Efficient methods for the quantum chemical treatment of protein structures: The effects of London-dispersion and basis-set incompleteness on peptide and water-cluster geometries

Journal of Chemical Theory and Computation

Volumn 9, Issue 7, 2013, Pages 3240-3251

  Goerigk, Lars ^a   Reimers, Jeffrey R ^a  

^a UNIVERSITY OF SYDNEY   (Australia)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

EID: 84880028699     PISSN: 15499618     EISSN: 15499626     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/ct400321m     Document Type: Article

References (129)

1. Lahti, J. L.; Tang, G. W.; Capriotti, E.; Liu, T. Y.; Altman, R. B. J. R. Soc. Interface 2012, 9, 1409-1437
2. Nugent, T.; Jones, D. T. J. Struct. Biol. 2012, 179, 327-337
3. Audie, J.; Swanson, J. Chem. Biol. Drug Des. 2013, 81, 50-60
4. Du, Q. S.; Huang, R. B.; Chou, K. C. Curr. Protein Pept. Sci. 2008, 9, 248-259
5. Concu, R.; Podda, G.; Ubeira, F. M.; Gonzalez-Diaz, H. Curr. Pharm. Des. 2010, 16, 2710-2723
6. Avila, L.; L., C. Curr. Protein Pept. Sci. 2011, 12, 221-234
7. Falklöf, O.; Collyer, C. A.; Reimers, J. R. Theor. Chem. Acc. 2012, 131, 1076-1091
8. Schmid, N.; Eichenberger, A.; Choutko, A.; Riniker, S.; Winger, M.; Mark, A.; van Gunsteren, W. Eur. Biophys. J. 2011, 40, 843-856
9. Zhu, X.; Lopes, P. E. M.; MacKerell, A. D. Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci. 2012, 2, 167-185
10. Ryde, U.; Nilsson, K. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 14232-14233
11. Ryde, U.; Nilsson, K. J. Mol. Struc.-Theochem 2003, 632, 259-275
12. Ryde, U. Dalton Trans. 2007, 607-625
13. Genheden, S.; Ryde, U. J. Comput. Chem. 2011, 32, 187-195
14. Hsiao, Y. W.; Sanchez-Garcia, E.; Doerr, M.; Thiel, W. J. Phys. Chem. B 2010, 114, 15413-15423
15. Yu, N.; Hayik, S. A.; Wang, B.; Liao, N.; Reynolds, C. H.; Merz, K. M., Jr. J. Chem. Theory Comput. 2006, 2, 1057-1069
16. Li, X.; Hayik, S. A.; Merz, K. M. J. Inorg. Biochem. 2010, 104, 512-522
17. Altun, A.; Shaik, S.; Thiel, W. J. Comput. Chem. 2006, 27, 1324-1337
18. Hsiao, Y. W.; Thiel, W. J. Phys. Chem. B 2011, 115, 2097-2106
19. Sanchez-Garcia, E.; Doerr, M.; Thiel, W. J. Comput. Chem. 2010, 31, 1603-1612
20. Schoneboom, J. C.; Lin, H.; Reuter, N.; Thiel, W.; Cohen, S.; Ogliaro, F.; Shaik, S. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 8142-8151
21. Sun, Q.; Li, Z.; Lan, Z. G.; Pfisterer, C.; Doerr, M.; Fischer, S.; Smith, S. C.; Thiel, W. Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 11413-11424
22. Canfield, P.; Dahlbom, M. G.; Reimers, J. R.; Hush, N. S. J. Chem. Phys. 2006, 124, 024301
23. Goerigk, L.; Falklöf, O.; Collyer, C. A.; Reimers Jeffrey, R. In Quantum Simulations of Materials and Biological Systems; Zeng, J.; Zhang, R.-Q.; Treutlein, H. R., Eds.; Springer: Dordrecht, 2012; pp 87-120.
24. Kulik, H. J.; Luehr, N.; Ufimtsev, I. S.; Martinez, T. J. J. Phys. Chem. B 2012, 116, 12501-12509
25. Kohn, W.; Sham, L. J. Phys. Rev. 1965, 140, 1133-1138
26. White, C. A.; Johnson, B. G.; Gill, P. M. W.; Head-Gordon, M. Chem. Phys. Lett. 1996, 253, 268-278
