Modeling electron transfer in biochemistry: A quantum chemical study of charge separation in Rhodobacter sphaeroides and photosystem II

Journal of the American Chemical Society

Volumn 120, Issue 34, 1998, Pages 8812-8824

  Blomberg, Margareta R A ^a   Siegbahn, Per E M ^a   Babcock, Gerald T ^b  

^a STOCKHOLM UNIVERSITY   (Sweden)

^b MICHIGAN STATE UNIVERSITY   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

BACTERIOCHLOROPHYLL; LIGAND;

ARTICLE; CHEMICAL MODIFICATION; CHEMICAL STRUCTURE; CHROMATOPHORE; ELECTRON TRANSPORT; ENERGY TRANSFER; HYDROGEN BOND; MOLECULAR MODEL; NONHUMAN; PHOTOSYNTHESIS; PHOTOSYSTEM II; RHODOBACTER SPHAEROIDES;

EID: 84961976154     PISSN: 00027863     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/ja9805268     Document Type: Article

References (80)

1. Ort, D. R., Yocum, C. F., Eds. Oxygenic Photosynthesis: The Light Reactions; Kluwer: Dordrecht, The Netherlands, 1996. Witt, H. T. Ber. Bunsen-Ges. Phys. Chem. 1996, 10D, 1923.
2. Ort, D. R., Yocum, C. F., Eds. Oxygenic Photosynthesis: The Light Reactions; Kluwer: Dordrecht, The Netherlands, 1996. Witt, H. T. Ber. Bunsen-Ges. Phys. Chem. 1996, 10D, 1923.
3. Tommos, C.; Babcock, G. T. Acc. Chem. Res. 1998, 31, 18.
4. Deisenhofer, J., Norris, J. R., Eds. The Photosynthetic Reaction Center; Academic Press: San Diego, CA, 1993; Vols. 1 and 2.
5. Michele-Beyerle, M., Ed. Proceedings of Feldafing 3: Workshop on Reaction Centers of Photosynthetic Bacteria; Structure and Dynamics; Springer-Verlag: Berlin, 1996.
6. Rutherford, A. W. Biochem. Soc. Trans. 1986, 14, 15. Michel, H.; Deisenhofer, J. Biochemistry 1988, 27, 1.
7. Rutherford, A. W. Biochem. Soc. Trans. 1986, 14, 15. Michel, H.; Deisenhofer, J. Biochemistry 1988, 27, 1.
8. Diner, B. A.; Babcock, G. T. In Oxygenic Photosynthesis: The Light Reactions; Ort, D. R., Yocum, C. F., Eds.; Kluwer: Dordrecht, The Netherlands, 1996; p 213.
9. Rhee, K.-H.; Morris, E. P.; Zheleva, D.; Hankamer, B.; Kühlbrandt, W.; Barber, J. Nature 1997, 389, 522.
10. Van Grondelle, R.; Dekker, J. P.; Gilbro, T.; Sundstrom, V. Biochim. Biophys. Acta 1994, 1187, 1.
11. Durrant, J. R.; Klug, D. R.; Kwa, S. L. S.; Van Grondelle, R.; Porter, G.; Dekker J. P. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1995, 92, 4798.
12. Gatzen, G.; Muller, M.; Griebenow, K.; Holzwarth, A. R. J. Phys. Chem. 1996, 100, 7269.
13. Donovan, B.; Walker, L. A., II; Kaplan, D.; Bouvier, M.; Yocum, C. F.; Sension, R. J. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 5232.
14. Du, M.; Rosenthal, S. J.; Xie, X.; DiMagno, T. J.; Schmidt, M.; Hanson, D. K.; Schiffer, M.; Norris, J. R.; Fleming, G. R. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1992, 89, 8517.
15. Creighton, S.; Hwang, J.-K.; Warshel, A.; Parson, W. W.; Norris, J. Biochemistry 1988, 27, 774. Parson, W. W.; Chu, Z. T.; Warshel, A. Biochim. Biophys. Acta 1990, 1017, 251. Alden, R. G.; Parson, W. W.; Chu, Z. T.; Warshel, A. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 12284.
