Quantum effects in ultrafast electron transfers within cryptochromes

文献情報

出版日 2016-06-29
DOI 10.1039/C6CP02809H
インパクトファクター 3.676
著者

Thiago Firmino, Fabien Cailliez, David Mendive-Tapia, Fabien Gatti, Christoph Meier, Aurélien de la Lande


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要旨

Cryptochromes and photolyases are flavoproteins that may undergo ultrafast charge separation upon electronic excitation of their flavin cofactors. Charge separation involves chains of three or four tryptophan residues depending on the protein of interest. The molecular mechanisms of these processes are not completely clear. In the present work we investigate the relevance of quantum effects like the occurrence of nuclear tunneling and of coherences upon charge transfer in Arabidopsis thaliana cryptochromes. The possible breakdown of the Condon approximation is also investigated. We have devised a simulation protocol based on the realization of molecular dynamics simulations on diabatic potential energy surfaces defined at the hybrid constrained density functional theory/molecular mechanics level. The outcomes of the simulations are analyzed through various dedicated kinetics schemes related to the Marcus theory that account for the aforementioned quantum effects. MD simulations also provide a basic material to define realistic model Hamiltonians for subsequent quantum dissipative dynamics. To carry out quantum simulations, we have implemented an algorithm based on the Hierarchical Equations of Motion. With this new tool in hand we have been able to model the electron transfer chain considering either two- or three-state models. Kinetic models and quantum simulations converge to the conclusion that quantum effects have a significant impact on the rate of charge separation. Nuclear tunneling involving atoms of the tryptophan redox cofactors as well as of the environment (protein atoms and water molecules) is significant. On the other hand non-Condon effects are negligible in most simulations. Taken together, the results of the present work provide new insights into the molecular mechanisms controlling charge separation in this family of flavoproteins.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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