cerullo Nature 2010 467 440 443
7. L. M. Frutos T. Andruniow F. Santoro N. Ferre M. Olivucci Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2007 104 7764 7769
8. S. Hayashi E. Taikhorshid K. Schulten Biophys. J. 2009 96 403 416
9. S. Hayashi E. Tajkhorshid K. Schulten Biophys. J. 2003 85 1440 1449
10. X. Li L. W. Chung H. Mizuno A. Miyawaki K. Morokuma J. Phys. Chem. Lett. 2010 1 3328 3333
11. M. Andresen A. C. Stiel S. Trowitzsch G. Weber C. Eggeling M. C. Wahl S. W. Hell S. Jakobs Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2007 104 13005 13009
12. W. Parson A. Warshel J. Phys. Chem. B 2004 108 10474 10483
13. A. Warshel Z. Chu W. Parson Science 1989 246 112 116
14. Z. Chu A. Warshel W. Parson Photosynth. Res. 1989 22 39 46
15. G. Groenhof L. V. Schäfer M. Boggio-Pasqua M. Goette H. Grubmüller M. A. Robb J. Am. Chem. Soc. 2007 129 6812 6819
16. Y. Lu Z. Lan W. Thiel Angew. Chem., Int. Ed. 2011 50 6864 6867
17. D. Nachtigallova T. Zeleny M. Ruckenbauer T. Mueller M. Barbatti P. Hobza H. Lischka J. Am. Chem. Soc. 2010 132 8261 8263
18. A. Warshel M. Levitt J. Mol. Biol. 1976 103 227 249
19. G. Groenhof M. Bouxin-Cademartory B. Hess S. P. De Visser H. J. C. Berendsen M. Olivucci A. E. Mark M. A. Robb J. Am. Chem. Soc. 2004 126 4228 4233
20. I. Schapiro F. Melaccio E. N. Laricheva M. Olivucci Photochem. Photobiol. Sci. 2011 10 867 886
21. Conical Intersections, Advanced Series in Physical Chemistry, ed., W. Domcke, D. R. Yarkony, and, H. Köppel, vol. 15. World Scientific, Singapore, 2004
22. F. Bernardi M. Olivucci M. A. Robb Chem. Soc. Rev. 1996 25 321
23. M. J. Bearpark and M. A. Robb, Reviews of reactive intermediate chemistry, Wiley, New Jersey, 2007, pp. 379-414
24. J. C. Tully R. Preston J. Chem. Phys. 1972 55 562 572
25. J. C. Tully J. Chem. Phys. 1990 93 1061 1071
26. J. C. Tully Int. J. Quantum Chem. 1991 25 299 309
27. J. C. Tully Faraday Discuss. 1998 110 407 419
28. T. J. Martínez M. Ben-Nun R. D. Levine J. Phys. Chem. 1996 100 7884 7895
29. W. Parson A. Warshel Chem. Phys. 2004 296 201 216
30. O. V. Prezhdo P. J. Rossky J. Chem. Phys. 1997 107 825 834
31. F. Webster P. J. Rossky R. A. Friesner Comput. Phys. Commun. 1991 63 494 522
32. F. Webster E. Wang P. Rossky R. Friesner J. Chem. Phys. 1994 100 4835 4847
33. E. R. Bittner P. J. Rossky J. Chem. Phys. 1995 103 8130 8143
34. S. Hammes-Schiffer J. C. Tully J. Chem. Phys. 1994 101 4657 4667
35. M. Desouter-Lecomte J. Lorquet J. Chem. Phys. 1979 71 4391 4403
36. P. E. M. Siegbahn J. Almlof A. Heiberg B. O. Roos J. Chem. Phys. 1981 74 2384 2396
37. A. Warshel M. Karplus J. Am. Chem. Soc. 1972 94 5612 5625
38. A. Toniolo S. Olsen L. Manohar T. J. Martínez Faraday Discuss. 2004 127 149 163
39. T. W. Keal A. Koslowski W. Thiel Theor. Chem. Acc. 2007 118 837 844
40. K. K. Baeck T. J. Martínez Chem. Phys. Lett. 2003 375 299 308
41. I. Tavernelli U. F. Rohrig U. Rothlisberger Mol. Phys. 2005 103 963 981
42. A. Dreuw M. Head-Gordon Chem. Rev. 2005 105 4009 4037
43. B. Levine C. Ko J. Quenneville T. Martínez Mol. Phys. 2006 104 1039 1051
44. F. Cordova L. J. Doriol A. Ipatov M. E. Casida C. Filippi A. Vela J. Chem. Phys. 2007 127 164111
45. J. D. Coe T. J. Martínez J. Phys. Chem. A 2006 110 618 630
46. J. D. Coe T. J. Martínez J. Am. Chem. Soc. 2005 127 4560 4561
