Abstract
The review briefly outlines theoretical models developed in 1990s to describe electron transfer reactions (ETR) in proteins, as well as different variants of improvements in these models proposed by the present authors to describe ETR in reaction centers (RC) of photosynthetic bacteria with consideration of their molecular dynamics in a wide temperature range. Experimental data on electron transfer from reduced proximal heme c-559 of cytochrome to bacteriochlorophyll dimer radical cation P+ in RC from two types of bacteria, viz., native and mutant RC from Rps. viridis and native RC from Rps. sulfoviridis were analyzed within the framework of the models which take into account the quantum and classical (including diffusive) degrees of freedom responsible for reorganization of the protein globule.
Similar content being viewed by others
References
R. L. Feynman, Ros. Khim. Zh., 2002, 5, 4 [Mendeleev Chem. J. (Engl. Transl.), 2002, 5].
K. M. C. Davis, D. D. Eley, R. S. Snart, Nature, 1960, 188, 724.
A. Szent-Gyorgyi, Int. J. Quant. Chem.: Quantum Biol. Symp., 1976, 3, 45.
L. A. Blumenfeld, R. M. Davidov, Biochem. Biophys. Acta, 1979, 549, 255.
S. L. Mayo, W. R. Ellis, R. J. Crutchley, H. B. Gray, Science, 1986, 233, 948.
J. A. Cowan, R. K. Upmacis, D. N. Beratan, J. N. Onuchic, H. B. Gray, Ann. N. Y. Acad. Sci., 1988, 550, 68.
H. B. Gray, B. G. Malmström, Biochemistry, 1989, 28, 7499.
O. Farver, I. Pecht, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1989, 86, 6968.
L. H. Zang, A. H. Maki, J. Am. Chem. Soc., 1990, 112, 4346.
D. N. Beratan, J. N. Onuchic, J. N. Betts, B. E. Bowler, H. B. Gray, J. Am. Chem. Soc., 1990, 112, 7915.
J. R. Winkler, H. B. Gray, Chem. Rev., 1992, 92, 369.
G. McLendon, R. Hake, Chem. Rev., 1992, 92, 481.
D. N. Beratan, J. N. Onuchic, J. R. Winkler, H. B. Gray, Science, 1992, 258, 1740.
D. R. Casimiro, L. L. Wong, J. L. Colon, T. E. Zewert, J. H. Richards, I. J. Chang, J. R. Winkler, H. B. Gray, J. Am. Chem. Soc., 1993, 115, 1485.
D. R. Casimiro, J. H. Richards, J. R. Winkler, H. B. Gray, J. Phys. Chem., 1993, 97, 13073.
D. R. Casimiro, D. N. Beratan, J. N. Onuchic, J. R. Winkler, H. B. Gray, Mechanistic Bioinorganic Chemistry, Eds H. H. Thorp, V. Pecorado, Advances in Chemistry Series, American Chemical Society, Washington (DC), 1994, 134.
B. E. Ramirez, B. G. Malmström, J. R. Winkler, H. B. Gray, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1995, 92, 11949.
M. J. Bjerrum, D. R. Casimiro, I.-Yu. Chang, A. J. Di Billio, H. B. Gray, M. G. Hill, R. Langen, G. A. Mines, L. K. Skov, J. R. Winkler D. S. Wuttke, J. Bioenergetics Biomembranes, 1995, 27, 295.
R. Langen, J. L. Colon, D. R. Casimiro, T. B. Karpishin, J. R. Wikler, H. B. Gray, J. Biol. Inorg. Chem., 1996, 1, 221.
T. Pascher, J. R. Winkler, H. B. Gray, J. Am. Chem. Soc., 1998, 120, 1102.
N. Liang, Ch. H. Kang, P. S. Ho, E. Margoliash, B. M. Hoffman, J. Am. Chem. Soc., 1986, 108, 4665.
M. J. Natan, B. M. Hoffman, J. Am. Chem. Soc., 1989, 111, 6468.
J. M. Nocek, N. Liang, S. A. Wallin, A. G. Mauk, B. M. Hoffman, J. Am. Chem. Soc., 1990, 112, 1623.
B. M. Hoffman, M. J. Natan, J. M. Nocek, S. A. Wallin, Structure and Bonding, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg, 1991, 75, 85.
D. Kuila, W. W. Baxter, M. J. Natan, B. M. Hoffman, J. Phys. Chem., 1991, 95, 1.
L. A. Dick, I. Malfant, D. Kuila, S. Nebolsky, J. M. Nocek, B. M. Hoffman, M. A. Rather, J. Am. Chem. Soc., 1998, 120, 11401.
