Strikingly different effects of hydrogen bonding on the photodynamics of individual nucleobases in DNA: Comparison of guanine and cytosine

Journal of the American Chemical Society

Volumn 134, Issue 33, 2012, Pages 13662-13669

  Zelený, Tomáš ^a   Ruckenbauer, Matthias ^b,g   Aquino, Adelia J A ^b,c,d   Müller, Thomas ^e   Lankaš, Filip ^f   Dršata, Tomáš ^f   Hase, William L ^c   Nachtigallova, Dana ^f   Lischka, Hans ^b,c  

^a PALACKÝ UNIVERSITY   (Czech Republic)

^b UNIVERSITY OF VIENNA   (Austria)

^c TEXAS TECH UNIVERSITY   (United States)

^d UNIVERSITY OF NATURAL RESOURCES AND LIFE SCIENCES   (Austria)

^e FORSCHUNGSZENTRUM JÜLICH   (Germany)

^f INSTITUTE OF ORGANIC CHEMISTRY AND BIOCHEMISTRY   (Czech Republic)

^g GOETHE UNIVERSITY   (Germany)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

BIOINFORMATICS; CALCULATIONS; DECAY (ORGANIC); DNA; EXCITED STATES; GROUND STATE; POSITIVE IONS; QUANTUM THEORY;

DIFFERENT EFFECTS; ELECTRONIC INTERACTIONS; OUT-OF-PLANE MOTION; PHOTOPHYSICAL BEHAVIOR; QUANTUM MECHANICAL; SIMULATION TIME; SURFACE HOPPING; ULTRAFAST DECAY;

HYDROGEN BONDS;

CYTOSINE; GUANINE; NUCLEIC ACID BASE;

ARTICLE; DNA STRUCTURE; GAS; HYDROGEN BOND; MOLECULAR DYNAMICS; MOLECULAR INTERACTION; MOLECULAR MECHANICS; MOTION; PHOTODYNAMICS; QUANTUM MECHANICS; SIMULATION;

EID: 84865427428     PISSN: 00027863     EISSN: 15205126     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/ja3028845     Document Type: Article

References (96)

