Сравнительный анализ свойств мембранных белков бактериородопсина и сенсорного родопсина II. Исследование методом компьютерного моделирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.02, кандидат физико-математических наук Грудинин, Сергей Владимирович

• Грудинин, Сергей Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Грудинин, Сергей Владимирович

ф Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1 Функциональная роль белков bR и SRII.

1.2 Транспорт протона.

1.3 Структура бактериородопсина.

1.3.1 Фотоцикл.

1.3.1.1 К и L состояния.

1.3.1.2 Ml, М2 и MN состояния.

1.3.1.3 N и О состояния.

1.4 Трансмембранные сигнальные белки.

1.4.1 Структура NpSRII/NpHtrll комплекса.

1.5 Методы получения пространственной структуры белков.

1.5.1 Электронная и рентгеновская кристаллография.

1.5.2 Нейтронная дифракция и неупругое рассеяние.

1.5.3 ЯМР спектроскопия.

1.5.4 Другие методы.

1.6 Динамика молекул воды в белках.

1.7 Методы компьютерного моделирования.

1.8 Краткая формулировка целей и подходов диссертационного исследования.

Глава 2. Материалы и методы.

2.1 Силовые поля.

2.1.1 Простая модель силового поля.

2.1.1.1 Типы атомов.

2.1.1.2 Растяжение связей.

2.1.1.3 Колебания углов.

2.1.1.4 Вращательные движения.

2.1.1.5 Ложные вращения и движения вне плоскости.

2.1.1.6 Непарные взаимодействия. Электростатика.

2.1.1.7 Точечные заряды.

2.1.1.8 Параметризация зарядов для больших систем.

2.1.1.9 Поляризация.

2.1.1.10 Взаимодействия ван-дер-Ваальса.

2.1.1.11 Водородные связи.

2.1.1.12 Силовые поля для объединенных атомов.

2.1.2 Модели воды.

2.1.3 Неявно заданные водное окружение и мембрана.

2.1.4 Производные для функции энергии в молекулярной механике.

2.2 Статистическая механика и термодинамика.

2.2.1 Статистические ансамбли в моделировании.

2.3 Вычисление термодинамических параметров системы.

2.3.1 Внутренняя энергия.

2.3.2 Теплоемкость.

2.3.3 Давление.

2.3.3.1 Вывод выражения вириапа реального газа.

2.3.4 Температура.

2.3.5 Радиальная функция распределения.«

2.4 Уравнение Пуассона-Больцмана.

2.4.1 Сеточное уравнение Пуассона-Больцмана.

2.4.2 Вычисление энергии сольватации и энергии связывания при помощи уравнения Пуассона-Больцмана.

2.5 Алгоритмы минимизации структуры.

2.5.1 Метод быстрейшего спуска.

2.5.2 Метод сопряженных градиентов.

2.6 Обзор метода МД.

2.6.1 Механика Ньютона и численное интегрирование.

2.6.2 Связи.

2.6.3 Статистические ансамбли в МД.

2.6.4 Динамика при постоянной температуре.

2.6.4.1 Методы шкалирования температур. Термостат Берендсена.

2.6.4.2 Термостат Нозе-Хувера.

2.6.4.3 Цепи термостатов Нозе-Хувера.

2.6.4.4 Нагревание системы на границе.

2.6.5 Динамика при постоянном давлении.

2.6.5.1 Методы шкалирования давления. Алгоритм Берендсена.

2.6.5.2 Алгоритм Нозе.

2.6.6 Дальние взаимодействия.

2.6.6.1 Метод суммирования Эвальда.

2.6.7 Периодические условия на границе.£

2.6.8 Равновесные характеристики системы.

2.7 Подготовка системы для моделирования.

2.7.1 Подготовка белка.

2.7.2 Недостающие основания.

2.7.3 Подготовка олигомеров.

2.7.4 Протонирование перезаряжаемых групп и мутации.

2.7.5 Солевые мостики.

2.7.6 Параметризация новых молекул.

2.7.7 Учет воды внутри структуры.

2.7.8 Граничные условия.

2.7.9 Подготовка мембраны.

2.7.10 Подготовка водного окружения.

2.8 Анализ Нормальных Мод.

2.8.1 Вычисление В-факторов.

2.8.2 Проекция нормальных мод..

2.8.3 Квази-гармоническое приближение.

2.8.4 Переход между несколькими конформациями.

2.9 Анализ пространственной структуры белка.

2.9.1 Лучшее наложение структур друг на друга.

2.9.2 Определение поверхности белка.

2.9.3 Вода внутри белка..

2.9.3.1 Первый алгоритм.

2.9.3.2 Второй алгоритм.

2.9.4 Анализ цепочек водородных связей.

2.9.5 Анализ молекул воды.

2.10 Структуры.„.

2.10.1 Анализ и сравнение структур бактериородопсина.

2.10.2 Анализ и сравнение структур сенсорного родопсина II.

Глава 3. МД исследование механизма транспорта протонов в bR.

3.1 Мономер.

3.1.1 Подготовка структуры.

3.1.2 Молекулярная динамика и вычислительные алгоритмы.

3.1.3 Стабильность структуры.

3.1.4 Анализ данных.

• 3.2 Тример.

3.2.1 Подготовка структуры.

3.2.2 Молекулярная динамика и вычислительные алгоритмы.

3.2.3 Стабильность структуры.

3.2.4 Анализ данных.

3.2.4.1 Динамика молекул воды.

3.2.4.2 Распределение молекул воды.

3.2.4.3 Цепи водородных связей.

3.3 Сравнение результатов мономер/тример и выводы.

3.3.1 Стабильность структуры.

3.3.2 Количество, распределение и динамика внутренних молекул воды.

3.3.3 Цепочки водородных связей.

3.4 Новые данные, полученные при помощи использованных методов.

3.5 Границы применимости используемых методов.

• 3.6 Перспективы развития метода.

Глава 4. Исследование комплекса NpSRII с NpHtrll.

4.1 Энергия связывания NpSRII с NpHtrll в липидной мембране.

4.1.1 Система для моделирования.

4.1.2 Вычисление энергии связывания.

4.2 Вычисление нормальных мод для комплекса NpSRII с NpHtrll.

4.2.1 Система для моделирования.

4.2.2 Вычисление нормальных мод.-.

4.2.2.1 Движение конца спирали Htrll.

4.2.2.2 Сравнение нормальных мод основного состояния с вектором смещения из основного в промежуточное состояние.

4.3 Новые данные, полученные при помощи использованных методов.

4.4 Границы применимости используемых методов.

4.5 Перспективы развития метода.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сравнительный анализ свойств мембранных белков бактериородопсина и сенсорного родопсина II. Исследование методом компьютерного моделирования»

Органические соединения, из которых построены все организмы, присущи лишь 0 живой природе и в современных земных условиях являются продуктами только биологической активности. Эти соединения, называемые биомолекулами, играют роль строительных блоков при образовании биологических структур; они были отобраны в ходе биологической эволюции благодаря пригодности к выполнению строго определенных функций в живых клетках. Во всех организмах эти соединения одинаковы и выполняют одни и те же функции. Для своей работы клетки должны уметь запасать и преобразовывать энергию. Основным переносчиком энергии в клетках являются молекулы АТФ, которые расщепляются до АДФ с выделением энергии. Синтез АТФ возможен при помощи мембранного белка АТФ синтетазы, который для своей работы использует электрохимический градиент на мембране. Этот градиент, в свою очередь, в некоторых бактериях создается мембранным белком бактериородопсином, который является простейшим биологическим преобразователем световой энергии в электрохимическую.