A. I. Berg, P. P. Noks, A. A. Kononenko, E. N. Frolov, N. Ya. Uspenskaya, I. N. Khrymova, A. B. Rubin, G. I. Likhtenshtein, V. I. Goldanskii, F. Parak, M. Bukl, R. Mössbauer, Mol. Biologiya, 1979, 13, 81 [Mol. Biol. (Engl. Transl.), 1979, 13, 81].
F. Parak, E. N. Frolov, A. A. Kononenko, R. L. Mössbauer, V. I. Goldanskii, A. B. Rubin, FEBS Lett., 1980, 117, 368.
D. Beece, L. Eisenstein, H. Frauenfelder, D. Good, M. C. Marden, L. Reinisch, A. H. Reynolds, L. B. Sorensen, K. T. Yue, Biochemistry, 1980, 19, 5147.
G. I. Likhtenshtein, A. I. Kotelnikov, Mol. Biologiya, 1983, 17, 505 [Mol. Biol. (Engl. Transl.), 1983, 17].
A. I. Kotelnikov, V. R. Fogel’, V. V. Kochetkov, G. I. Likhtenshtein, P. P. Noks, N. P. Grishanova, A. A. Kononenko, A. B. Rubin, Mol. Biologiya, 1983, 17, 846 [Mol. Biol. (Engl. Transl.), 1983, 17].
V. V. Kochetkov, G. I. Likhtenshtein, V. K. Kol’tover, P. P. Noks, A. A. Kononenko, N. P. Grishanova, A. B. Rubin, Izv. Akad. Nauk SSSR. Ser. Biol., 1984, 4, 572 [Bull. Acad. Sci. USSR, Biol. (Engl. Transl.), 1984, 4].
G. I. Likhtenstein, A. V. Kulikov, A. I. Kotelnikov, L. A. Levchenko, J. Biochem. Biophys. Methods, 1986, 12, 1.
P. P. Noks, I. M. Bystryak, A. I. Kotelnikov, K. V. Shaitan, N. I. Zakharova, G. I. Likhtenshtein, A. B. Rubin, Izv. Akad. Nauk SSSR. Ser. Biol., 1989, 5, 651 [Bull. Acad. Sci. USSR, Biol. (Engl. Transl.), 1989, 5].
J. S. Bashkin, G. McLendon, S. Mukamel, J. Marohn, J. Phys. Chem., 1990, 94, 4757.
T. Kitagawa, Y. Sakan, M. Nagai, T. Ogura, F. A. Fraunfelder, R. Mattera, M. Ikeda-Saito, J. Inorg. Biochem., 1993, 51, 217.
I-Yu. Chang, J. C. Lee, J. R. Winkler, H. B. Gray, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2003, 100, 3838.
T. Pascher, J. P. Chesick, J. R. Winkler, H. B. Gray, Science, 1996, 271, 1558.
G. I. Likhtenshtein, S. M. Bystryak, A. I. Kotelnikov, Khim. Fiz., 1990, 9, 697 [Chem. Phys. (Engl. Transl.), 1990, 9].
E. T. Rubtsova, V. R. Fogel’, D. V. Khudyakov, A. I. Kotelnikov, G. I. Likhtenshtein, Biofizika, 1993, 38, 211 [Biophysics (Engl. Transl.), 1993, 38].
V. R. Vogel, E. T. Rubtsova, G. I. Likhenshtein, K. Hideg, J. Photochem. Photobiol. A: Chem., 1994, 83, 229.
V. R. Vogel, A. V. Pastukhov, B. L. Psikha, A. I. Kotelnikov, Biofizika, 1997, 42, 1008 [Biophysics (Engl. Transl.), 1997, 42].
I. Chang, H. Hartmann, Yu. Krupyanskii, A. Zharikov, F. Parak, Chem. Phys., 1996, 212, 221.
Yu. F. Krupyanskii, V. I. Gol’danskii, Usp. Fiz. Nauk, 2002, 172, 1247 [Phys. Usp. (Engl. Transl.), 2002, 45, 1131].
G. B. Postnikova, E. A. Shlyapnikova, B. P. Atanasov, M. V. Vol’kenshtein, Mol. Biologiya, 1982, 16, 104 [Mol. Biol. (Engl. Transl.), 1982, 16].