27. Lee, T. S.; Lewis, J. P.; Yang, W. Comput. Mater. Sci. 1998, 12, 259-277
28. Wada, M.; Sakurai, M. J. Comput. Chem. 2005, 26, 160-168
29. Fedorov, D. G.; Alexeev, Y.; Kitaura, K. J. Phys. Chem. Lett. 2010, 2, 282-288
30. Fedorov, D. G.; Ishida, T.; Uebayasi, M.; Kitaura, K. J. Phys. Chem. A 2007, 111, 2722-2732
31. Fedorov, D. G.; Kitaura, K. J. Phys. Chem. A 2007, 111, 6904-6914
32. Nagata, T.; Brorsen, K.; Fedorov, D. G.; Kitaura, K.; Gordon, M. S. J. Chem. Phys. 2011, 134, 124115
33. Nagata, T.; Fedorov, D. G.; Sawada, T.; Kitaura, K.; Gordon, M. S. J. Chem. Phys. 2011, 134, 034110
34. Ohta, K.; Yoshioka, Y.; Morokuma, K.; Kitaura, K. Chem. Phys. Lett. 1983, 101, 12-17
35. Gale, J. D. In Computational Methods for Large Systems: Electronic Structure Approaches for Biotechnology and Nanotechnology; Reimers, J. R., Ed.; Wiley: Hoboken, NJ, 2011; pp 45-74
36. Mayhall, N. J.; Raghavachari, K. J. Chem. Theory Comput. 2010, 7, 1336-1343
37. He, X.; Merz, K. M. J. Chem. Theory Comput. 2010, 6, 405-411
38. Kussmann, J.; Beer, M.; Ochsenfeld, C. Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci. 2013, 10.1002/wcms.1138
39. Pruitt, S. R.; Steinmann, C.; Jensen, J. H.; Gordon, M. S. J. Chem. Theory Comput. 2013, 9, 2235-2249
40. Kristyán, S.; Pulay, P. Chem. Phys. Lett. 1994, 229, 175-180
41. Hobza, P.; Šponer, J.; Reschel, T. J. Comput. Chem. 1995, 16, 1315-1325
42. Šponer, J.; Leszczynski, J.; Hobza, P. J. Comput. Chem. 1996, 17, 841-850
43. Kolar, M.; Kubar, T.; Hobza, P. J. Phys. Chem. B 2011, 115, 8038-8046
44. Tkatchenko, A.; Rossi, M.; Blum, V.; Ireta, J.; Scheffler, M. Phys. Rev. Lett. 2011, 106, 118102
45. Antony, J.; Grimme, S. Phys. Chem. Chem. Phys. 2006, 8, 5287-5293
46. Antony, J.; Grimme, S. J. Comput. Chem. 2012, 33, 1730-1739
47. Antony, J.; Grimme, S.; Liakos, D. G.; Neese, F. J. Phys. Chem. A 2011, 115, 11210-11220
48. Grimme, S. J. Comput. Chem. 2006, 27, 1787-1799
49. Grimme, S. J. Comput. Chem. 2004, 25, 1463-1473
50. Grimme, S.; Antony, J.; Schwabe, T.; Muck-Lichtenfeld, C. Org. Biomol. Chem. 2007, 5, 741-758
51. Schwabe, T.; Grimme, S. Phys. Chem. Chem. Phys. 2007, 9, 3397-3406
52. Waller, M. P.; Kruse, H.; Muck-Lichtenfeld, C.; Grimme, S. Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 3119-3128
53. Grimme, S. Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci. 2011, 1, 211-228
54. Grimme, S.; Antony, J.; Ehrlich, S.; Krieg, H. J. Chem. Phys. 2010, 132, 154104
55. Grimme, S.; Ehrlich, S.; Goerigk, L. J. Comput. Chem. 2011, 32, 1456-1465
56. Goerigk, L.; Kruse, H.; Grimme, S. ChemPhysChem 2011, 12, 3421-3433
57. Goerigk, L.; Grimme, S. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 6670-6688
58. Grimme, S.; Schreiner, P. R. Angew. Chem., Int. Ed. 2011, 50, 12639-12642
59. Hujo, W.; Grimme, S. J. Chem. Theory Comput. 2012, 9, 308-315
60. Roskop, L.; Fedorov, D. G.; Gordon, M. S. Mol. Phys. 2013, 10.1080/00268976.2013.780102
61. Kestner, N. R. J. Chem. Phys. 1968, 48, 252