В процессе эволюции клетки научились реагировать на внешнюю среду. На внешней поверхности их мембран появились специфические распознающие участки, функции которых состоят в распознавании определенных молекулярных ^ сигналов. Эти сигналы могут быть достаточно разными и иметь разную природу. Так, в случае хемотаксиса, клетки «чувствуют» градиент химического вещества и реагируют на него, изменяя направление своего движения. В процессе фототаксиса клетки реагируют на изменение освещенности падающего света. В 1985 году был открыт новый рецептор фототаксиса, который оказался белком гомологичным бак-териородопсину и получил название сенсорного родопсина. Этот белок улавливает квант падающего света и передает сигнал на связанный с ним двуспиральный трансмембранный белок, называемый трансдьюсером, который, в свою очередь, передает сигнал к бактериальным моторам.

Актуальность-.

Основой для изучения свойств и понимания функционирования биологических объектов является их структура. Однако, несмотря на обилие структур высокого разрешения основного состояния бактериородопсина, детальный механизм работы ^ ретиналь содержащих белков, а для сенсорного родопсина и механизм в целом, до 4 сих пор остается непонятным. Кристаллографические данные дают статическую информацию о структуре белка. Более того, кристаллографические структуры не являются полными. Это связано с тем, что данные усредняются в течении времени сбора информации, и конечная структура представляет собой среднее положение только тех атомов, которые достаточно фиксированы в белке. Так, подвижные молекулы воды в цитоплазматической и внутриклеточной частях белка остаются неразрешенными. "Невидимые" рентгеноструктурным анализом части белка, включая молекулы воды, могут играть ключевую роль в его функционировании. Кроме того, известно что для осуществления определенных функций динамика макромолекул может быть так же важна, как и их структура. Таким образом, дополнительная информация к кристаллографическим данным о структуре и динамике является весьма необходимой для успешного понимания их функционирования. Она может быть получена как при помощи некоторых экспериментальных методик, таких как спектроскопия ЯМР, так и используя методы компьютерного моделирования. В последнее время широкое распространение получили методы молекулярной динамики. Это связано с возросшими компьютерными мощностями, которые на настоящий момент уже позволяют моделировать процессы в достаточно крупных молекулярных системах (до миллиона атомов) с характерными временами до 1-10 наносекунд.

Основными целями настоящей работы являлись изучение механизмов транспорта протона в бактериородопсине и трансмембранной передачи сигнала комплексом сенсорного родопсина при помощи методов компьютерного моделирования: молекулярной динамики и анализа нормальных мод.

Также изучались вопросы, относящиеся к динамике этих белков.

Основные результаты работы:

Для бактериородопсина было выполнено моделирование при помощи молекулярной динамики его основного (G) и ключевого из промежуточных (М) состояний. Были исследованы распределения и динамика молекул воды внутри белка в обоих состояниях. На основании полученных распределений были построены цепочки водородных связей, соединяющие ключевые группы внутри белка с водным окружением вокруг него, и проанализирован возможный транспорт протона вдоль этих цепочек. Были найдены дополнительные молекулы воды в структуре белка, невидимые в кристаллографических структурах, которые играют важную роль в образовании сети водородных связей.

Для проверки гипотезы о трансмембранной передаче сигнала хемо- и фото рецепторами при помощи поступательных коллективных движений альфа-спиралей в настоящей работе была исследована равновесная динамика комплекса сенсорного родопсина И. Также для этого комплекса была сделана оценка электростатического вклада в свободную энергию связывания комплекса и показана важная роль электростатики в стабильности структуры.

Научная новизна работы:

В данной работе впервые были изучены основное и М состояния бактериородопсина и проведен их сравнительный анализ. Также было показано, что динамика бактериородопсина отличается в мономерном и тримерном состояниях, что продемонстрировало важность окружения белка в мембране. Впервые было изучено М промежуточное состояние белка, что позволило получить новую информацию по механизму транспорта протона.

В настоящей работе предложены новые алгоритмы определения и определены внутренние молекулы воды, что позволило объяснить проводимость протона в ци-топлазматической части белка. Кроме того, было показано наличие молекул воды и ^ упорядоченных цепочек водородных связей во внутриклеточной части белка, что продемонстрировало возможность транспорта протона в этой части.

Впервые в М состоянии были обнаружены дополнительные молекулы воды, что позволило сформулировать новую гипотезу о возможном механизме транспорта протона в цитоплазматической части белка.

Кроме того, в данной работе предложен метод расчета нормальных мод для мембранного бежа. С его помощью в комплексе сенсорного родопсина II с трансдью-сером рассчитаны колебания молекулы.

Основываясь на известных структурах, были изучены коллективные движения в мембранной части комплекса и показано что альфа-спираль ТМ2 трансдьюсера, через которую передается сигнал в цитоплазму, обладает возможностью совершать колебания в направлении нормали мембраны с амплитудой 0.5-1 А и периодом 60 ps. Данный результат говорит в пользу гипотезы механизма трансмембранной передачи сигнала с помощью коллективных движений ТМ2 [1] и впервые позволяет оценить возможное характерное время передачи сигнала.

Практическая ценность работы: ^ Полученные результаты позволяют сформулировать новые эксперименты для изучения функционирования белка bR. В частности, показана важность нейтроно-структурного анализа в такого рода исследованиях.

Это может быть использовано для планирования будущих нейтронографических исследований структуры кристаллов по определению подвижных молекул воды на строящимся в США новом времяпролетном источнике нейтронов.

Разработанные методы и алгоритмы моделирования мембранных белков при помощи методов МД и НМА могут быть использованы при изучении широкого класса белков.

Апробаиия работы:

Основные положения работы и е результаты докладывались на следующих международных конференциях: «Workshop on Lipid-Protein Interaction», Гомадинген, Голландия, 26.03.2002; «COST D22 Workshop on Nanotechnologies of Membrane * Mimetic Systems» Грац, Австрия, 11.10.2002; «COST D22 Workshop on 'Protein-Lipid Interactions'», Мадрид, испания, 31.10.2003; «Workshop of Simulation of Protein-Lipid Interaction», Тулуза, Франция, 28.10.2004.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

A. Baumgaertner, М. Zuvic-Butorac and S. Grudinin, Recent results from computer simulations of membrane channels and pumps, Trans World Research, Recent Research Developments in Biophysics. Vol 2, 2003: 1-18.

A. Baumgaertner, S. Grudinin, J.-F. Gwan, J.-H. Lin, Molecular Dynamics Simulation of Membrane Proteins, NIC Symposium 2004, Proceedings, Dietrich Wolf, Gemot M' unster, Manfred Kremer (Editors), John von Neumann Institute for Computing, Jiilich, NIC Series, Vol. 20, ISBN 3-00-012372-5. 2003: 365-375.

S. Grudinin, G. Buldt, V. Gordeliy and A. Baumgaertner. Water Molecules and Hydrogen-Bonded Networks in Bacteriorhodopsin - Molecular Dynamics Simulations of the Ground State and the M Intermediate, Biophys J. 2005; 88: 3252-3261.

G. Papadopoulos, S. Grudinin, D.L. Kalpaxis and T. Choli-Papadopoulou, Changes in the rate of poly(Phe) synthesis in E. coli ribosomes containing mutants of L4 ribosomal protein from Thermus thermophilus can be explained by structural changes in the pep-tidyltransferase center: A Molecular Dynamics Simulation analysis, BMC Molecular Biology in press.

Заключение диссертации по теме «Биофизика», Грудинин, Сергей Владимирович

Основные результаты работы состоят в следующем. Разработаны новые методы и алгоритмы определения, описания и характеристики динамики и распределения молекул воды внутри белковых молекул. Предложены методы вычисления нормальных мод для определения тепловых колебаний наибольшей амплитуды в мембранных белках.

Путем моделирования мембранного белка бактериородопсина мономера и три-мера основного и М-промежуточного состояний обнаружены новые детали структуры белка, не видимые экспериментально.