1. Canuel, C.; Mons, M.; Piuzzi, F.; Tardivel, B.; Dimicoli, I.; Elhanine, M. J. Chem. Phys. 2005, 122, 074316
2. Kang, H.; Lee, K. T.; Jung, B.; Ko, Y. J.; Kim, S. K. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 12958
3. Kang, H.; Jung, B.; Kim, S. K. J. Chem. Phys. 2003, 118, 6717
4. Crespo-Hernandez, C. E.; Cohen, B.; Hare, P. M.; Kohler, B. Chem. Rev. 2004, 104, 1977
5. Ullrich, S.; Schultz, T.; Zgierski, M. Z.; Stollow, A. Phys. Chem. Chem. Phys. 2004, 6, 2796
6. Saigusa, H. J. Photochem. Photobiol., C 2006, 7, 197
7. Blancafort, L. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 210
8. Chen, H.; Lis, S. J. Phys. Chem. A. 2005, 109, 8443
9. Chung, W. C.; Lan, Z. G.; Ohtsuki, Y.; Shimakura, N.; Domcke, W.; Fujimura, Y. Phys. Chem. Chem. Phys. 2007, 9, 2075
10. Perun, S.; Sobolewski, A. L.; Domcke, W. J. Phys. Chem. A 2006, 110, 13238
11. Gustavsson, T.; Banyasz, A.; Lazzarotto, E.; Markovitsi, D.; Scalmani, G.; Frisch, M. J.; Barone, V.; Improta, R. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 607
12. Barbatti, M.; Aquino, A. J. A.; Szymczak, J. J.; Nachtigallova, D.; Hobza, P.; Lischka, H. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2010, 107, 21453
13. Marian, C. M. J. Phys. Chem. A 2007, 111, 1545
14. Matsika, S. J. Phys. Chem. A. 2004, 108, 7584
15. Ismail, N.; Blancafort, L.; Olivucci, M.; Kohler, B.; Robb, M. A. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 6818
16. Zgierski, M. Z.; Patchkovskii, S.; Fujiwara, T.; Lim, E. C. J. Phys. Chem. A. 2005, 109, 9384
17. Serrano-Andres, L.; Merchan, M.; Borin, A. C. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2006, 103, 8691
18. Lan, Z. G.; Lu, Y.; Fabiano, E.; Thiel, W. ChemPhysChem 2011, 12, 1989
19. Crespo-Hernandez, C. E.; Cohen, B.; Kohler, B. Nature 2005, 436, 1141
20. Crespo-Hernandez, C. E.; Kohler, B. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 11182
21. Markovitsi, D.; Gustavsson, T.; Talbot, F. Photochem. Photobiol. Sci. 2007, 6, 717
22. Miannay, F.-A.; Bányász, á.; Gustavsson, T.; Markovitsi, D. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 14574
23. Onidas, D.; Gustavsson, T.; Lazzarotto, E.; Markovitsi, D. J. Phys. Chem. B 2007, 111, 9644
24. Bouvier, B.; Dognon, J. P.; Lavery, R.; Markovitsi, D.; Millie, P.; Onidas, D.; Zakrzewska, K. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 13512
25. Kononov, A. I.; Bakulev, V. M.; Rapoport, V. L. J. Photochem. Photobiol., B 1993, 19, 139
26. Plessow, R.; Brockhinke, A.; Eimer, W.; Kohse-Hoinghaus J. Phys. Chem. B 2000, 104, 3695
27. Ge, G.; Georghiou, S. Photochem. Photobiol. 1991, 54, 301
28. Abo-Riziq, A.; Grace, L.; Nir, E.; Kabelac, M.; Hobza, P.; de Vries, M. S. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2005, 102, 20
29. Emanuele, E.; Zakrzewska, K.; Markovitsi, D.; Lavery, R.; Millie, P. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 16109
30. Onidas, D.; Gustavsson, T.; Lazzarotto, E.; Markovitsi, D. Phys. Chem. Chem. Phys. 2007, 9, 5143
31. Takaya, T.; Su, C.; de La Harpe, K.; Crespo-Hernandez, C. E.; Kohler, B. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2008, 105, 10285
32. Middleton, C. T.; de La Harpe, K.; Su, C.; Law, Y. K.; Crespo-Hernandez, C. E.; Kohler, B. Annu. Rev. Phys. Chem. 2009, 60, 217
33. Buchvarov, I.; Wang, Q.; Raytchev, M.; Trifonov, A.; Fiebig, T. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2007, 104, 4794
