Convergence of QM/MM and cluster models for the spectroscopic properties of the oxygen-evolving complex in photosystem II

Journal of Chemical Theory and Computation

Volumn 9, Issue 8, 2013, Pages 3832-3842

  Retegan, Marius ^a   Neese, Frank ^a   Pantazis, Dimitrios A ^a  

^a MAX PLANCK INSTITUTE FOR CHEMICAL ENERGY CONVERSION   (Germany)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

EID: 84882302136     PISSN: 15499618     EISSN: 15499626     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/ct400477j     Document Type: Article

References (106)

1. Blankenship, R. E. Molecular Mechanisms of Photosynthesis; Blackwell: Oxford, 2001; p 321.
2. Photosystem II. The Light-Driven Water:Plastoquinone Oxidoreductase; Wydrzynski, T., Satoh, K., Eds.; Springer: Dordrecht, The Netherlands, 2005; Vol. 22
3. Messinger, J.; Alia, A.; Govindjee Photosynth. Res. 2009, 101/102, 89-266; 103-347; Special Issues: Basics and Applications of Biophysical Techniques in Photosynthesis and Related Processes-Parts A and B.
4. Messinger, J.; Renger, G. In Primary Processes of Photosynthesis, Part 2: Principles and Apparatus; The Royal Society of Chemistry: Cambridge, U. K., 2008; Vol. 9, pp 291-349.
5. McEvoy, J. P.; Brudvig, G. W. Chem. Rev. 2006, 106, 4455-4483
6. Cox, N.; Lubitz, W. In Chemical Energy Storage; Schlögl, R., Ed.; De Gruyter: Berlin, 2013; pp 185-224.
7. Cox, N.; Pantazis, D. A.; Neese, F.; Lubitz, W. Acc. Chem. Res. 2013, 46, 1588-1596
8. Neese, F.; Ames, W.; Christian, G.; Kampa, M.; Liakos, D. G.; Pantazis, D. A.; Roemelt, M.; Surawatanawong, P.; Ye, S. F. Adv. Inorg. Chem. 2010, 62, 301-349
9. Neese, F. Coord. Chem. Rev. 2009, 253, 526-563
10. Lubitz, W.; Reijerse, E. J.; Messinger, J. Energy Environ. Sci 2008, 1, 15-31
11. DeBeer, S.; van Gastel, M.; Bill, E.; Ye, S.; Petrenko, T.; Pantazis, D. A.; Neese, F. In Chemical Energy Storage; Schlögl, R., Ed.; De Gruyter: Berlin, 2013, p 353-377.
12. Dau, H.; Zaharieva, I. Acc. Chem. Res. 2009, 42, 1861-1870
13. Lin, H.; Truhlar, D. G. Theor. Chem. Acc. 2007, 117, 185-199
14. Senn, H. M.; Thiel, W. Angew. Chem., Int. Ed. 2009, 48, 1198-1229
15. Umena, Y.; Kawakami, K.; Shen, J.-R.; Kamiya, N. Nature 2011, 473, 55-60
16. Ferreira, K. N.; Iverson, T. M.; Maghlaoui, K.; Barber, J.; Iwata, S. Science 2004, 303, 1831-1838
17. Sproviero, E. M.; Gascon, J. A.; McEvoy, J. P.; Brudvig, G. W.; Batista, V. S. J. Chem. Theory Comput. 2006, 2, 1119-1134
18. Sproviero, E. M.; Gascon, J. A.; McEvoy, J. P.; Brudvig, G. W.; Batista, V. S. Curr. Opin. Struct. Biol. 2007, 17, 173-180
19. Sproviero, E. M.; Gascon, J. A.; McEvoy, J. P.; Brudvig, G. W.; Batista, V. S. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 6728-6730
20. Sproviero, E. M.; Gascon, J. A.; McEvoy, J. P.; Brudvig, G. W.; Batista, V. S. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 3428-3442
21. Sproviero, E. M.; Shinopoulos, K.; Gascon, J. A.; McEvoy, J. P.; Brudvig, G. W.; Batista, V. S. Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. B 2008, 363, 1149-1156
22. Sproviero, E. M.; Gascon, J. A.; McEvoy, J. P.; Brudvig, G. W.; Batista, V. S. Coord. Chem. Rev. 2008, 252, 395-415