При вычислении и анализе нормальных мод комплекса SRII-Htrll были обнаружены колебания низкой частоты, отвечающие за переход между конформациями G—»М и за смещение спирали Htrll. Оказалось, что смещение данной спирали происходит поступательно в направлении нормали мембранБ. Амплитуда смещения равна 0.5-1 А для 1-20 первых нормальных мод. Это говорит о возможности поршнеобразного механизма передачи сигнала комплексом, а также указывает на колебания, которые нужно возбудить в сигнальном состоянии для больших смещений спирали Htrll.

Использование новых методик моделирования белковых систем позволило получить ряд принципиально новых результатов, касающихся деталей структуры и функционирования мембранных белков бактериородопсина и комплекса сенсорного родопсина П.

1. В молекулах бактериородопсина были найдены новые короткоживущие молекулы воды, не видимые на кристаллографических структурах.

2. Используя эти новые молекулы воды были построены цепи водородных связей, соединяющие различные основания внутри белка с его поверхностью и водным окружением.

3. При помощи построенных цепей водородных связей были указаны возможные пути транспорта протона во внеклеточной части белка.

4. Были найдены каналы для транспорта молекул воды внутрь белка в его цито-плазматической части.

5. При сравнении динамики бактериородопсина в мономерном и тримерном сот стояниях была выявлена важная роль белкового окружения, которая очень сильно влияет на его структуру и функцию.

6. Была показана важная роль электростатических взаимодействий в присоединении трансдьюсера Htrll к рецептору SRII.

7. Были посчитаны низшие нормальные моды колебаний комплекса SRII-Htrll и указан возможный механизм передачи сигнала этим комплексом.

8. Для комплекса SRII-Htrll была подтверждена гипотеза о поршнеобразном механизме передачи сигнала.

9. Для комплекса SRII-Htrll были найдены две моды, ответственные за смещение спирали Htrll и возможную передачу сигнала в сигнальном состоянии.

Диссертационная работа продемонстрировала новые возможности методов компьютерного моделирования в изучении функции белков и предсказании его новых свойств.

В заключении хочу выразить искреннюю благодарность своему научному руководителю к. ф,- м. н. В. И. Горделию за постановку задач, научное руководство и обсуждение материала, который изложен в диссертации. Проф. Г. Бюльдт и доц. А. Баумгертнер оказали неоценимую помощь в обсуждении материала и результатов работы.

Выражаю глубокую признательность Р. Ефремову, Р. Мухаметзянову и К. Вотя-кову за постоянные научные дискуссии и поддержку в ходе работы.

Глубоко признателен свои друзьям и коллегам из институтов Ш1-2 и Теория-П научного центра г. Юлиха за научное сотрудничество и поддержку.

Хочу поблагодарить сотрудников кафедры молекулярной биофизики МФТИ за прекрасную теоретическую подготовку и интерес к моей работе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Грудинин, Сергей Владимирович, 2005 год

1. Klare JP, VI Gordeliy, J Labahn, G Buldt, H Steinhoff, and M Engelhard (2004). The archaeal sensory rhodopsin II/transducer complex: a model for transmembrane signal transfer. FEBS Lett 564: 219-224.

2. Spudich JL, CS Yang, KH Jung, and EN Spudich (2000). Retinylidene proteins: structures and functions from archaea to humans. Annu Rev Cell Dev Biol 16: 365392.

3. Sasaki J, and JL Spudich (2000). Proton transport by sensory rhodopsins and its modulation by transducer-binding. Biochim Biophys Acta 1460: 230-239.

4. Stoeckenius W (1999). Bacterial rhodopsins: evolution of a mechanistic model for the ion pumps. Protein Sci 8: 447-459.

5. Kamo N, К Shimono, M Iwamoto, and Y Sudo (2001). Photochemistry and photoinduced proton-transfer by pharaonis phoborhodopsin. Biochemistry (Mosc) 66: 1277-1282.

6. Spudich JL (1998). Variations on a molecular switch: transport and sensory signalling by archaeal rhodopsins. Mol Microbiol 28: 1051-1058.

7. Essen L (2002). Halorhodopsin: light-driven ion pumping made simple?. Curr Opin Struct Biol 12: 516-522.

8. Spudich JL, and RA Bogomolni (1984). Mechanism of colour discrimination by a bacterial sensory rhodopsin. Nature 312: 509-513.

9. Hoff WD, A Xie, IH Van Stokkum, XJ Tang, J Gural, AR Kroon, and KJ Hellingwerf (1999). Global conformational changes upon receptor stimulation in photoactive yellow protein. Biochemistry 38: 1009-1017.

10. Hoff WD, KH Jung, and JL Spudich (1997). Molecular mechanism of photosignaling by archaeal sensory rhodopsins. Annu Rev Biophys Biomol Struct 26: 223-258.

11. Quail PH (1998). The phytochrome family: dissection of functional roles and signalling pathways among family members. Philos Trans R Soc bond В Biol Sci 353: 1399-1403.

12. Kort R, WD Hoff, M Van West, AR Kroon, SM Hoffer, KH Vlieg, W Crielaand, JJ Van Beeumen, and KJ Hellingwerf (1996). The xanthopsins: a new family of eubacterial blue-light photoreceptors. EMBOJ15: 3209-3218.

13. Ahmad M, and AR Cashmore (1993). HY4 gene of A. thaliana encodes a protein with characteristics of a blue-light photoreceptor. Nature 366: 162-166.

14. Huala E, PW Oeller, E Liscum, IS Han, E Larsen, and WR Briggs (1997). Arabidopsis NPH1: a protein kinase with a putative redox-sensing domain. Science 278:2120-2123.

15. Gomelsky M, and G Klug (2002). BLUF: a novel FAD-binding domain involved in sensory transduction in microorganisms. Trends Biochem Sci 27: 497-500.

16. Van der Horst MA, and KJ Hellingwerf (2004). Photoreceptor proteins, "star actors of modern times": a review of the functional dynamics in the structure of representative members of six different photoreceptor families. Acc Chem Res 37: 13-20.

17. Atkins PW ( 1998). in Physical Chemistry 6th edn,: 741.

18. Stearn AE, and J & Eyring (1937). The deduction of reaction mechanisms from the theory of absolute rates. J. Chem. Phys. 5: 113-124.

19. Hueckel E (1928). Theorie der Beweglichkeiten des Wasserstoff- und Hydroxylions in waessriger Loesung. Z. Elektrochem. 34: 546-562.

20. Wannier G (1935). Die Beweglichkeit des Wasserstoff- und Hydroxylions in wassriger Loesung. Ann. Phys. (Leipz.) 24: 545-590.

21. Bernal JD, and RH Fowler (1933). A theory of water and ionic solution, with particular reference to hydrogen and hydroxyl ions. J. Chem. Phys. 1: 515-548.

22. Huggins ML (1936). Hydrogen bridges in ice and liquid water. J. Phys. Chem. 40: 723-731.

23. Wicke E, M Eigen, and T Ackermann (1954). Ueber den Zustand des Protons (Hydroniumions) in wassriger Loesung. Z. Phys. Chem. (N.F.) 1: 340-364.

24. Eigen M (1964). Proton transfer, acid±base catalysis and enzymatic hydrolysis. Angew. Chem. Int. Edn Engl. 3: 1-19.

25. Zundel G ( 1976). in The Hydrogen BondDRecent Developments in Theory and Experiments. II. Structure and Spectroscopy. 683-766. Schuster P, Zundel G, Sandorfy С (Editors).

26. Zundel G, and H Metzger (1968). Energiebaender der tunnelnden ueberschuss-Protenon in fluessigen Saeuren. Eine IR-spektroskopische Untersuchung der Natur der Gruppierungen H502+ . Z. Physik. Chem. (N.F.) 58: 225-245.

27. Marx D, M Tuckerman, J Hutter, and M Parrinello (1999). The nature of the hydrated excess proton in water. Nature 397: 601-604.

28. Schmidt R, and J Brickmann (1997). Molecular dynamics simulation of the proton transport in water. Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 101: 1816-1827.