34. Markovitsi, D.; Sharonov, A.; Onidas, D.; Gustavsson, T. ChemPhysChem 2003, 4, 303
35. Markovitsi, D.; Gustavsson, T.; Vaya, I. J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 3271
36. Kohler, B. J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 2047
37. Kwok, W. M.; Ma, C. S.; Phillips, D. L. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 11894
38. Schwalb, N. K.; Temps, F. Science 2008, 322, 243
39. Santoro, F.; Barone, V.; Improta, R. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 15232
40. Lange, A. W.; Herbert, J. M. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 3913
41. Roca-Sanjuan, D.; Olaso-Gonzalez, G.; Gonzalez-Ramirez, I.; Serrano-Andres, L.; Merchan, M. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 10768
42. Schultz, T.; Samoylova, E.; Radloff, W.; Hertel, I. V.; Sobolewski, A. L.; Domcke, W. Science 2004, 306, 1765
43. Sobolewski, A. L.; Domcke, W.; Hattig, C. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2005, 102, 17903
44. Improta, R. Phys. Chem. Chem. Phys. 2008, 10, 2656
45. Santoro, F.; Barone, V.; Lami, A.; Improta, R. Phys. Chem. Chem. Phys. 2010, 12, 4934
46. Hu, L. H.; Zhao, Y.; Wang, F.; Chen, G. H.; Ma, C. S.; Kwok, W. M.; Phillips, D. L. J. Phys. Chem. B 2007, 111, 11812
47. Starikov, E. B.; Cuniberti, G.; Tanaka, S. J. Phys. Chem. B 2009, 113, 10428
48. Conti, I.; Altoe, P.; Stenta, M.; Garavelli, M.; Orlandi, G. Phys. Chem. Chem. Phys. 2010, 12, 5016
49. Sobolewski, A. L.; Domcke, W. Phys. Chem. Chem. Phys. 2004, 6, 2763
50. Groenhof, G.; Schafer, L. V.; Boggio-Pasqua, M.; Goette, M.; Grubmuller, H.; Robb, M. A. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 6812
51. Tonzani, S.; Schatz, G. C. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 7607
52. Bittner, E. R. J. Photochem. Photobiol., A 2007, 190, 328
53. Bouvier, B.; Gustavsson, T.; Markovitsi, D.; Millie, P. Chem. Phys. 2002, 275, 75
54. Lu, Y.; Lan, Z. G.; Thiel, W. Angew. Chem., Int. Ed. 2011, 50, 6864
55. Alexandrova, A. N.; Tully, J. C.; Granucci, G. J. Phys. Chem. B 2010, 114, 12116
56. Markwick, P. R. L.; Doltsinis, N. L. J. Chem. Phys. 2007, 126, 175102.
57. Nachtigallova, D.; Zeleny, T.; Ruckenbauer, M.; Muller, T.; Barbatti, M.; Hobza, P.; Lischka, H. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 8261
58. Zeleny, T.; Hobza, P.; Nachtigallova, D.; Ruckenbauer, M.; Lischka, H. Collect. Czech. Chem. Commun. 2011, 76, 631
59. Barbatti, M.; Lischka, H. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 6831
60. Fabiano, E.; Thiel, W. J. Phys. Chem. A 2008, 112, 6859
61. Ruckenbauer, M.; Barbatti, M.; Muller, T.; Lischka, H. J. Phys. Chem. A 2010, 114, 6757
62. Barbatti, M.; Granucci, G.; Lischka, H.; Ruckenbauer, M.; Persico, M. NEWTON-X: A Package for Newtonian Dynamics Close to the Crossing Seam; 0.14b ed., 2007; www.univie.ac.at/newtonx.
63. Barbatti, M.; Granucci, G.; Persico, M.; Ruckenbauer, M.; Vazdar, M.; Eckert-Maksic, M.; Lischka, H. J. Photochem. Photobiol., A 2007, 190, 228
64. Barbatti, M.; Aquino, A. J. A.; Szymczak, J. J.; Nachtigallova, D.; Lischka, H. Phys. Chem. Chem. Phys. 2010, 13, 6145
65. Barbatti, M.; Szymczak, J. J.; Aquino, A. J. A.; Nachtigallova, D.; Lischka, H. J. Chem. Phys. 2011, 134, 014304