16. Creighton, S.; Hwang, J.-K.; Warshel, A.; Parson, W. W.; Norris, J. Biochemistry 1988, 27, 774. Parson, W. W.; Chu, Z. T.; Warshel, A. Biochim. Biophys. Acta 1990, 1017, 251. Alden, R. G.; Parson, W. W.; Chu, Z. T.; Warshel, A. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 12284.
17. Creighton, S.; Hwang, J.-K.; Warshel, A.; Parson, W. W.; Norris, J. Biochemistry 1988, 27, 774. Parson, W. W.; Chu, Z. T.; Warshel, A. Biochim. Biophys. Acta 1990, 1017, 251. Alden, R. G.; Parson, W. W.; Chu, Z. T.; Warshel, A. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 12284.
18. Gunner, M. R. In Proceedings of Feldafing 3: Workshop on the Reaction Centers of Photosynthetic Bacteria; Structure and Dynamics; Michel-Beyerle, M.-E., Ed.; Springer-Verlag: Berlin, 1996; p 132.
19. Steffen, M. A.; Lao, K. Q.; Boxer, S. G. Science 1994, 264, 810.
20. Thompson, M. A.; Zerner, M. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 8210. Thompson, M. A.; Zerner, M.; Fajer, J. J. Phys. Chem. 1991, 95, 5693.
21. Thompson, M. A.; Zerner, M. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 8210. Thompson, M. A.; Zerner, M.; Fajer, J. J. Phys. Chem. 1991, 95, 5693.
22. Warshel, A.; Parson, W. W. J. Am. Chem. Soc. 1987, 109, 6143. Parson, W. W.; Warshel, A. J. Am. Chem. Soc. 1987, 109, 6152.
23. Warshel, A.; Parson, W. W. J. Am. Chem. Soc. 1987, 109, 6143. Parson, W. W.; Warshel, A. J. Am. Chem. Soc. 1987, 109, 6152.
24. Scherer, P. O.; Fischer, S. F. J. Phys. Chem. 1989, 93, 1633. Scherer, P. O.; Fischer, S. F. J. Phys. Chem. 1992, 96, 574.
25. Scherer, P. O.; Fischer, S. F. J. Phys. Chem. 1989, 93, 1633. Scherer, P. O.; Fischer, S. F. J. Phys. Chem. 1992, 96, 574.
26. Becke, A. D. Phys. Rev. 1988, A38, 3098. Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 1372. Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648.
27. Becke, A. D. Phys. Rev. 1988, A38, 3098. Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 1372. Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648.
28. Becke, A. D. Phys. Rev. 1988, A38, 3098. Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 1372. Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648.
29. Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Gill, P. M. W.; Johnson, B. G.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Keith, T.; Petersson, G. A.; Montgomery, J. A.; Raghavachari, K.; Al-Laham, M. A.; Zakrzewski, V. G.; Ortiz, J. V.; Foresman, J. B.; Cioslowski, J.; Stefanov, B. B.; Nanayakkara, A.; Challacombe, M.; Peng, C. Y.; Ayala, P. Y.; Chen, W.; Wong, M. W.; Andres, J. L.; Replogle, E. S.; Gomperts, R.; Martin, R. L.; Fox, D. J.; Binkley, J. S.; Defrees, D. J.; Baker, J.; Stewart, J. P.; Head-Gordon, M.; Gonzalez, C.; Pople, J. A. Gaussian 94, revision B.2; Gaussian Inc.: Pittsburgh, PA, 1995.
30. Rinaldi, D.; Ruiz-Lopez, M. F.; Rivail, J.-L. J. Chem. Phys. 1983, 78, 834.
31. Stevens, P. J.; Devlin, F. J.; Chablowski, C. F.; Frisch, M. J. J. Phys. Chem. 1994, 98, 11623.
32. Lee, C.; Yang, W.; Parr, R. G. Phys. Rev. 1988, B37, 785.
33. Vosko, S. H.; Wilk, L.; Nusair, M. Can. J. Phys. 1980, 58, 1200.
