Polarizable embedding for simulating redox potentials of biomolecules

文献情報

出版日 2019-04-15
DOI 10.1039/C9CP01533G
インパクトファクター 3.676
著者

Ruslan N. Tazhigulov, Pradeep Kumar Gurunathan, Yongbin Kim, Lyudmila V. Slipchenko, Ksenia B. Bravaya


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要旨

Redox reactions play a key role in various biological processes, including photosynthesis and respiration. Quantitative and predictive computational characterization of redox events is therefore highly desirable for enriching our knowledge on mechanistic features of biological redox-active macromolecules. Here, we present a computational protocol exploiting polarizable embedding hybrid quantum-classical approach and resulting in accurate estimates of redox potentials of biological macromolecules. A special attention is paid to fundamental aspects of the theoretical description such as the effects of environment polarization and of the long-range electrostatic interactions on the computed energetic parameters. Environment (protein and the solvent) polarization is shown to be crucial for accurate estimates of the redox potential: hybrid quantum-classical results with and without account for environment polarization differ by 1.4 V. Long-range electrostatic interactions are shown to contribute significantly to the computed redox potential value even at the distances far beyond the protein outer surface. The approach is tested on simulating reduction potential of cryptochrome 1 protein from Arabidopsis thaliana. The theoretical estimate (0.07 V) of the midpoint reduction potential is in good agreement with available experimental data (−0.15 V).

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
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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