47. O. Weingart A. Migani M. Olivucci M. A. Robb V. Buss P. Hunt J. Phys. Chem. A 2004 108 4685 4693
48. M. Boggio-Pasqua M. J. Bearpark P. A. Hunt M. A. Robb J. Am. Chem. Soc. 2002 124 1456 1470
49. A. Sanchez-Galvez P. Hunt M. A. Robb M. Olivucci T. Vreven H. B. Schlegel J. Am. Chem. Soc. 2000 122 2911 2924
50. H. J. Werner W. Meyer J. Chem. Phys. 1981 74 5794 5801
51. G. A. Worth M. A. Robb Adv. Chem. Phys. 2002 124 355 431
52. B. O. Roos Acc. Chem. Res. 1999 32 137 144
53. H. J. C. Berendsen Science 2001 271 954 955
54. F. Jensen, Introduction to Computational Chemistry, Wiley, New York, 2001
55. B. T. Thole Chem. Phys. 1981 59 341 350
56. G. Lamoureux B. Roux J. Chem. Phys. 2003 119 3025 3039
57. A. K. Rappe W. A. Goddard III J. Phys. Chem. 1991 95 3358 3363
58. W. F. van Gunsteren, S. R. Billeter, A. A. Eising, P. H. Hünenberger, P. Krüger, A. E. Mark, W. R. P. Scott and I. G. Tironi, Biomolecular Simulation: The GROMOS96 Manual and User Guide, Vdf Hochschulverlag, Zürich, 1996
59. Y. Duan C. Wu S. Chowdhury M. C. Lee G. M. Xiong W. Zhang R. Yang P. Cieplak R. Luo T. Lee J. Caldwell J. M. Wang P. Kollman J. Comput. Chem. 2003 24 1999 2012
60. W. L. Jorgensen J. Tirado-Rives J. Am. Chem. Soc. 1988 110 1657 1666
61. A. D. MacKerell D. Bashford M. Bellott R. L. Dunbrack J. D. Evanseck M. J. Field S. Fischer J. Gao H. Guo S. Ha D. Joseph-McCarthy L. Kuchnir K. Kuczera F. T. K. Lau C. Mattos S. Michnick T. Ngo D. T. Nguyen B. Prodhom W. E. Reiher B. Roux M. Schlenkrich J. C. Smith R. Stote J. Straub M. Watanabe J. Wiorkiewicz-Kuczera D. Yin M. Karplus J. Phys. Chem. B 1998 102 3586 3616
62. B. H. Besler K. M. Merz P. A. Kollman J. Comput. Chem. 1990 11 431 439
63. M. J. Field P. A. Bash M. Karplus J. Comput. Chem. 1990 11 700 733
64. P. Amara M. J. Field Theor. Chem. Acc. 2003 109 43 52
65. T. Wesolowski A. Warshel J. Phys. Chem. 1993 97 8050 8053
66. T. Wesolowski J. Weber Chem. Phys. Lett. 1996 248 71 76
67. T. Wesolowski R. Muller A. Warshel J. Phys. Chem. 1996 100 15444 15449
68. X. Assfeld J. L. Rivail Chem. Phys. Lett. 1996 263 100 106
69. D. M. Philipp R. A. Friesner J. Comput. Chem. 1999 20 1468 1494
70. J. L. Gao P. Amara C. Alhambra M. Field J. Phys. Chem. A 1998 102 4714 4721
71. R. M. Nicoll S. A. Hindle G. MacKenzie I. H. Hillier N. A. Burton Theor. Chem. Acc. 2001 106 105 112
72. A. Rodriguez C. Oliva M. Gonzalez M. van der Kamp A. J. Mulholland J. Phys. Chem. B 2007 111 12909 12915
73. J. M. Olsen K. Aidas J. Kongsted J. Chem. Theor. Comput. 2010 6 3721 3734
74. T. Schwabe J. M. H. Olsen K. Sneskov J. Kongsted O. Christiansen J. Chem. Theor. Comput. 2011 7 2209 2217
75. K. Sneskov T. Schwabe O. Christiansen J. Kongsted Phys. Chem. Chem. Phys. 2011 13 18551 18560
76. T. Rocha-Rinza K. Sneskov O. Christiansen U. Ryde J. Kongsted Phys. Chem. Chem. Phys. 2011 13 1585 1589
77. K. J. Hellingwerf J. Hendriks T. Gensch J. Phys. Chem. A 2003 107 1082 1094
78. W. Ryan D. Gordon D. Levy J. Am. Chem. Soc. 2002 124 6194 6201
79. M. de Groot W. Buma J. Phys. Chem. A 2005 109 6135 6136
80. S. Smolarek A. Vdovin D. L. Perrier J. P. Smit M. Drabbels W. J. Buma J. Am. Chem. Soc. 2010 132 6315 6317
81. C. Ko B. Levine A. Toniolo L. Manohar S. Olsen H. Werner T. Martínez J. Am. Chem. Soc. 2003 125 12710 12711