J. Deisenhofer, O. Epp, I. Sinning, H. Michel, J. Mol. Biol., 1995, 246, 429.
J. Hirst, Biochem. J., 2010, 425, 327.
G. L. Closs, J. R. Miller, Science, 1988, 240, 440.
S. S. Isied, M. Y. Ogava, J. F. Wishart, Chem. Rev., 1992, 92, 381.
V. G. Levich, R. R. Dogonadze, Dokl. Akad. Nauk SSSR, 1959, 124, 123 [Dokl. Chem. (Engl. Transl.), 1959].
R. A. Marcus, N. Sutin, Biochem. Biophys. Acta, 1985, 811, 265.
D. De Vault, D. Chance, Biophys. J., 1966, 6, 825.
A. I. Kotelnikov, D.Sc. (Phys.-Math.) Thesis, M. V. Lomonosov Moscow State University, Moscow, 1991, 430 pp. (in Russian).
A. I. Kotelnikov, Biofizika, 1993, 38, 217 [Biophysics (Engl. Transl.),1993, 38].
C. C. Moser, J. M. Keske, K. Warncke, R. S. Farid, P. L. Dutton, Nature, 1992, 355, 796.
A. I. Kotelnikov, V. R. Vogel, Biofizika, 1996, 41, 596 [Biophysics (Engl. Transl.), 1996, 41].
A. I. Kotelnikov, V. R. Vogel, A. V. Pastuchov, V. L. Voskoboinikov, E. S. Medvedev, in Biological Electron Transfer Chains: Genetic, Composition and Mode of Operation. NATO ASI Series. Ser. C: Mathematical and Physical Sciences, Eds G. W. Canters, E. Vijgenboom, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht-Boston-London, 1998, 512, 29.
P. Siddarh, R. A. Marcus, J. Phys. Chem., 1993, 97, 13078.
L. D. Zusman, Chem. Phys., 1980, 49, 295.
I. V. Alexandrov, Chem. Phys., 1980, 51, 449.
I. Rips, J. Jortner, Chem. Phys. Lett., 1987, 133, 411.
V. Z. Paschenko, S. S. Vasil’ev, V. V. Gorokhov, P. P. Knox, A. B. Rubin, in Photosynthesis: From Light to Biosphere, Ed. P. Mathis, Kluwer Academic Publishers, The Netherlands, 1995, 1, 491.
V. Z. Paschenko, V. V. Gorokhov, N. P. Grishanova, E. A. Goryacheva, B. N. Korvatovsky, P. P. Knox, N. I. Zakharova, A. B. Rubin, Biochim. Biophys. Acta, 1998, 1364, 361.
J. Gao, R. J. Shopes, C. A. Wraight, Biochim. Biophys. Acta, 1990, 1015, 96.
J. M. Ortega, P. Mathis, FEBS Lett., 1992, 301, 45.
J. M. Ortega, P. Mathis, Biochemistry, 1993, 32, 1141.
J. M. Ortega, B. Dohse, D. Oesterhelt, P. Mathis, FEBS Lett., 1997, 401, 153.
J. M. Ortega, B. Dohse, D. Oesterhelt, P. Mathis, Biophys. J., 1998, 74, 1135.
L. I. Krishtalik, Biochim. Biophys. Acta, 1996, 1273, 139.
B. H. McMahon, J. D. Mûller, C. D. Wraight, G. U. Nienhaus, Biophys. J., 1998, 74, 2567.
J. M. Kriegl, F. K. Forster, G. U. Nienhaus, Biophys. J., 2003, 85, 1851.
J. M. Kriegl, G. U. Nienhaus, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2004, 101, 123.
E. N. Frolov, V. I. Goldanskii, A. Birk, F. Parak, Eur. Biophys. J., 1996, 24, 433.
A. I. Kotelnikov, J. M. Ortega, E. S. Medvedev, B. L. Psikha, D. Garsia, P. Mathis, Elektrokhimiya, 2001, 38, 90 [Russ. J. Electrochem. (Engl. Transl.), 2001, 38, 77].
A. I. Kotelnikov, J. M. Ortega, E. S. Medvedev, B. L. Psikha, D. Garsia, P. Mathis, Bioelectrochem., 2002, 56, 3.
A. I. Kotelnikov, N. S. Goryachev, A. Yu. Rubtsov, B. L. Psikha, J. M. Ortega, Dokl. Akad. Nauk, 2005, 405, 830 [Dokl. Biochem. Biophys. (Engl. Transl.), 2005, 405, 461].
E. S. Medvedev, A. I. Kotelnikov, N. S. Goryachev, B. L. Psikha, J. M. Ortega, A. A. Stuchebrukhov, Molec. Simulat., 2006, 32, 735.
E. S. Medvedev, A. I. Kotelnikov, A. V. Barinov, B. L. Psikha, J. M. Ortega, D. M. Popovic’, A. A. Stuchebrukhov, J. Phys. Chem. B., 2008, 112, 3208.
E. S. Medvedev, A. I. Kotelnikov, N. S. Goryachev, J. M. Ortega, A. A. Stuchebryukhov, Khim. Fiz., 2011, 30, 71 [Russ. J. Phys. Chem. B (Engl. Transl.), 2011, 5, 308].