66. Shepard, R.; In Modern Electronic Structure Theory, Yarkony, D. R., ed.; World Scientific: Singapore, 1995, 345.
67. Shepard, R.; Lischka, H.; Szalay, P. G.; Kovar, T.; Ernzerhof, M. J. Chem. Phys. 1992, 96, 2085
68. Lischka, H.; Dallos, M.; Szalay, P. G.; Yarkony, D. R.; Shepard, R. J. Chem. Phys. 2004, 120, 7322
69. Dallos, M.; Lischka, H.; Shepard, R.; Yarkony, D. R.; Szalay, P. G. J. Chem. Phys. 2004, 120, 7330
70. Hariharan, P. C.; Pople, J. A. Theor. Chim. Acta 1973, 28, 213
71. Hehre, W. J.; Ditchfield, R.; Pople, J. A. J. Chem. Phys. 1972, 56, 2257
72. Cornell, W. D.; Cieplak, P.; Bayly, C. I.; Gould, I. R.; Merz, K. M.; Ferguson, D. M.; Spellmeyer, D. C.; Fox, T.; Caldwell, J. W.; Kollman, P. A. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 5179
73. Wang, J. M.; Cieplak, P.; Kollman, P. A. J. Comput. Chem. 2000, 21, 1049
74. Tully, J. C. J. Chem. Phys. 1990, 93, 1061
75. Cremer, D.; Pople, J. A. J. Am. Chem. Soc. 1975, 97, 1354
76. Boeyens, J. C. A. J. Chem. Crystallogr. 1978, 8, 317
77. Lischka, H.; Shepard, R.; Brown, F. B.; Shavitt, I. Int. J. Quantum Chem. 1981, S15, 91
78. Lischka, H.; Shepard, R.; Pitzer, R. M.; Shavitt, I.; Dallos, M.; Muller, T.; Szalay, P. G.; Seth, M.; Kedziora, G. S.; Yabushita, S.; Zhang, Z. Y. Phys. Chem. Chem. Phys. 2001, 3, 664
79. Lischka, H.; Shepard, R.; Shavitt, I.; Pitzer, R. M.; Dallos, M.; Mueller, T.; Szalay, P. G.; Brown, F. B.; Ahlrichs, R.; Boehm, J. G.; Chang, A.; Comeau, D. C.; Gdanitz, R.; Dachsel, H.; Ehrhardt, C.; Ernzerhof, M.; Hoechtl, P.; Irle, S.; Kedziora, G.; Kovar, T.; Parasuk, V.; Pepper, M. J. M.; Scharf, P.; Schiffer, H.; Schindler, M.; Schueler, M.; Seth, M.; Stahlberg, E. A.; Zhao, J.-G.; Yabushita, S.; Zhang, C. L.; Barbatti, M.; Matsika, S.; Schuurmann, M.; Yarkony, D. R.; Brozell, S. R.; Beck, E. V.; Blaudeau, J.-P.; Ruckenbauer, M.; Sellner, B.; Plasser, F.; Szymczak, J. J. COLUMBUS, An ab Initio Electronic Structure Program; release 5.9.2, 2008; www.univie.ac.at/columbus.
80. Kosma, K.; Schroter, C.; Samoylova, E.; Hertel, I. V.; Schultz, T. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 16939
81. Blancafort, L.; Cohen, B.; Hare, P. M.; Kohler, B.; Robb, M. A. J. Phys. Chem. A 2005, 109, 4431
82. Zgierski, M. Z.; Fujiwara, T.; Lim, E. C. Chem. Phys. Lett. 2008, 463, 289
83. Tomic, K.; Tatchen, J.; Marian, C. M. J. Phys. Chem. A 2005, 109, 8410
84. Merchan, M.; Gonzalez-Luque, R.; Climent, T.; Serrano-Andres, L.; Rodriuguez, E.; Reguero, M.; Pelaez, D. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 26471
85. Merchan, M.; Serrano-Andres, L. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 8108
86. Kistler, K. A.; Matsika, S. J. Chem. Phys. 2008, 128, 215102
87. Kistler, K. A.; Matsika, S. J. Phys. Chem. A 2007, 111, 2650
88. Blancafort, L.; Robb, M. A. J. Phys. Chem. A 2004, 108, 10609
89. Blancafort, L. Photochem. Photobiol. 2007, 83, 603
90. Lan, Z. G.; Fabiano, E.; Thiel, W. J. Phys. Chem. B 2009, 113, 3548
91. Hudock, H. R.; Martinez, T. J. ChemPhysChem 2008, 9, 2486
92. Serrano-Andres, L.; Merchan, M.; Borin, A. C. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 2473
93. Lan, Z. G.; Fabiano, E.; Thiel, W. ChemPhysChem 2009, 10, 1225
94. Yamazaki, S.; Domcke, W.; Sobolewski, A. L. J. Phys. Chem. A 2008, 112, 11965
95. Chen, H.; Li, S. H. J. Chem. Phys. 2006, 124, 154315.
96. Gonzalez-Vazquez, J.; Gonzalez, L. ChemPhysChem 2010, 11, 3617