82. Q. Li W. Fang Chem. Phys. 2005 313 71 75
83. E. V. Gromov I. Burghardt J. T. Hynes H. Köppel L. S. Cederbaum J. Photochem. Photobiol., A 2007 190 241 257
84. T. Rocha-Rinza O. Christiansen J. Rajput A. Gopalan D. B. Rahbek L. H. Andersen A. V. Bochenkova A. A. Granovsky K. B. Bravaya A. V. Nemukhin K. L. Christiansen M. B. Nielsen J. Phys. Chem. A 2009 113 9442 9449
85. J. Rajput D. B. Rahbek G. Aravind L. H. Andersen Biophys. J. 2010 98 488 492
86. I. Nielsen S. Boye-Peronne M. El Ghazaly M. Kristensen S. Nielsen L. Andersen Biophys. J. 2005 89 2597 2604
87. L. Lammich J. Rajput L. H. Andersen Phys. Rev. E 2008 78 051916
88. D. Zuev K. B. Bravaya T. D. Crawford R. Lindh A. I. Krylov J. Chem. Phys. 2011 134 034310
89. A. M. Virshup C. Punwong T. V. Pogorelov B. A. Lindquist C. Ko T. J. Martínez J. Phys. Chem. B 2009 113 3280 3291
90. E. Fabiano G. Groenhof W. Thiel Chem. Phys. 2008 351 111 116
91. C. Ko A. M. Virshup T. J. Martínez Chem. Phys. Lett. 2008 460 272 277
92. M. Boggio-Pasqua M. A. Robb G. Groenhof J. Am. Chem. Soc. 2009 131 13580 13581
93. I. Lee W. Lee A. Zewail Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2006 103 258 262
94. A. Espagne D. H. Paik P. Changenet-Barret P. Plaza M. M. Martin A. H. Zewail Photochem. Photobiol. Sci. 2007 6 780 787
95. H. J. C. Berendsen J. R. Grigera T. P. Straatsma J. Phys. Chem. 1987 91 6269 6271
96. O. Weingart Chem. Phys. 2008 349 348 355
97. O. Weingart P. Altoe M. Stenta A. Bottoni G. Orlandi M. Garavelli Phys. Chem. Chem. Phys. 2011 13 3645 3648
98. I. Schapiro M. N. Ryazantsev L. Manuel Frutos N. Ferre R. Lindh M. Olivucci J. Am. Chem. Soc. 2011 133 3354 3364
99. R. C. Haddon L. T. Scott Pure Appl. Chem. 1986 58 137 142
100. D. Larsen M. Vengris I. van Stokkum M. van der Horst F. de Weerd K. Hellingwerf R. van Grondelle Biophys. J. 2004 86 2538 2550
101. M. Vengris M. van der Horst G. Zgrablic I. van Stokkum S. Haacke M. Chergui K. Hellingwerf R. van Grondelle D. Larsen Biophys. J. 2004 87 1848 1857
102. M. Vengris D. Larsen M. van der Horst O. Larsen K. Hellingwerf R. van Grondelle J. Phys. Chem. B 2005 109 4197 4208
103. G. Groenhof L. V. Schaefer M. Boggio-Pasqua H. Grubmueller M. A. Robb J. Am. Chem. Soc. 2008 130 3250 3251
104. M. Baca G. E. O. Borgstahl M. Boissinot P. M. Burke D. R. Williams K. A. Slater E. D. Getzoff Biochemistry 1994 33 14369 14377
105. E. V. Gromov I. Burghardt H. Koeppel L. S. Cederbaum J. Am. Chem. Soc. 2007 129 6798 6806
106. P. B. Coto D. Roca-Sanjuan L. Serrano-Andres A. Martin-Pendas S. Marti J. Andres J. Chem. Theor. Comput. 2009 5 3032 3038
107. K. Heyne O. F. Mohammed A. Usman J. Dreyer E. T. J. Nibbering M. A. Cusanovich J. Am. Chem. Soc. 2005 127 18100 18106
108. L. J. G. W. van Wilderen M. A. van der Horst I. H. M. van Stokkum K. J. Hellingwerf R. van Grondelle M. L. Groot Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2006 103 15050 15055
109. H. Ihee S. Rajagopal V. Srajer R. Pahl S. Anderson M. Schmidt F. Schotte P. A. Anfinrud M. Wulff K. Moffat Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2005 102 7145 7150
110. A. Yamada T. Ishikura T. Yamato Proteins 2004 55 1063 1069
111. N. Shimizu H. Kamikubo Y. Yamazaki Y. Imamoto M. Kataoka Biochemistry 2006 45 3542 3547