62. Jansen, H. B.; Ros, P. Chem. Phys. Lett. 1969, 3, 140-143
63. Liu, B.; McLean, A. D. J. Chem. Phys. 1973, 59, 4557-4558
64. van Duijneveldt, F. B.; van Duijneveldt-van de Rijdt, J. G. C. M.; van Lenthe, J. H. Chem. Rev. 1994, 94, 1873-1885
65. Kruse, H.; Grimme, S. J. Chem. Phys. 2012, 136, 154101
66. Boys, S. F.; Bernardi, F. Mol. Phys. 1970, 19, 553-566
67. Mayer, I.; Turi, L. J. Mol. Struc.-Theochem 1991, 73, 43-65
68. Cook, D. B.; Sordo, J. A.; Sordo, T. L. Int. J. Quantum Chem. 1993, 48, 375-384
69. Gutowski, M.; Chalasinski, G. J. Chem. Phys. 1993, 98, 5540-5554
70. Wieczorek, R.; Haskamp, L.; Dannenberg, J. J. J. Phys. Chem. A 2004, 108, 6713-6723
71. Mayer, I. Int. J. Quantum Chem. 1983, 23, 341-363
72. Asturiol, D.; Duran, M.; Salvador, P. J. Chem. Phys. 2008, 128, 144108
73. Balabin, R. M. J. Chem. Phys. 2010, 132, 231101
74. Jensen, F. J. Chem. Theory Comput. 2010, 6, 100-106
75. Deng, J.; Gilbert, A. T. B.; Gill, P. M. W. J. Chem. Phys. 2011, 135, 081105
76. Holroyd, L. F.; van Mourik, T. Chem. Phys. Lett. 2007, 442, 42-46
77. van Mourik, T.; Karamertzanis, P. G.; Price, S. L. J. Phys. Chem. A 2006, 110, 8-12
78. Valdes, H.; Klusak, V.; Pitonak, M.; Exner, O.; Stary, I.; Hobza, P.; Rulisek, L. J. Comput. Chem. 2008, 29, 861-870
79. Kruse, H.; Goerigk, L.; Grimme, S. J. Org. Chem. 2012, 77, 10824-10834
80. Sure, R.; Grimme, S. J. Comput. Chem. 2013, 10.1002/jcc.23317
81. Moreno, J. R. A.; Moreno, M. D. Q.; Urena, F. P.; Gonzalez, J. J. L. Tetrahedron: Asymmetry 2012, 23, 1084-1092
82. Bohórquez, H. J.; Cárdenas, C.; Matta, C. F.; Boyd, R. J.; Patarroyo, M. E. In Quantum Biochemistry; Matta, C. F., Ed.; Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA: Weinheim, Germany, 2010; pp 403-421
83. Wilke, J. J.; Lind, M. C.; Schaefer, H. F.; Csaszar, A. G.; Allen, W. D. J. Chem. Theory Comput. 2009, 5, 1511-1523
84. Cerny, J.; Jurecka, P.; Hobza, P.; Valdes, H. J. Phys. Chem. A 2007, 111, 1146-1154
85. Gloaguen, E.; Valdes, H.; Pagliarulo, F.; Pollet, R.; Tardivel, B.; Hobza, P.; Piuzzi, F.; Mons, M. J. Phys. Chem. A 2010, 114, 2973-2982
86. Reha, D.; Valdes, H.; Vondrasek, J.; Hobza, P.; Abu-Riziq, A.; Crews, B.; de Vries, M. S. Chem.-Eur. J. 2005, 11, 6803-6817
87. Valdes, H.; Pluhackova, K.; Hobza, P. J. Chem. Theory Comput. 2009, 5, 2248-2256
88. Valdes, H.; Reha, D.; Hobza, P. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 6385-6396
89. Valdes, H.; Spiwok, V.; Rezac, J.; Reha, D.; Abo-Riziq, A. G.; de Vries, M. S.; Hobza, P. Chem.-Eur. J. 2008, 14, 4886-4898
90. Toroz, D.; van Mourik, T. Mol. Phys. 2006, 104, 559-570
91. Goerigk, L.; Karton, A.; Martin, J. M. L.; Radom, L. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 7028-7031
92. Valdes, H.; Pluhackova, K.; Pitonak, M.; Rezac, J.; Hobza, P. Phys. Chem. Chem. Phys. 2008, 10, 2747-2757
93. Perez, C.; Muckle, M. T.; Zaleski, D. P.; Seifert, N. A.; Temelso, B.; Shields, G. C.; Kisiel, Z.; Pate, B. H. Science 2012, 336, 897-901
94. Kendall, R. A.; Dunning, T. H.; Harrison, R. J. J. Chem. Phys. 1992, 96, 6796-6806