23. Sproviero, E.; Newcomer, M.; Gascón, J.; Batista, E.; Brudvig, G.; Batista, V. Photosynth. Res. 2009, 102, 455-470
24. Siegbahn, P. E. M. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 18238-18239
25. Guskov, A.; Kern, J.; Gabdulkhakov, A.; Broser, M.; Zouni, A.; Saenger, W. Nat. Struct. Mol. Biol. 2009, 16, 334-342
26. Kawakami, K.; Umena, Y.; Kamiya, N.; Shen, J.-R. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2009, 106, 8567-8572
27. Luber, S.; Rivalta, I.; Umena, Y.; Kawakami, K.; Shen, J. R.; Kamiya, N.; Brudvig, G. W.; Batista, V. S. Biochemistry 2011, 50, 6308-6311
28. Siegbahn, P. E. M. Chem.-Eur. J. 2008, 14, 8290-8302
29. Siegbahn, P. E. M. ChemPhysChem 2011, 12, 3274-3280
30. Siegbahn, P. E. M. Inorg. Chem. 2008, 47, 1779-1786
31. Siegbahn, P. E. M. Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. B 2008, 363, 1221-1228
32. Siegbahn, P. E. M. Acc. Chem. Res. 2009, 42, 1871-1880
33. Siegbahn, P. E. M. J. Photochem. Photobiol., B 2011, 104, 94-99
34. Pantazis, D. A.; Orio, M.; Petrenko, T.; Zein, S.; Lubitz, W.; Messinger, J.; Neese, F. Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11, 6788-6798
35. Cox, N.; Rapatskiy, L.; Su, J.-H.; Pantazis, D. A.; Sugiura, M.; Kulik, L.; Dorlet, P.; Rutherford, A. W.; Neese, F.; Boussac, A.; Lubitz, W.; Messinger, J. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 3635-3648
36. Su, J.-H.; Cox, N.; Ames, W.; Pantazis, D. A.; Rapatskiy, L.; Lohmiller, T.; Kulik, L. V.; Dorlet, P.; Rutherford, A. W.; Neese, F.; Boussac, A.; Lubitz, W.; Messinger, J. Biochim. Biophys. Acta Bioenerg. 2011, 1807, 829-840
37. Ames, W.; Pantazis, D. A.; Krewald, V.; Cox, N.; Messinger, J.; Lubitz, W.; Neese, F. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 19743-19757
38. Pantazis, D. A.; Ames, W.; Cox, N.; Lubitz, W.; Neese, F. Angew. Chem., Int. Ed. 2012, 51, 9935-9940
39. Pantazis, D. A.; Orio, M.; Petrenko, T.; Zein, S.; Bill, E.; Lubitz, W.; Messinger, J.; Neese, F. Chem.-Eur. J. 2009, 15, 5108-5123
40. Isobe, H.; Shoji, M.; Koizumi, K.; Kitagawa, Y.; Yamanaka, S.; Kuramitsu, S.; Yamaguchi, K. Polyhedron 2005, 24, 2767-2777
41. Yamaguchi, K.; Yamanaka, S.; Isobe, H.; Shoji, M.; Koizumi, K.; Kitagawa, Y.; Kawakami, T.; Okumura, M. Polyhedron 2007, 26, 2216-2224
42. Kanda, K.; Yamanaka, S.; Saito, T.; Umena, Y.; Kawakami, K.; Shen, J.-R.; Kamiya, N.; Okumura, M.; Nakamura, H.; Yamaguchi, K. Chem. Phys. Lett. 2011, 506, 98-103
43. Yamanaka, S.; Isobe, H.; Kanda, K.; Saito, T.; Umena, Y.; Kawakami, K.; Shen, J. R.; Kamiya, N.; Okumura, M.; Nakamura, H.; Yamaguchi, K. Chem. Phys. Lett. 2011, 511, 138-145
44. Isobe, H.; Shoji, M.; Yamanaka, S.; Umena, Y.; Kawakami, K.; Kamiya, N.; Shen, J. R.; Yamaguchi, K. Dalton Trans. 2012, 41, 13727-13740
45. Saito, T.; Shoji, M.; Kanda, K.; Isobe, H.; Yamanaka, S.; Kitagawa, Y.; Yamada, S.; Kawakami, T.; Okumura, M.; Yamaguchi, K. Int. J. Quantum Chem. 2012, 112, 121-135
46. Saito, T.; Yamanaka, S.; Kanda, K.; Isobe, H.; Takano, Y.; Shigeta, Y.; Umena, Y.; Kawakami, K.; Shen, J. R.; Kamiya, N.; Okumura, M.; Shoji, M.; Yoshioka, Y.; Yamaguchi, K. Int. J. Quantum Chem. 2012, 112, 253-276
47. Yamaguchi, K.; Isobe, H.; Yamanaka, S.; Saito, T.; Kanda, K.; Shoji, M.; Umena, Y.; Kawakami, K.; Shen, J. R.; Kamiya, N.; Okumura, M. Int. J. Quantum Chem. 2012, 113, 525-541