29. Shurki A, and A Warshel (2003). Structure/function correlations of proteins using MM, QM/MM, and related approaches: methods, concepts, pitfalls, and current progress. A dv Protein Chem 66: 249-313.

30. Vuilleumier R, and D Borgis (1998). An extended empirical valence bond model for describing proton transfer in H+(H20)n clusters and liquid water. Chem. Phys. Lett. 284: 71-77.

31. Schmitt UW, and GA Voth (1998). Multistate empirical valence bond model for proton transport in water. J. Phys. Chem. B. 102: 5547-5551.

32. Braun-Sand S, M Strajbl, and A Warshel (2004). Studies of proton translocations in biological systems: simulating proton transport in carbonic anhydrase by EVB-based models. BiophysJ 87: 2221-2239.

33. Warshel A, and R Weiss (1980). An empirical valence bond approach for comparing reactions in solutions and in enzymes. J. Am. Chem. Soc. 102: 6218— 6226.

34. Lill M, and Helms V (2001). Molecular dynamics simulation of proton transport with quantum mechanically derived proton hopping rates (Q-HOP MD). J. Chem. Phys. 115: 7993-8005.

35. Hayashi S, E Tajkhorshid, and К Schulten (2003). Molecular dynamics simulation of bacteriorhodopsin's photoisomerization using ab initio forces for the excited chromophore. BiophysJ 85: 1440-1449.

36. Hayashi S, E Tajkhorshid, and К Schulten (2002). Structural changes during the formation of early intermediates in the bacteriorhodopsin photocycle. Biophys J 83: 1281-1297.

37. Hayashi S, and I Ohmine (2000). Proton transfer in bacteriorhodopsin: structure, excitation, R spectra, and potential energy surface analyses by an ab initio QM/MM method. J. Phys. Chem. В 104: 10678-10691.

38. Bondar A, M Elstner, S Suhai, JC Smith, and S Fischer (2004). Mechanism of primary proton transfer in bacteriorhodopsin. Structure (Camb) 12: 1281-1288.

39. Gruia AD, A Bondar, JC Smith, and S Fischer (2005). Mechanism of a molecular valve in the halorhodopsin chloride pump. Structure (Camb) 13: 617-627.

40. Oesterhelt D, and W Stoeckenius (1973). Functions of a new photoreceptor membrane. P roc Natl Acad Sci USA 70: 2853-2857.

41. Oesterhelt D, and В Hess (1973). Reversible photolysis of the purple complex in the purple membrane of Halobacterium halobium. Eur J Biochem 37: 316-326.

42. Drachev LA, AD Kaulen, SA Ostroumov, and VP Skulachev (1974). Electrogenesis by bacteriorhodopsin incorporated in a planar phospholipid membrane. FEBSLett 39: 43-45.

43. Овчинников Ю, H Абдулаев, M Фейгина, А Киселев, H Лобанов, и И Назимов (1978). Первичная последовательность бактериородопсина. Биоорг. Хим. 4: 1573-1574.

44. Henderson R, and PN Unwin (1975). Three-dimensional model of purple membrane obtained by electron microscopy. Nature 257: 28-32.

45. Henderson R, JM Baldwin, ТА Ceska, F Zemlin, E Beckmann, and KH Downing (1990). Model for the structure of bacteriorhodopsin based on high-resolution electron cryo-microscopy. JMol Biol 213: 899-929.

46. Grigorieff N, ТА Ceska, KH Downing, JM Baldwin, and R Henderson (1996). Electron-crystallographic refinement of the structure of bacteriorhodopsin. JMol Biol 259: 393-421.

47. Landau EM, and JP Rosenbusch (1996). Lipidic cubic phases: a novel concept for the crystallization of membrane proteins. Proc Natl Acad Sci U SA 93: 1453214535.

48. Pebay-Peyroula E, G Rummel, JP Rosenbusch, and EM Landau (1997). X-ray structure of bacteriorhodopsin at 2.5 angstroms from microcrystals grown in lipidic cubic phases. Science 277: 1676-1681.

49. Schobert B, J Cupp-Vickery, V Hornak, S Smith, and J Lanyi (2002). Crystallographic structure of the К intermediate of bacteriorhodopsin: conservation of free energy after photoisomerization of the retinal. JMol Biol 321: 715-726.

50. Lozier RH, RA Bogomolni, and W Stoeckenius (1975). Bacteriorhodopsin: a light-driven proton pump in Halobacterium Halobium. Biophys J15: 955-962.

51. Драчев H, JI Каулен, и В Скулачев (1977). Временные характеристики бактериородопсина как молекулярного биологического генератора тока. Мол. Биол. (Москва) И: 1377-1387.

52. Литвин Ф, и С Балашов (1977). Новые промежуточные состояния в фотохе-мической трансформации родопсина. Биофизика 22: 1111-1114.

53. Lanyi JK (1993). Proton translocation mechanism and energetics in the light-driven pump bacteriorhodopsin. Biochim Biophys Acta 1183: 241-261.

54. Matsui Y, К Sakai, M Murakami, Y Shiro, SI Adachi, H Okumura, and T Kouyama (2002). Specific damage induced by X-ray radiation and structural changes in the primary photoreaction of bacteriorhodopsin. J Mol Biol 324: 469481.

55. Edman К, P Nollert, A Royant, H Belrhali, E Pebay-Peyroula, J Hajdu, R Neutze, and EM Landau (1999). High-resolution X-ray structure of an early intermediate in the bacteriorhodopsin photocycle. Nature 401: 822-826.

56. Royant А, К Edman, T Ursby, E Pebay-Peyroula, EM Landau, and R Neutze (2000). Helix deformation is coupled to vectorial proton transport in the photocycle of bacteriorhodopsin. Nature 406: 645-648.

57. Lanyi J, and В Schobert (2002). Crystallographic structure of the retinal and the protein after deprotonation of the Schiff base: the switch in the bacteriorhodopsin photocycle. J Mol Biol 321: 727-737.

58. Subramaniam S, M Lindahl, P Bullough, AR Faruqi, J Tittor, D Oesterhelt, L Brown, J Lanyi, and R Henderson (1999). Protein conformational changes in the bacteriorhodopsin photocycle. J Mol Biol 287: 145-161.

59. Sass HJ, G Buldt, R Gessenich, D Hehn, D Neff, R Schlesinger, J Berendzen, and " P Ormos (2000). Structural alterations for proton translocation in the M state of wild-type bacteriorhodopsin. Nature 406: 649-653.

60. Luecke H, В Schobert, НТ Richter, JP Cartailler, and Ж Lanyi (1999). Structural changes in bacteriorhodopsin during ion transport at 2 angstrom resolution. Science 286: 255-261.

61. Subramaniam S, M Gerstein, D Oesterhelt, and R Henderson (1993). Electron diffraction analysis of structural changes in the photocycle of bacteriorhodopsin. EMBOJ12: 1-8.

62. Koch MH, NA Dencher, D Oesterhelt, HJ Plohn, G Rapp, and G Buldt (1991). Time-resolved X-ray diffraction study of structural changes associated with the photocycle of bacteriorhodopsin. EMBOJ 10: 521-526.

63. Subramaniam S, and R Henderson (2000). Molecular mechanism of vectorial proton translocation by bacteriorhodopsin. Nature 406: 653-657.

64. Vonck J (2000). Structure of the bacteriorhodopsin mutant F219L N intermediate revealed by electron crystallography. EMBOJ 19: 2152-2160.

65. Rouhani S, JP Cartailler, MT Facciotti, P Walian, R Needleman, Ж Lanyi, RM Glaeser, and H Luecke (2001). Crystal structure of the D85S mutant of bacteriorhodopsin: model of an O-like photocycle intermediate. JMol Biol 313: 615-628.

66. Sudo Y, M Iwamoto, К Shimono, M Sumi, and N Kamo (2001). Photo-induced proton transport of pharaonis phoborhodopsin (sensory rhodopsin II) is ceased by association with the transducer. BiophysJ 80: 916-922.