112. P. Changenet-Barret P. Plaza M. M. Martin H. Chosrowjan S. Taniguchi N. Mataga Y. Imamoto M. Kataoka Chem. Phys. Lett. 2007 434 320 325
113. K. Takeshita Y. Imamoto M. Kataoka K. Mihara F. Tokunaga M. Terazima Biophys. J. 2002 83 1567 1577
114. R. Cordfunke R. Kort A. Pierik B. Gobets G. J. Koomen J. W. Verhoeven K. J. Hellingwerf Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1998 95 7396 7401
115. A. H. Xie W. D. Hoff A. R. Kroon K. J. Hellingwerf Biochemistry 1996 35 14671 14678
116. J. Hendriks W. D. Hoff W. Crielaard K. J. Hellingwerf J. Biol. Chem. 1999 274 17655 17660
117. M. Yoda Y. Inoue M. Sakurai J. Phys. Chem. B 2003 107 14569 14575
118. M. Kamiya S. Saito I. Ohmine J. Phys. Chem. B 2007 111 2948 2956
119. J. Vreede W. Crielaard K. Hellingwerf P. Bolhuis Biophys. J. 2005 88 3525 3535
120. J. Vreede J. Juraszek P. G. Bolhuis Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2010 107 2397 2402
121. E. J. M. Leenders L. Guidoni U. Roethlisberger J. Vreede P. G. Bolhuis E. J. Meijer J. Phys. Chem. B 2007 111 3765 3773
122. P. L. Ramachandran J. E. Lovett P. J. Carl M. Cammarata J. H. Lee Y. O. Jung H. Ihee C. R. Timmel J. J. van Thor J. Am. Chem. Soc. 2011 133 9395 9404
123. D. S. Larsen I. H. M. van Stokkum M. Vengris M. A. van der Horst F. L. de Weerd K. J. Hellingwerf R. van Grondelle Biophys. J. 2004 87 1858 1872
124. R. Kort K. J. Hellingwerf R. B. G. Ravelli J. Biol. Chem. 2004 279 26417 26424
125. N. Mataga H. Chosrowjan Y. Shibata Y. Imamoto F. Tokunaga J. Phys. Chem. B 2000 104 5191 5199
126. N. Mataga H. Chosrowjan S. Taniguchi J. Photochem. Photobiol., C 2004 5 155 168
127. V. Molina M. Merchan Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2001 98 4299 4304
128. E. V. Gromov I. Burghardt H. Koeppel L. S. Cederbaum J. Phys. Chem. A 2011 115 9237 9248
129. S. Anderson S. Crosson K. Moffat Acta Crystallogr., Sect. D: Biol. Crystallogr. 2004 60 1008 1016
130. S. Z. Fisher S. Anderson R. Henning K. Moffat P. Langan P. Thiyagarajan A. J. Schultz Acta Crystallogr., Sect. D: Biol. Crystallogr. 2007 63 1178 1184
131. S. Yamaguchi H. Kamikubo K. Kurihara R. Kuroki N. Niimura N. Shimizu Y. Yamazaki M. Kataoka Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2009 106 440 444
132. C. Hattig F. Weigend J. Chem. Phys. 2000 113 5154 5161
133. E. V. Gromov I. Burghardt H. Koeppel L. S. Cederbaum J. Photochem. Photobiol., A 2012 234 123 134
134. T. Wesolowski J. Chem. Phys. 1997 106 8516 8526
135. P. A. Sigala M. A. Tsuchida D. Herschlag Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2009 106 9232 9237
136. W. W. Cleland M. M. Kreevoy Science 1994 264 1887 1890
137. A. Warshel A. Papazyan Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1996 93 13665 13670
138. C. Schutz A. Warshel Proteins 2004 55 711 723
139. K. Saito H. Ishikita Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2012 109 167 172
140. A. Warshel R. Weiss J. Am. Chem. Soc. 1980 102 6218 6226
141. S. Braun-Sand P. K. Sharma Z. T. Chu A. V. Pisliakov A. Warshel Biochim. Biophys. Acta, Bioenerg. 2008 1777 441 452
142. A. D. Stahl M. Hospes K. Singhal I. van Stokkum R. van Grondelle M. L. Groot K. J. Hellingwerf Biophys. J. 2011 101 1184 1192
143. W. R. Browne B. L. Feringa Nat. Nanotechnol. 2006 1 25 35