48. Yamaguchi, K.; Yamanaka, S.; Isobe, H.; Saito, T.; Kanda, K.; Umena, Y.; Kawakami, K.; Shen, J. R.; Kamiya, N.; Okumura, M.; Nakamura, H.; Shoji, M.; Yoshioka, Y. Int. J. Quantum Chem. 2013, 113, 453-473
49. Yamanaka, S.; Kanda, K.; Saito, T.; Umena, Y.; Kawakami, K.; Shen, J. R.; Kamiya, N.; Okumura, M.; Nakamura, H.; Yamaguchi, K. In Adv. Quantum Chem.; John, R. S.; Erkki, J. B., Eds.; Academic Press: New York, 2012; Vol. 64, pp 121-187.
50. Yamanaka, S.; Saito, T.; Kanda, K.; Isobe, H.; Umena, Y.; Kawakami, K.; Shen, J. R.; Kamiya, N.; Okumura, M.; Nakamura, H.; Yamaguchi, K. Int. J. Quantum Chem. 2012, 112, 321-343
51. Kusunoki, M. Photochem. Photobiol., B 2011, 104, 100-110
52. Petrie, S.; Stranger, R.; Gatt, P.; Pace, R. J. Chem.-Eur. J. 2007, 13, 5082-5089
53. Petrie, S.; Stranger, R.; Pace, R. L. Chem.-Eur. J. 2008, 14, 5482-5494
54. Petrie, S.; Stranger, R.; Pace, R. J. Angew. Chem., Int. Ed. 2010, 49, 4233-4236
55. Petrie, S.; Stranger, R.; Pace, R. J. Chem.-Eur. J. 2010, 16, 14026-14042
56. Jaszewski, A. R.; Petrie, S.; Pace, R. J.; Stranger, R. Chem.-Eur. J. 2011, 17, 5699-5713
57. Gatt, P.; Petrie, S.; Stranger, R.; Pace, R. J. Angew. Chem., Int. Ed. 2012, 51, 12025-12028
58. Pace, R. J.; Jin, L.; Stranger, R. Dalton Trans. 2012, 41, 11145-11160
59. Petrie, S.; Gatt, P.; Stranger, R.; Pace, R. J. Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 4651-4657
60. Petrie, S.; Gatt, P.; Stranger, R.; Pace, R. J. Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 11333-11343
61. Schinzel, S.; Schraut, J.; Arbuznikov, A. V.; Siegbahn, P. E. M.; Kaupp, M. Chem.-Eur. J. 2010, 16, 10424-10438
62. Ichino, T.; Yoshioka, Y. Bull. Chem. Soc. Jpn. 2013, 86, 479-491
63. Rapatskiy, L.; Cox, N.; Savitsky, A.; Ames, W. M.; Sander, J.; Nowaczyk, M. M.; Rögner, M.; Boussac, A.; Neese, F.; Messinger, J.; Lubitz, W. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 16619-16634
64. Orio, M.; Pantazis, D. A.; Petrenko, T.; Neese, F. Inorg. Chem. 2009, 48, 7251-7260
65. Jorgensen, W. L.; Maxwell, D. S.; Tirado-Rives, J. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 11225-11236
66. Jorgensen, W. L.; Chandrasekhar, J.; Madura, J. D.; Impey, R. W.; Klein, M. L. J. Chem. Phys. 1983, 79, 926-935
67. Olsson, M. H. M.; Søndergaard, C. R.; Rostkowski, M.; Jensen, J. H. J. Chem. Theory Comput. 2011, 7, 525-537
68. Pronk, S.; Páll, S.; Schulz, R.; Larsson, P.; Bjelkmar, P.; Apostolov, R.; Shirts, M. R.; Smith, J. C.; Kasson, P. M.; van der Spoel, D.; Hess, B.; Lindahl, E. Bioinformatics 2013, 29, 845-854
69. Perdew, J. P. Phys. Rev. B 1986, 33, 8822-8824
70. Becke, A. D. Phys. Rev. A 1988, 38, 3098-3100
71. van Lenthe, E.; Baerends, E. J.; Snijders, J. G. J. Chem. Phys. 1993, 99, 4597-4610
72. van Lenthe, E.; Baerends, E. J.; Snijders, J. G. J. Chem. Phys. 1994, 101, 9783-9792
73. van Lenthe, E.; Snijders, J. G.; Baerends, E. J. J. Chem. Phys. 1996, 105, 6505-6516
74. van Wüllen, C. J. Chem. Phys. 1998, 109, 392-399
75. Pantazis, D. A.; Chen, X. Y.; Landis, C. R.; Neese, F. J. Chem. Theory Comput. 2008, 4, 908-919
76. Weigend, F.; Ahlrichs, R. Phys. Chem. Chem. Phys. 2005, 7, 3297-3305