D. Holten, M. W. Windsor, W. W. Parson, J. P. Thornber, Biochim. Biophys. Acta, 1978, 501, 112.
S. M. Dracheva, L. A. Drachev, A. A. Konstantinov, A. Yu. Semenov, V. P. Skulachev, A. M. Arutyunyan, V. A. Shuvalov, S. M. Zaberezhnaya, Eur. J. Biochem., 1988, 171, 253.
G. Venturoli, F. Drepper, J. C. Williams, J. P. Allen, X. Lin, P. Mathis, Biophys. J., 1998, 74, 3226.
R. J. Shopes, C. A. Wraight, Biochim. Biophys. Acta, 1987, 893, 409.
H. Sumi, R. A. Marcus, J. Chem. Phys., 1986, 84, 4894.
D. W. Davidson, R. H. Cole, J. Chem. Phys., 1951, 19, 1484.
M. R. Gunner, B. Honig, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1991, 88, 9151.
M. Ya. Ovchinnikova, Teor. Eksp. Khim., 1981, 17, 651 [Theor. Exp. Chem. (Engl. Transl.), 1981, 17].
O. Kaminskaya, A. A. Konstantinov, V. A. Shuvalov, Biochim. Biophys. Acta, 1990, 1016, 153.
A. B. Helman, Chem. Phys., 1982, 65, 271.
A. B. Rubin, Biofizika, 3rd Ed., Nauka, Moscow, 2004, 1, 462 pp. (in Russian).
A. B. Rubin, A. A. Kononenko, K. V. Shaitan, V. Z. Pashchenko, G. I. Riznichenko, Biofizika, 1994, 39, 213 [Biophysics (Engl. Transl.), 1994, 39].
J. Zhu, J. C. Rasaiah, J. Chem. Phys., 1994, 101, 9966.
E. Lee, E. S. Medvedev, A. A. Stuchebrukhov, J. Chem. Phys., 2000, 112, 9015.
A. M. Kuznetsov, Charge Transfer in Physics, Chemistry, and Biology, Gordon and Breach, Amsterdam, 1995.
J. J. Hopfield, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1974, 71, 3640.
J. Jortner, J. Chem. Phys., 1976, 64, 4860.
J. Jortner, Biochim. Biophys. Acta, 1980, 594, 193.
B. Bagchi, G. R. Fleming, D. W. Oxtoby, J. Chem. Phys., 1983, 78, 7375.
C. C. Page, C. C. Moser, X. Chen, P. L. Dutton, Nature, 1999, 402, 47.
A. A. Stuchebrukhov, Theor. Chem. Acc., 2003, 110, 291.
I.-P. Chen, P. Mathis, J. Koepke, H. Michel, Biochemistry, 2000, 39, 3592.
D. A. Cherepanov, L. I. Krishtalik, A. Y. Mulkidjanian, Biophys. J., 2001, 80, 1033.
I. Muegge, P. X. Qi, A. J. Wand, Z. T. Chu, A. Warshel, J. Phys. Chem. B., 1997, 101, 825.
A. K. Churg, R. M. Weiss, A. Warshel, T. Takano, J. Phys. Chem., 1983, 87, 1683.
A. V. Barinov, N. S. Goryachev, A. I. Kotelnikov, Opt. Spektrosk., 2011, 110, 753 [Opt. Spectrosc. (Engl. Transl.), 2011, 110, 724].
B. Dohse, P. Mathis, J. Wachtweitl, E. Laussermair, S. Iwata, H. Michel, D. Oesterhelt, Biochemistry, 1995, 34, 11335.
I. V. Leontyev, A. A. Stuchebrukhov, J. Chem. Phys., 2009, 130, Article No. 085102.
K. E. Drexler, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1981, 78, 5275.
N. C. Seeman, Nanotechnology, 1991, 2, 149.
K. E. Drexler, Trends in Biotechnology, 1999, 17, 5.
R. C. Merkle, Trends in Biotechnology, 1999, 17, 271.
P. Ball, Nature, 2001, 409, 413.
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding author
Additional information
Published in Russian in Izvestiya Akademii Nauk. Seriya Khimicheskaya, No. 7, pp. 1295–1318, July, 2011.
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Kotelnikov, A.I., Medvedev, E.S. & Goryachev, N.S. Structural and dynamic aspects of electron transfer in proteins — highly organized natural nanostructures. Russ Chem Bull 60, 1318–1341 (2011). https://doi.org/10.1007/s11172-011-0199-3
Received:
Revised:
Published:
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.1007/s11172-011-0199-3