67. Schmies G, M Engelhard, PG Wood, G Nagel, and E Bamberg (2001). Electrophysiological characterization of specific interactions between bacterial sensory rhodopsins and their transducers. Proc Natl Acad Sci USA 98: 1555-1559.

68. Hou S, A Brooun, HS Yu, T Freitas, and M Alam (1998). Sensory rhodopsin II transducer Htrll is also responsible for serine chemotaxis in the archaeon Halobacterium salinarum. J Bacteriol 180: 1600-1602.

69. Maddock JR, and L Shapiro (1993). Polar location of the chemoreceptor complex in the Escherichia coli cell. Science 259: 1717-1723.

70. Bray D, MD Levin, and CJ Morton-Firth (1998). Receptor clustering as a cellular mechanism to control sensitivity. Nature 393: 85-88.

71. Wegener AA, JP Klare, M Engelhard, and HJ Steinhoff (2001). Structural insights into the early steps of receptor-transducer signal transfer in archaeal phototaxis. EMBOJ20: 5312-5319.

72. Chen X, and JL Spudich (2002). Demonstration of 2:2 stoichiometry in the functional SRI-Htrl signaling complex in Halobacterium membranes by gene fusion analysis. Biochemistry 41: 3891-3896.

73. Kim KK, H Yokota, and SH Kim (1999). Four-helical-bundle structure of the cytoplasmic domain of a serine chemotaxis receptor. Nature 400: 787-792.

74. Royant A, P Nollert, К Edman, R Neutze, EM Landau, E Pebay-Peyroula, and J Navarro (2001). X-ray structure of sensory rhodopsin II at 2.1-A resolution. Proc Natl Acad Sci USA 98: 10131-10136.

75. Luecke H, В Schobert, Ж Lanyi, EN Spudich, and JL Spudich (2001). Crystal structure of sensory rhodopsin II at 2.4 angstroms: insights into color tuning and transducer interaction. Science 293: 1499-1503.

76. Oprian DD (2003). Phototaxis, chemotaxis and the missing link. Trends Biochem Sci 28: 167-169.

77. Yan В, T Takahashi, R Johnson, and JL Spudich (1991). Identification of signaling states of a sensory receptor by modulation of lifetimes of stimulus-induced conformations: the case of sensory rhodopsin II. Biochemistry 30: 10686-10692.

78. Wegener AA, I Chizhov, M Engelhard, and HJ Steinhoff (2000). Time-resolved detection of transient movement of helix F in spin-labelled pharaonis sensory rhodopsin II. J MolBiol 301: 881-891.

79. Yang CS, and JL Spudich (2001). Light-induced structural changes occur in the transmembrane helices of the Natronobacterium pharaonis Htrll transducer. Biochemistry 40: 14207-14214.

80. Gordeliy VI, R Schlesinger, R Efremov, G Buldt, and J Heberle (2003). Crystallization in lipidic cubic phases: a case study with bacteriorhodopsin. Methods MolBiol 228: 305-316.

81. Первушин К, и А Арсеньев (1995). Спектроскопия ЯМР в исследовании пространственной структуры мембранных пептидов и белков. Биоорганическая химия 21: 83-111.

82. Zaccai G (2000). Moist and soft, dry and stiff: a review of neutron experiments on hydration-dynamics-activity relations in the purple membrane of Halobacterium salinarum. Biophys Chem 86: 249-257.

83. Weik M, G Zaccai, NA Dencher, D Oesterhelt, and T Hauss (1998). Structure and hydration of the M-state of the bacteriorhodopsin mutant D96N studied by neutron diffraction. JMol Biol 275: 625-634.

84. Papadopoulos G, NA Dencher, G Zaccai, and G Buldt (1990). Water molecules and exchangeable hydrogen ions at the active centre of bacteriorhodopsin localized by neutron diffraction. Elements of the proton pathway?. JMol Biol 214: 15-19.

85. Kandori H (2000). Role of internal water molecules in bacteriorhodopsin. Biochim Biophys Acta 1460: 177-191.

86. Gottschalk M, NA Dencher, and В Halle (2001). Microsecond exchange of internal water molecules in bacteriorhodopsin. JMol Biol 311: 605-621.

87. Denisov VP, BH Jonsson, and В Halle (1999). Hydration of denatured and molten globule proteins. Nat Struct Biol 6: 253-260.

88. Denisov VP, and В Halle (1996). Protein hydration dynamics in aqueous solution. Faraday Discuss 103: 227-244.

89. Denisov VP, and В Halle (1995). Hydrogen exchange and protein hydration: the deuteron spin relaxation dispersions of bovine pancreatic trypsin inhibitor and ubiquitin. JMol Biol 245: 698-709.

90. Denisov VP, and В Halle (1995). Protein hydration dynamics in aqueous solution: a comparison of bovine pancreatic trypsin inhibitor and ubiquitin by oxygen-17 spin relaxation dispersion. JMol Biol 245: 682-697.

91. Levitt M, and BH Park (1993). Water: now you see it, now you don't. Structure 1: 223-226.

92. Otting G, and E Liepinsh (1995). Protein hydration viewed by high-resolution NMR spectroscopy: implications for magnetic resonance image contrast. Acc. Chem. Res. 28: 171-177.

93. Otting G, E Liepinsh, and К Wuthrich (1991). Protein hydration in aqueous solution. Science 254: 974-980.

94. Ernst JA, RT Clubb, HX Zhou, AM Gronenborn, and GM Clore (1995). Demonstration of positionally disordered water within a protein hydrophobic cavity by NMR. Science 267: 1813-1817.

95. Yu В, M Blaber, AM Gronenborn, GM Clore, and DL Caspar (1999). Disordered water within a hydrophobic protein cavity visualized by x-ray crystallography. Proc Natl Acad Sci USA 96: 103-108.

96. Marx D, and J Hutter (2000). In Modern Methods and Algorithms of Quantum Chemistry in NIC, Juelich: 301-409. J Grotendorst (Editor).

97. Grudinin S, G Buldt, V Gordeliy, and A Baumgaertner (2005). Water Molecules and Hydrogen-Bonded Networks in Bacteriorhodopsin Molecular Dynamics Simulations of the Ground State and the M Intermediate. Biophys J 88: 3252-3261.

98. Kandt C, J Schlitter, and К Gerwert (2004). Dynamics of water molecules in the bacteriorhodopsin trimer in explicit lipid/water environment. Biophys J 86: 705717.

99. Olkhova E, MC Hutter, MA bill, V Helms, and H Michel (2004). Dynamic water networks in cytochrome С oxidase from Paracoccus denitrificans investigated by molecular dynamics simulations. Biophys J 86: 1873-1889.

100. Tung C, and KY Sanbonmatsu (2004). Atomic model of the Thermus thermophilus 70S ribosome developed in silico. Biophys J 87: 2714-2722.

101. Ginalski K, NV Grishin, A Godzik, and L Rychlewski (2005). Practical lessons from protein structure prediction. Nucleic Acids Res 33: 1874-1891.

102. Duan Y, L Wang, and PA Kollman (1998). The early stage of folding of villin headpiece subdomain observed in a 200-nanosecond fully solvated molecular dynamics simulation. Proc Natl Acad Sci USA 95: 9897-9902.

103. Leach Andrew R. (2001). Molecular Modelling: Principles and Application. Prentice Hall.

104. Frenkel D, and В Smit (1996). Understanding molecular simulation: from algorithms to applications. Academic Press: San Diego.

105. Spassov VZ, H Luecke, К Gerwert, and D Bashford (2001). pK(a) Calculations suggest storage of an excess proton in a hydrogen-bonded water network in bacteriorhodopsin. J Mol Biol 312: 203-219.

106. Onufriev A, A Smondyrev, and D Bashford (2003). Proton affinity changes driving unidirectional proton transport in the bacteriorhodopsin photocycle. J Mol Biol 332: 1183-1193.