77. Weigend, F. Phys. Chem. Chem. Phys. 2006, 8, 1057-1065
78. Grimme, S.; Antony, J.; Ehrlich, S.; Krieg, H. J. Chem. Phys. 2010, 132, 154104-19
79. Lin, H.; Truhlar, D. G. J. Phys. Chem. A 2005, 109, 3991-4004
80. Field, M. J. J. Chem. Theory Comput. 2008, 4, 1151-1161
81. Neese, F. WIREs Comput. Mol. Sci. 2012, 2, 73-78
82. Klamt, A.; Schüürman, D. J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2 1993, 799-805
83. Baffert, C.; Orio, M.; Pantazis, D. A.; Duboc, C.; Blackman, A. G.; Blondin, G.; Neese, F.; Deronzier, A.; Collomb, M.-N. Inorg. Chem. 2009, 48, 10281-10288
84. Orio, M.; Pantazis, D. A.; Neese, F. Photosynth. Res. 2009, 102, 443-453
85. Pantazis, D. A.; Krewald, V.; Orio, M.; Neese, F. Dalton Trans. 2010, 39, 4959-4967
86. Krewald, V.; Neese, F.; Pantazis, D. A. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 5726-5739
87. Staroverov, V. N.; Scuseria, G. E.; Tao, J.; Perdew, J. P. J. Chem. Phys. 2003, 119, 12129-12137
88. Yano, J.; Pushkar, Y.; Glatzel, P.; Lewis, A.; Sauer, K.; Messinger, J.; Bergmann, U.; Yachandra, V. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 14974-14975
89. Pushkar, Y.; Yano, J.; Sauer, K.; Boussac, A.; Yachandra, V. K. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2008, 105, 1879-1884
90. Renger, G.; Ludwig, B. In Bioenergetic Processes of Cyanobacteria-from Evolutionary Singularity to Ecological Diversity; Peschek, G.; Obinger, C.; Renger, G., Eds.; Springer: Dordrecht, The Netherlands, 2011; pp 337-394.
91. Vassiliev, S.; Zaraiskaya, T.; Bruce, D. Biochim. Biophys. Acta Bioenerg 2012, 1817, 1671-1678
92. Rivalta, I.; Amin, M.; Luber, S.; Vassiliev, S.; Pokhrel, R.; Umena, Y.; Kawakami, K.; Shen, J. R.; Kamiya, N.; Bruce, D.; Brudvig, G. W.; Gunner, M. R.; Batista, V. S. Biochemistry 2011, 50, 6312-6315
93. Singh, S.; Debus, R. J.; Wydrzynski, T.; Hillier, W. Phil. Trans. R. Soc. London, Ser. B 2008, 363, 1229-1235
94. Sumowski, C. V.; Ochsenfeld, C. J. Phys. Chem. A 2009, 113, 11734-11741
95. Stanton, C. L.; Kuo, I. F. W.; Mundy, C. J.; Laino, T.; Houk, K. N. J. Phys. Chem. B 2007, 111, 12573-12581
96. van der Kamp, M. W.; ZÌurek, J.; Manby, F. R.; Harvey, J. N.; Mulholland, A. J. J. Phys. Chem. B 2010, 114, 11303-11314
97. Siegbahn, P. E. M.; Himo, F. WIREs Comput. Mol. Sci. 2011, 1, 323-336
98. Liao, R.-Z.; Thiel, W. J. Chem. Theory Comput. 2012, 8, 3793-3803
99. Hu, L.; Söderhjelm, P.; Ryde, U. J. Chem. Theory Comput. 2013, 9, 640-649
100. Waller, M. P.; Geethalakshmi, K. R.; Bühl, M. J. Phys. Chem. B 2008, 112, 5813-5823
101. Geethalakshmi, K. R.; Waller, M. P.; Thiel, W.; Bühl, M. J. Phys. Chem. B 2009, 113, 4456-4465
102. Baer, M.; Mathias, G.; Kuo, I. F. W.; Tobias, D. J.; Mundy, C. J.; Marx, D. ChemPhysChem 2008, 9, 2703-2707
103. López-Canut, V.; Martí, S.; Bertrán, J.; Moliner, V.; Tuñón, I. J. Phys. Chem. B 2009, 113, 7816-7824
104. Hirao, H.; Morokuma, K. J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 901-906
105. Rinkevicius, Z.; Murugan, N. A.; Kongsted, J.; Frecuş, B.; Steindal, A. H.; Ågren, H. J. Chem. Theory Comput. 2011, 7, 3261-3271
106. Flaig, D.; Beer, M.; Ochsenfeld, C. J. Chem. Theory Comput. 2012, 8, 2260-2271