34. Perdew, J. P.; Wang, Y. Phys. Rev. B 1992, 45, 13244. Perdew, J. P. In Electronic Structure of Solids; Ziesche, P., Eischrig, H., Eds.; Akademie Verlag: Berlin, 1991. Perdew, J. P.; Chevary, J. A.; Vosko, S. H.; Jackson, K. A.; Pederson, M. R.; Singh, D. J.; Fiolhais, C. Phys. Rev. B 1992, 46, 6671.
35. Perdew, J. P.; Wang, Y. Phys. Rev. B 1992, 45, 13244. Perdew, J. P. In Electronic Structure of Solids; Ziesche, P., Eischrig, H., Eds.; Akademie Verlag: Berlin, 1991. Perdew, J. P.; Chevary, J. A.; Vosko, S. H.; Jackson, K. A.; Pederson, M. R.; Singh, D. J.; Fiolhais, C. Phys. Rev. B 1992, 46, 6671.
36. Perdew, J. P.; Wang, Y. Phys. Rev. B 1992, 45, 13244. Perdew, J. P. In Electronic Structure of Solids; Ziesche, P., Eischrig, H., Eds.; Akademie Verlag: Berlin, 1991. Perdew, J. P.; Chevary, J. A.; Vosko, S. H.; Jackson, K. A.; Pederson, M. R.; Singh, D. J.; Fiolhais, C. Phys. Rev. B 1992, 46, 6671.
37. Hay, P. J.; Wadt, W. R. J. Chem. Phys. 1985, 82, 299.
38. Rivail, J.-L.; Rinaldi, D. In Computational Chemistry, Review of Current Trends; Leszczynski, J., Ed.; World Scientific Publishing, 1995; p 57.
39. Curtiss, L. A.; Raghavachari, K. In Computational Thermochemistry; Irikura, K. K., Frurip, D. J., Eds.; ACS Symposium Series 677; American Chemical Society: Washington, DC, 1998; p 176.
40. Rinaldi, D.; Rivail, J.-L. Theor. Chim. Acta 1973, 32, 57.
41. Tapia, O.; Goscincski, O. Mol. Phys. 1975, 29, 1653.
42. Karlström, G. J. Phys. Chem. 1988, 92, 1318.
43. Wong, M. W.; Frisch, M. J.; Wiberg, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 4776.
44. Born, M. Z. Phys. 1920, 1, 45.
45. Kirkwood, J. G. J. Chem. Phys. 1934, 2, 351.
46. Onsager, L. J. Am. Chem. Soc. 1936, 58, 1486.
47. Dillet, V.; Rinaldi, D.; Rivail, J.-L. J. Phys. Chem. 1994, 98, 5034.
48. Miertus, S.; Scrocco, E.; Tomasi, J. Chem. Phys. 1981, 55, 117. Tomasi, J.; Bonnacorsi, R.; Cammi, R.; Valle, F. O. J. J. Mol. Struct. 1991, 234, 401. Tomasi, J.; Persico, M. Chem. Rev. 1994, 94, 2027.
49. Miertus, S.; Scrocco, E.; Tomasi, J. Chem. Phys. 1981, 55, 117. Tomasi, J.; Bonnacorsi, R.; Cammi, R.; Valle, F. O. J. J. Mol. Struct. 1991, 234, 401. Tomasi, J.; Persico, M. Chem. Rev. 1994, 94, 2027.
50. Miertus, S.; Scrocco, E.; Tomasi, J. Chem. Phys. 1981, 55, 117. Tomasi, J.; Bonnacorsi, R.; Cammi, R.; Valle, F. O. J. J. Mol. Struct. 1991, 234, 401. Tomasi, J.; Persico, M. Chem. Rev. 1994, 94, 2027.
51. Wiberg, K. B.; Rablen, P. R.; Rush, D. J.; Keith, T. A. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 4261. Wiberg, K. B.; Keith, T. A.; Frisch, M. J.; Murcko, M. J. Phys. Chem. 1995, 99, 9072.
52. Wiberg, K. B.; Rablen, P. R.; Rush, D. J.; Keith, T. A. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 4261. Wiberg, K. B.; Keith, T. A.; Frisch, M. J.; Murcko, M. J. Phys. Chem. 1995, 99, 9072.
53. Ermler, U.; Fritzsch, G.; Buchanan, S. K.; Michel, H. Structure 1994, 2, 925.
54. Deisenhofer, J.; Epp, O.; Miki, R.; Michel, H. Nature 1985, 318, 618.
55. Stowell, M. H. B.; McPhillips, T. M.; Rees, D. C.; Soltis, S. M.; Abresch, E.; Feher, G. Science 1997, 276, 812.
56. Warshel, A.; Chu, Z. T.; Parson, W. W. Science 1989, 246, 112.