107. Bashford D, and M Karplus (1990). pKa's of ionizable groups in proteins: atomic detail from a continuum electrostatic model. Biochemistry 29: 10219-10225.

108. Lee MR, Y Duan, and PA Kollman (2000). Use of MM-PB/SA in estimating the free energies of proteins: application to native, intermediates, and unfolded villin headpiece. Proteins 39: 309-316.

109. Morris GM, DS Goodsell, R Huey, and AJ Olson (1996). Distributed automated docking of flexible ligands to proteins: parallel applications of AutoDock 2.4. J Comput AidedMolDes 10: 293-304.

110. Cui Q, G Li, J Ma, and M Karplus (2004). A normal mode analysis of structural plasticity in the biomolecular motor F(l)-ATPase. JMol Biol 340: 345-372.

111. Tama F, M Valle, J Frank, and CL3 Brooks (2003). Dynamic reorganization of the functionally active ribosome explored by normal mode analysis and cryo-electron microscopy. Proc Natl Acad Sci USA 100: 9319-9323.

112. Edholm О, О Berger, and F Jahnig (1995). Structure and fluctuations of bacteriorhodopsin in the purple membrane: a molecular dynamics study. JMol Biol 250: 94-111.

113. Baudry J, E Tajkhorshid, F Molnar, P Phillips, and К Schulten (2001). Molecular dynamics study of bacteriorhodopsin and the purple membrane. J. Phys. Chem. В 105:905-918.

114. Keseru GM, and I Kolossvary (2001). Fully flexible low-mode docking: application to induced fit in HIV integrase. JAm Chem Soc 123: 12708-12709.

115. Ma J, and M Karplus (1998). The allosteric mechanism of the chaperonin GroEL: a dynamic analysis. Proc Natl Acad Sci USA 95: 8502-8507.

116. Thomas A, MJ Field, L Mouawad, and D Perahia (1996). Analysis of the low frequency normal modes of the T-state of aspartate transcarbamylase. JMol Biol 257: 1070-1087.

117. Tama F, and CL3 Brooks (2002). The mechanism and pathway of pH induced swelling in cowpea chlorotic mottle virus. JMol Biol 318: 733-747.

118. Tirion M (1996). Large Amplitude Elastic Motions in Proteins from a Single-Parameter, Atomic Analysis. Physical Review Letters 77: 1905-1908.

119. Hinsen K, N Reuter, J Navaza, DL Stokes, and J Lacapere (2005). Normal mode-based fitting of atomic structure into electron density maps: application to sarcoplasmic reticulum Ca-ATPase. BiophysJ 88: 818-827.

120. Tama F, W Wriggers, and CL3 Brooks (2002). Exploring global distortions of biological macromolecules and assemblies from low-resolution structural information and elastic network theory. JMol Biol 321: 297-305.

121. Ming D, Y Kong, SJ Wakil, J Brink, and J Ma (2002). Domain movements in human fatty acid synthase by quantized elastic deformational model. Proc Natl AcadSci USA 99: 7895-7899.

122. Tajkhorshid E, J Baudry, К Schulten, and S Suhai (2000). Molecular dynamics study of the nature and origin of retinal's twisted structure in bacteriorhodopsin. BiophysJ 78: 683-693.

123. Yang С, О Sineshchekov, EN Spudich, and JL Spudich (2004). The cytoplasmic membrane-proximal domain of the Htrll transducer interacts with the E-F loop of photoactivated Natronomonas pharaonis sensory rhodopsin П. J Biol Chem 279: 42970-42976.

124. Sudo Y, M Iwamoto, К Shimono, and N Kamo (2002). Association between a photo-intermediate of a M-lacking mutant D75N of pharaonis phoborhodopsin and its cognate transducer. JPhotochem Photobiol В 67: 171-176.

125. Шноль Э, Гривцов А.Г., и и.др. (1996). Метод молекулярной динамики в физической химии. М.: Наука.

126. Allen М, and D Tildesley (1987). Computer Simulation of Liquids. Oxford: Clarendon Press.

127. Полозов P (1981). Метод полуэмпирического силового поля в конформаци-онном анализе биополимеров, М., Наука: 120.

128. Китайгородский А (1955). Органическая кристаллохимия. Из-воАНСССР.

129. Weiner S, and Kollman, PA, Case, DA (1984). A new force field for molecular mechanical simulation of nucleic acids and proteins. J. Am. Chem. Soc. 106: 765784 .

130. Ponder JW, and DA Case (2003). Force fields for protein simulations. Adv. Prot. Chem. 66: 27-85.

131. MacKerell A D, and Jr., D. Bashford, M. Bellott, R. L. Dunbrack, Jr., J. D. Evanseck, M. J. Field, S. Fischer, J. Gao, H. Guo, S. Ha, D. Joseph-McCarthy, L.

132. Jorgensen W, and J Tirado-Rives (1988). The OPLS potential functions for proteins. Energy minimizations for crystals of cyclic peptides and Crambin. J. Am. Chem. Soc 110: 1657- 1666.

133. Nevins N, and NL Allinger (1996). Molecular mechanics (MM4) vibrational frequency calculations for alkenes and conjugated hydrocarbons. Journal of Computational Chemistry 17: 730-746 .

134. Nevins N, and NA JH Lii (1996). Molecular mechanics (MM4) calculations on conjugated hydrocarbons. Journal of Computational Chemistry 17: 695-729.

135. Nevins N, and NA К Chen (1996). Molecular mechanics (MM4) calculations on alkenes. Journal of Computational Chemistry 17: 669 694.

136. Allinger N, and JL К Chen (1996). An improved force field (MM4) for saturated hydrocarbons. Journal of Computational Chemistry 17: 642 668.

137. Allinger, NL, YH Yuh, JH Lii (1989). Molecular mechanics. The MM3 force field for hydrocarbons. J. Am. Chem. So. Ill: 8551-9556 .

138. Allinger N, and JL YH Yuh (1977). Conformational analysis. 130. MM2. A hydrocarbon force field utilizing V 1 and V 2 torsional terms. J. Am. Chem. Soc. 99: 8127-8134.

139. Allinger N, and JT Sprague (1973). Calculation of the structures of hydrocarbons containing delocalized electronic systems by molecular mechanics method. J. Amer. Chem. Soc. 95: 3893-3907 .

140. Lii JH, and NA (1989). Molecular Mechanics. The MM3 Force Field for Hydrocarbons. 2. Vibrational Frequencies and Thermodynamics . J. Am. Chem. Soc. Ill: 8566-8582 .

141. Cox SR, and DE Williams (1981). Representation of the Molecular Electrostatic Potential by a New Atomic Charge Model. Journal of Computational Chemistry 2 304-323 .

142. Singh UC, and PA Kollman (1984). An Approach to Computing Electrostatic Charges for Molecules. Journal of Computational Chemistry 5: 129-145 .

143. Bayly С I, P Cieplak, W D Cornell^ A Kollman (1993). A Weil-Behaved Electrostatic Potential Based Method for Deriving Atomic Charges The RESP Model. Journal of Physical Chemistry 97: 10269-10280.

144. Jorgensen WL, J Chandrasekhar, and JD Madura (1983). Comparison of simple potential functions for simulating liquid water. The Journal of Chemical Physics 79: 926-935.

145. Rigby M, Smith, E, B, Wakeham, W, A, and Maitland , G, С (1986). The Forces Between Molecules. Oxford, Clarendon Press.

146. Weiner S, P Kollman, D Nguyen, and Case DA (1986). An all atom force field for simulations of proteins and nucleic acids. J. Comput. Chem. 7: 230-252.

147. Berendsen H, J Grigera, and T Straatsma (1987). The missing term in effective pair potentials. J. Phys. Chem. 91: 6269-6271.

