QM/MM simulations of vibrational spectra of bacteriorhodopsin and channelrhodopsin-2.
QM/MM simulations of vibrational spectra of bacteriorhodopsin and channelrhodopsin-2.
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细菌视紫红质和通道视紫红质-2 振动光谱的 QM/MM 模拟
DOI：
10.1039/c3cp44181d
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发表时间：
2013
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
M. Elstner
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
K. Welke;H. C. Watanabe;T. Wolter;M. Gaus;M. Elstner
Channelrhodopsin-2 是一种光门控离子通道，在过去十年中得到了深入研究。振动光谱实验开始揭示光循环过程中发生的结构变化，特别是在质子化 D156 和 C128（DC 门）周围的氢键网络中。然而，这些实验的解释仅基于同源模型。从那时起，X 射线结构和更好的计算模型变得可用。在本文中，我们表明，结合最近的重新参数化，近似的 DFT 方法 DFTB 能够可靠地描述氢键对羧酸中 CO 伸缩振动的影响，并且与完整的 DFT 结果非常吻合。我们在 QM/MM 框架中应用 DFTB 对细菌视紫红质和通道视紫红质-2 中的埋藏天冬氨酸进行振动分析。使用这种方法，我们可以模拟细菌视紫红质暗适应状态和 K 状态下 D115 之间的 FTIR 光谱差异。使用间接模型很好地描述了通道视紫红质 2 中 DC 门的 FTIR 实验，其中 D156 和 C128 通过水分子桥接。
Channelrhodopsin-2 is a light-gated ion channel, which has been studied intensively over the last decade. Vibrational spectroscopic experiments started to shed light on the structural changes, that occur during the photocycle, especially in the hydrogen-bonded network surrounding the protonated D156 and C128 – the DC gate. However, the interpretation of these experiments was only based on homology models. Since then, an X-ray structure and better computational models became available. In this article, we show that in combination with a recent reparametrization, the approximate DFT method, DFTB, is able to describe the effects of hydrogen bonding on the CO stretch vibration in carboxylic acids reliably and agrees well with full DFT results. We apply DFTB in a QM/MM framework to perform vibrational analysis of buried aspartic acids in bacteriorhodopsin and channelrhodopsin-2. Using this approach, we can simulate the FTIR spectral difference between D115 in the dark-adapted and K states of bacteriorhodopsin. The FTIR experiments on the DC gate in channelrhodopsin-2 are well described using an indirect model, where D156 and C128 are bridged via a water molecule.
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