57. Woodbury, N. W. T.; Parson, W. W. Biochim. Biophys. Acta 1984, 767, 345. Woodbury, N. W. T.; Parson, W. W.; Gunner, M. R.; Prince, R. C.; Dutton, P. L. Biochim. Biophys. Acta 1986, 851, 6. Peloquin, J. M.; Williams, J. C.; Lin, X.; Alden, R. G.; Taguchi, A. K. W.; Allen, J. P.; Woodbury, N. W. Biochemistry 1994, 33, 8089.
58. Woodbury, N. W. T.; Parson, W. W. Biochim. Biophys. Acta 1984, 767, 345. Woodbury, N. W. T.; Parson, W. W.; Gunner, M. R.; Prince, R. C.; Dutton, P. L. Biochim. Biophys. Acta 1986, 851, 6. Peloquin, J. M.; Williams, J. C.; Lin, X.; Alden, R. G.; Taguchi, A. K. W.; Allen, J. P.; Woodbury, N. W. Biochemistry 1994, 33, 8089.
59. Woodbury, N. W. T.; Parson, W. W. Biochim. Biophys. Acta 1984, 767, 345. Woodbury, N. W. T.; Parson, W. W.; Gunner, M. R.; Prince, R. C.; Dutton, P. L. Biochim. Biophys. Acta 1986, 851, 6. Peloquin, J. M.; Williams, J. C.; Lin, X.; Alden, R. G.; Taguchi, A. K. W.; Allen, J. P.; Woodbury, N. W. Biochemistry 1994, 33, 8089.
60. Hartwich, G.; Scheer, H.; Michel-Beyerle, M.-E. Personal communication.
61. Sim, E.; Makri, N. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 5446.
62. Gunner, M. R.; Nicholls, A.; Honig, B. J. Phys. Chem. 1996, 100, 4277.
63. Alden, R. G.; Parson, W. W.; Chu, Z. T.; Warshel, A. In The Reaction Center of Photosynthetic Bacteria: Structure and Dynamics; Michel-Beyerle, M.-E., Ed.; Springer-Verlag: 1996; p 105.
64. Marchi, M.; Gehlen, M. E.; Chandler, D.; Newton, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 4178.
65. Zhang, L.; Friesner, R. A. J. Phys. Chem. 1995, 99, 16479.
66. Svensson, B.; Etchebest, C.; Tuffery, P.; VanKan, P.; Smith, J.; Styring, S. Biochemistry 1996, 35, 14486.
67. Eriksson, L. A.; Hihmo, F.; Siegbahn, P. E. M.; Babcock, G. T. J. Phys. Chem. 1997, 101, 9496.
68. Hoganson, C. W.; Babcock, G. T. Science 1997, 277, 1953.
69. Britt, R. D In Oxygenic Photosynthesis: The Light Reactions; Ort, D. R., Yocum, C. F., Eds.; Kluwer: Dordrecht, The Netherlands, 1996; p 137.
70. Babcock, G. T.; Barry, B. A.; Debus, R. J.; Hoganson, C. W.; Atamion, M.; McIntosh, L.; Sitole, I.; Yocum, C. F. Biochemistry 1989, 28, 9557.
71. Barry, B. A.; Babcock, G. T. Proc. Natl. Acad, Sci. U.S.A. 1987, 84, 7099.
72. Blomberg, M. R. A.; Siegbahn, P. E. M.; Styring, S.; Babcock, G. T.; Åkermark, B.; Korall, P. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 8285.
73. Coudle, M. T.; Pecoraro, V. L. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 3415.
74. Tommos, C.; Tang, X.-S.; Warncke, K.; Hoganson, C. W.; Styring, S.; McCracken, J.; Diner, B. A.; Babcock, G. T. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 10325.
75. Gilchrist, M. L.; Ball, J. A.; Randall, D. W.; Britt, R. D. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1995, 91, 9545.
76. Chu, H.-A.; Nguyen, A. P.; Debus, R. J. Biochemistry 1995, 34, 5839.
77. Ghosh, A. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 4691.
78. Bylina, E. J.; Kirmaier, C.; McDowell, L.; Holten, D.; Youvan, D. C. Nature 1988, 336, 182.
79. Nixon, P. J.; Diner, B. A. Biochem. Soc. Trans. 1994, 22, 338.
80. Hays, A.-M. A.; Vassiliev, I. R.; Golbeck, J. H.; Debus, R. J. Submitted.