148. Berendsen HJC, J Postma, W van Gunsteren, and J Hermans (1981). Interaction models for water in relation to protein hydration in Intermolecular Forces: 331342. B. Pullman (Editor).

149. Van der Spoel D, PJ van Maaren, and HJC Berendsen (1998). A systematic study of water models for molecular simulation: Derivation of water models optimized for use with a reaction field. Journal of Chemical Physiscs 108: 10220-10230.

150. Heinz,T,N, van Gunsteren,W,F, and Huenenberger, P,H (2001). Comparison of four methods to compute the dielectric permittivity of liquids from molecular dynamics simulations. Journal of Chemical Physics 115: 1125-1136.

151. Im W, D Beglov, and В Roux (1998). Continuum solvation model: Electrostatic forces from numerical solutions to the Poisson-Bolztmann equation. Сотр. Phys. Comm 111: 59-75.

152. Simonson T (2003). Electrostatics and dynamics of proteins. Rep. Prog. Phys. 66: 737-787.

153. Still,W,C, A Tempczyk, Hawley,R,C, and T Hendrickson (1990). Semianalytical treatment of solvation for molecular mechanics and dynamics. J. Am. Chem. Soc. 112: 6127-6129.

154. Schaefer M, and M Karplus (1996). A comprehensive analytical treatment of continuum electrostatics. J. Phys. Chem. 100: 1578-1599.

155. Edinger, S.R., С Cortis, P Shenkin, and R Friesner (1997). Solvation free energies of peptides:Comparison of approximate continuum solvation models with accurate solution of the Poisson-Boltzmann equation. J. Phys. Chem. В 101: 1190-1197.

156. Onufriev A, DA Case, and D Bashford (2002). Effective Born radii in the generalized Born approximation: the importance of being perfect. J Comput Chem 23: 1297-1304.

157. Onufriev A, D Bashford, and Case, D,A (2000). Modification of the Generalized Born Model Suitable for Macromolecules. J. Phys. Chem. В 104: 3712-3720.

158. Lee, M,S, J F.R. Salsbury, and C.L. Brooks III (2002). Novel generalized Born methods. J.Chem. Phys. 116: 10606-10614.

159. Dominy BN, and CL3 Brooks (1999). Methodology for protein-ligand binding studies: application to a model for drug resistance, the HIV/FIV protease system. Proteins 36: 318-331.

160. Соггу В, S Kuyucak, and S Chung (2003). Dielectric self-energy in Poisson-Boltzmann and Poisson-Nernst-Planck models of ion channels. Biophys J 84: 3594-3606.

161. Honig B, and A Nicholls (1995). Classical electrostatics in biology and chemistry. Science 268: 1144-1149.

162. Yang AS, MR Gunner, R Sampogna, К Sharp, and В Honig (1993). On the calculation of pKas in proteins. Proteins 15: 252-265.

163. Dominy BN, D Perl, FX Schmid, and CL3 Brooks (2002). The effects of ionic strength on protein stability: the cold shock protein family. JMol Biol 319: 541554.

164. Antosiewicz J, JA McCammon, and MK Gilson (1994). Prediction of pH-dependent properties of proteins. JMol Biol 238: 415-436.

165. Lee MR, and PA Kollman (2001). Free-energy calculations highlight differences in accuracy between X-ray and NMR structures and add value to protein structure prediction. Structure (Camb) 9: 905-916.

166. Luo R, L David, and MK Gilson (2002). Accelerated Poisson-Boltzmann calculations for static and dynamic systems. JComput Chem 23: 1244-1253.

167. Lu BZ, WZ Chen, CX Wang, and X Xu (2002). Protein molecular dynamics with electrostatic force entirely determined by a single Poisson-Boltzmann calculation. Proteins 48: 497-504.

168. Sharp К (1991). Incorporating solvent and ion screening into molecular dynamics using the finite-difference Poisson-Boltzmann method. Journal of Computational Chemistry 12: 454-468.

169. Zauhar RJ (1991). The incorporation of hydration forces determined by continuum electrostatics into molecular mechanics simulations. Journal of Computational Chemistry 12: 573-583.

170. Gilson MK, and BH Honig (1987). Calculation of electrostatic potentials in an enzyme active site. Nature 330: 84-86.

171. Bottcher С (1973). Theory of Electric Polarization. Elsevier Press: Amsterdam.

172. Fletcher R, and С Reeves (1964). Function minimization by conjugate gradients. Comput. J. 7: 149-154.

173. Polak E, and G Ribiere (1969). Note sur la convergence de methodes de directions conjuguees. Rev. Francaise Informat Recherche Operationnelle 16: 35-43.

174. Verlet L (1967). Computer "experiments" on classical fluids. I. Thermodynamical properties of Lennard-Jones molecules. Physical Review 159: 98-103.

175. Swope WC, HC Andersen, PH Berens, and KR Wilson (1982). A computer simulation method for the calculation of equilibrium constants for the formation of physical clusters of molecules: Applications to small water clusters. J. Chem. Phys. 76: 637-649.

176. Goldstein H (1980). Classical Mechanics. Addison Wesley, Reading, Massachusetts.

177. J-P. Ryckaert, G. Ciccotti, and H. J. C. Berendsen (1977). Numerical integration of the cartesian equations of motion of a system with constraints: molecular dynamics ofn-alkanes. .J. Comput. Phys. 23: 3277341.

178. Andersen HC (1983). Rattle: a "velocity" version of the shake algorithm for molecular dynamics calculations. J. Comput. Phys. 52: 24734.203. van Gunsteren WF (1980). Constrained dynamics of flexible molecules. Molec. Phys. 40: 1015-1019.

179. Woodcock L V (1971). Isothermal Molecular Dynamics Calculations for Liquid Salts . Chemical Physics Letters 10: 257-261.

180. Berendsen HC, and WF van Gunsteren ( 1984). Molecular Dynamics Simulations Techniques and Approaches in Molecular Liquids, Dynamics and Interactions'. 475-600 . Barnes A J, W J Orville-Thomas, J Yarwood (Editor).

181. Nose S (1984). A Molecular Dynamics Method for Simulations in the Canonical Ensemble. Molecular Physics 53: 255-268.

182. Hoover W. G. (1985). Canonical dynamics: Equilibrium phase-space distributions. Physical Review A 31: 1695-1697.

183. Nelson MT, and W Humphrey, A Gursoy, A Dalke, L Kale, R D. Skeel, К Schulten (1996). NAMD: a parallel, object-oriented molecular dynamics program. Int. J. Supercomput. Appl. High Perform. Comput. :.

184. Tuckerman ME, Y Liu, and Ciccotti, G,. Martyna, G. J. (2001). Non-Hamiltonian molecular dynamics: Generalizing Hamilton phase space principles to non-Hamiltonian systems. J. Chem. Phys. 116: 1678-1688.

185. Ewald PP (1921). Die Berechnung optischer und elektrostatistischer Gitterpotentiale. Ann. Phys. (Leipzig) 64: 253-287.

186. Darden T, D York, and L Pedersen (1993). Particle mesh Ewald: An N log N method for Ewald sums in large systems. J. Chem. Phys. 98: 10089-10092.

187. Adams D (1983). Alternatives to the periodic cube in computer simulation. CCP5 Information Quarterly for Computer Simulation : 30-36.

188. Takada S (1999). Go-ing for the prediction of protein folding mechanisms. Proc Natl Acad Sci USA 96: 11698-11700.

189. Honig В (1999). Protein folding: from the levinthal paradox to structure prediction. JMolBiol 293: 283-293.

190. Hardin C, TV Pogorelov, and Z Luthey-Schulten (2002). Ab initio protein structure prediction. Curr Opin Struct Biol 12: 176-181.

191. Krivov SV, and M Karplus (2004). Hidden complexity of free energy surfaces for peptide (protein) folding. Proc Natl Acad Sci USA 101: 14766-14770.

192. Aloy P, M Pichaud, and RB Russell (2005). Protein complexes: structure prediction challenges for the 21st century. Curr Opin Struct Biol 15: 15-22.