95. Halkier, A.; Koch, H.; Jorgensen, P.; Christiansen, O.; Beck Nielsen, I. M.; Helgaker, T. Theor. Chem. Acc. 1997, 97, 150-157
96. Jurecka, P.; Cerny, J.; Hobza, P.; Salahub, D. J. Comput. Chem. 2007, 28, 555-569
97. Goerigk, L.; Grimme, S. J. Chem. Theory Comput. 2010, 6, 107-126
98. Goerigk, L.; Grimme, S. J. Chem. Theory Comput. 2011, 7, 291-309
99. Grimme, S. J. Chem. Phys. 2003, 118, 9095-9102
100. Grimme, S. J. Chem. Phys. 2006, 124, 034108
101. Neese, F.; Schwabe, T.; Grimme, S. J. Chem. Phys. 2007, 126, 124115
102. Rupp, B. Biomolecular Crystallography-Principles, Practice, and Application to Structural Biology; Garland Sciene: New York, 2010.
103. Gustus, E. L. J. Org. Chem. 1967, 32, 3425-3430
104. Takagi, T.; Okano, R.; Miyazawa, T. Biochim. Biophys. Acta 1973, 310, 11-19
105. Hill, R. R.; Ghadimi, M. J. Soc. Dyers Colour 1996, 112, 148-152
106. TURBOMOLE V6.4 2012, a development of University of Karlsruhe and Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, 1989-2007, TURBOMOLE GmbH, since 2007; available from http://www.turbomole.com (accessed May 23, 2013)
107. Ahlrichs, R.; Bar, M.; Haser, M.; Horn, H.; Kolmel, C. Chem. Phys. Lett. 1989, 162, 165-169
108. Weigend, F.; Haser, M. Theor. Chem. Acc. 1997, 97, 331
109. Becke, A. D. Phys. Rev. A 1988, 38, 3098-3100
110. Lee, C.; Yang, W.; Parr, R. G. Phys. Rev. B 1988, 37, 785-789
111. Perdew, J. P.; Wang, Y. Phys. Rev.B 1986, 33, 8800-8802
112. Perdew, J. P.; Burke, K.; Ernzerhof, M. Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 3865-3868
113. Tao, J. M.; Perdew, J. P.; Staroverov, V. N.; Scuseria, G. E. Phys. Rev. Lett. 2003, 91, 146401
114. Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648-5652
115. Stephens, P. J.; Devlin, F. J.; Chabalowski, C. F.; Frisch, M. J. J. Phys. Chem. 1994, 98, 11623-11627
116. Ernzerhof, M.; Scuseria, G. E. J. Chem. Phys. 1999, 110, 5029-5036
117. Adamo, C.; Barone, V. J. Chem. Phys. 1999, 110, 6158-6170
118. Zhao, Y.; Truhlar, D. G. J. Phys. Chem. A 2005, 109, 5656-5667
119. Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 1372-1377
120. Hehre, W. J.; Ditchfield, R.; Pople, J. A. J. Chem. Phys. 1972, 56, 2257-2261
121. Horn, H.; Ahlrichs, R. J. Chem. Phys. 1992, 97, 2571-2577
122. Tatewaki, H.; Huzinaga, S. J. Comput. Chem. 1980, 1, 205-228
123. EMSL basis-set exchange, https://bse.pnl.gov/bse/portal (accessed Apr. 18, 2013).
124. Eichkorn, K.; Treutler, O.; Ohm, H.; Haser, M.; Ahlrichs, R. Chem. Phys. Lett. 1995, 240, 283-289
125. Eichkorn, K.; Weigend, F.; Treutler, O.; Ahlrichs, R. Theor. Chem. Acc. 1997, 97, 119-124
126. Website of the Grimme group, http://www.thch.uni-bonn.de/tc/index.php? section=downloads&lang=english (accessed May 23, 2013).
127. Jensen, F. Introduction to Computational Chemistry, 2 nd ed.; John Wiley & Sons: New York, 2007.
128. Petersen, M. T. N.; Jonson, P. H.; Petersen, S. B. Protein Eng. 1999, 12, 535-548
129. Klamt, A.; Schuurmann, G. J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2 1993, 799-805