193. Takeda-Shitaka M, D Takaya, С Chiba, H Tanaka, and H Umeyama (2004). Protein structure prediction in structure based drug design. Curr Med Chem 11: 551-558.

194. Simossis VA, and J Heringa (2004). Integrating protein secondary structure prediction and multiple sequence alignment. Curr Protein Pept Sci 5: 249-266.

195. Whisstock JC, and AM Lesk (2003). Prediction of protein function from protein sequence and structure. Q Rev Biophys 36: 307-340.

196. Liubarskii G (1960). The application of group theory in physics. Oxford, New York, Pergamon Press.

197. Thiedemann G, J Heberle, and N Dencher ( 1992). Bacteriorhodopsin pump activity at reduced humidity in Structures and Functions of Retinal Proteins: 217220. Rigaud JL (Editor).

198. Roux В, M Nina, R Pomes, and JC Smith (1996). Thermodynamic stability of water molecules in the bacteriorhodopsin proton channel: a molecular dynamics free energy perturbation study. Biophys J 71: 670-681.

199. Feller S, and A MacKerell (2000). An improved empirical potential energy function for molecular simulations of phospholipids. J. Phys. Chem. В 104: 75107515.

200. Lin JH, and A Baumgaertner (2000). Stability of a melittin pore in a lipid bilayer: a molecular dynamics study. Biophys У 78: 1714-1724.

201. Essman U, L Perera, and M Berkowitz (1995). The origin of the hydration interaction of lipid bilayers from MD simulation of dipalmitoylphosphatidylcholine membranes in gel and liquid crystalline phases. Langmuir 11: 4519-4531.

202. Heller H, M M. Schaefer, and К Schulten (1993). Molecular dynamics simulation of a bilayer of 200 lipids in the gel and in the liquid-crystal phases. J. Phys. Chem. 97: 8343-8360.

203. Karplus M, and J Kushick (1981). Method for estimating the configurational entropy of macromolecules. Macromolecules 14: 3257332.

204. Marques O, and YH Sanejouand (1995). Hinge-bending motion in citrate synthase arising from normal mode calculations. Proteins 23: 557-560.

205. Kearsley S (1989). On the orthogonal transformation used for structural comparisons. Acta Cryst. 45: 208-210.

206. Lee B, and FM Richards (1971). The interpretation of protein structures: estimation of static accessibility. JMol Biol 55: 379-400.

207. Richards FM (1977). Areas, volumes, packing and protein structure. Annu Rev Biophys Bioeng 6: 151-176.

208. Greer J, and BL Bush (1978). Macromolecular shape and surface maps by solvent exclusion. Proc Natl Acad Sci USA 75: 303-307.

209. Connolly ML (1983). Solvent-accessible surfaces of proteins and nucleic acids. Science 221: 709-713.

210. Sanner MF, AJ Olson, and JC Spehner (1996). Reduced surface: an efficient way to compute molecular surfaces. Biopolymers 38: 305-320.

211. Bakowies D, and WF Van Gunsteren (2002). Water in protein cavities: A procedure to identify internal water and exchange pathways and application to fatty acid-binding protein. Proteins 47: 534-545.

212. Agmon N (1995). The Grotthuss mechanism. Chem. Phys. Lett. 244: 456-462.

213. Luecke H, В Schobert, HT Richter, JP Cartailler, and Ж Lanyi (1999). Structure of bacteriorhodopsin at 1.55 A resolution. JMol Biol 291: 899-911.

214. Vogeley L, OA Sineshchekov, VD Trivedi, J Sasaki, JL Spudich, and H Luecke (2004). Anabaena sensory rhodopsin: a photochromic color sensor at 2.0 A. Science 306: 1390-1393.

215. Case D, DA Pearlman, JW Caldwell, and ТЕ Cheatham III (1997). AMBER 5. University of California, San Francisco.

216. Harvey SC, R Tan, and T Cheatham III (1998). The flying ice cube: Velocity rescaling in molecular dynamics leads to violation of energy equipartition. Journal of Computational Chemistry 19: 726-740.

217. Dencher NA, D Dresselhaus, G Zaccai, and G Buldt (1989). Structural changes in bacteriorhodopsin during proton translocation revealed by neutron diffraction. Proc Natl Acad Sci USA 86: 7876-7879.

218. Vonck J (1996). A three-dimensional difference map of the N intermediate in the bacteriorhodopsin photocycle: part of the F helix tilts in the M to N transition. Biochemistry 35: 5870-5878.

219. Brown LS, J Sasaki, H Kandori, A Maeda, R Needleman, and Ж Lanyi (1995). Glutamic acid 204 is the terminal proton release group at the extracellular surface of bacteriorhodopsin. J Biol Chem 270: 27122-27126.

220. Balashov SP, ES Imasheva, TG Ebrey, N Chen, DR Menick, and RK Crouch (1997). Glutamate-194 to cysteine mutation inhibits fast light-induced proton release in bacteriorhodopsin. Biochemistry 36: 8671-8676.

221. Schulenberg PJ, W Gaertner, and SE Braslavsky (1995). Time-resolved volume changes during the bacteriorhodopsin photocycle: A photothermal beam deflection study. J. Phys. Chem. 99: 9617 9624.

222. Varo G, and Ж Lanyi (1995). Effects of hydrostatic pressure on the kinetics reveal a volume increase during the bacteriorhodopsin photocycle. Biochemistry 34: 12161-12169.

223. Makarov VA, BK Andrews, PE Smith, and BM Pettitt (2000). Residence times of water molecules in the hydration sites of myoglobin. Biophys J 79: 2966-2974.

224. Heberle J (2000). Proton transfer reactions across bacteriorhodopsin and along the membrane. Вiochim Biophys Acta 1458: 135-147.

225. Gerwert К, В Hess, J Soppa, and D Oesterhelt (1989). Role of aspartate-96 in proton translocation by bacteriorhodopsin. Proc Natl Acad Sci U SA 86: 49434947.

226. Staib A, D Borgis, and J Hynes (1995). Proton transfer in hydrogen-bonded acid?base complexes in polar solvents. J. Chem. Phys. 102: 2487-2505.

227. Pomes R, and В Roux (1998). Free energy profiles for H+ conduction along hydrogen-bonded chains of water molecules. Biophys J 75: 33-40.

228. Pomes R, and В Roux (2002). Molecular mechanism of H+ conduction in the single-file water chain of the gramicidin channel. Biophys J 82: 2304-2316.

229. Lill MA, and V Helms (2002). Proton shuttle in green fluorescent protein studied by dynamic simulations. Proc Natl Acad Sci USA 99: 2778-2781.

230. Gordeliy VI, J Labahn, R Moukhametzianov, R Efremov, J Granzin, R Schlesinger, G Buldt, T Savopol, AJ Scheidig, JP Klare, and M Engelhard (2005). Transmembrane signalling by sensory rhodopsin II-transducer complex. Nature in press :.

231. Sitkoff D, К Sharp, and В Honig (1994). Accurate calculation of hydration free energies using macroscopic solvent models. J. Phys. Chem. 98: 1978-1988.

232. Baker NA, D Sept, S Joseph, MJ Hoist, and JA McCammon (2001). Electrostatics of nanosystems: application to microtubules and the ribosome. Proc Natl Acad Sci USA 98: 10037-10041.

233. Hinsen К (2000). The molecular modeling toolkit: A new approach to molecular simulations. J. Сотр. Chem. 21(2): 79-85 .

234. Hinsen K, A Petrescu, S Dellerue, M Bellissent-Funel, and G Kneller (2000). Harmonicity in slow protein dynamics. Chem. Phys. 261: 25.

235. Chervitz SA, and JJ Falke (1996). Molecular mechanism of transmembrane signaling by the aspartate receptor: a model. Proc Natl Acad Sci U SA 93: 2545-2550.