The transfer of CO from heme a3 to the CuB site in Cytochrome c oxidase (CcO) after photolysis is studied using molecular dynamics simulations using an explicitly reactive, parametrized potential energy surface based on density functional theory calculations. After photodissociation from the heme-Fe, the CO ligand rebinds to the CuB site on the sub-picosecond time scale. Depending on the simulation protocol the characteristic time ranges from 260 fs to 380 fs which compares with an estimated 450 fs from experiment based on the analysis of the spectral changes as a function of time delay after the photodissociating pulse. Following photoexcitation ≈90% of the ligands are found to rebind to either the CuB (major component, 85%) or the heme-Fe (minor component, 2%) whereas about 10% remain in an unbound state. The infrared spectra of unbound CO in the active site is broad and featureless and no appreciable shift relative to gas-phase CO is found, which is in contrast to the situation in myoglobin. These observations explain why experimentally, unbound CO in the binuclear site of CcO has not been found as yet.

1.
S.
Park
and
L. P.
Pan
,
Biophys. J.
71
,
1036
(
1996
).
2.
J. A.
Sigman
,
B. C.
Kwok
, and
Y.
Lu
,
J. Am. Chem. Soc.
122
,
8192
(
2000
).
3.
D.
Lemon
,
M.
Calhoun
,
R.
Gennis
, and
W.
Woodruff
,
Biochemistry
32
,
11953
(
1993
).
4.
P. A.
Anfinrud
,
C.
Han
, and
R. M.
Hochstrasser
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
86
,
8387
(
1989
).
5.
S.
Yoshikawa
,
K.
Shinzawa-Itoh
,
R.
Nakashima
 et al.,
Science
280
,
1723
(
1998
).
6.
E. S.
Park
,
M. R.
Thomas
, and
S. G.
Boxer
,
J. Am. Chem. Soc.
122
,
12297
(
2000
).
7.
A.
Ostermann
,
R.
Waschipky
,
F. G.
Parak
, and
G. U.
Nienhaus
,
Nature (London)
404
,
205
(
2000
).
8.
K.
Nienhaus
,
S.
Lutz
,
M.
Meuwly
, and
G. U.
Nienhaus
,
Chem. Eur. J.
19
,
3558
(
2013
).
9.
N.
Plattner
and
M.
Meuwly
,
Biophys. J.
102
,
333
(
2012
).
10.
F.
Schotte
,
M.
Lim
,
T. A.
Jackson
,
A. V.
Smirnov
,
J.
Soman
,
J. S.
Olson
,
G. N.
Phillips
,
M.
Wulff
, and
P. A.
Anfinrud
,
Science (New York, N.Y.)
300
,
1944
(
2003
).
11.
D. R.
Nutt
and
M.
Meuwly
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
101
,
5998
(
2004
).
12.
M.
Porrini
,
V.
Daskalakis
,
S. C.
Farantos
, and
C.
Varotsis
,
J. Phys. Chem. B
113
,
12129
(
2009
).
13.
U.
Liebl
,
G.
Lipowski
,
M.
Négrerie
,
J. C.
Lambry
,
J. L.
Martin
, and
M. H.
Vos
,
Nature (London)
401
,
181
(
1999
).
14.
E.
Olkhova
,
M. C.
Hutter
,
M. A.
Lill
,
V.
Helms
, and
H.
Michel
,
Biophys. J.
86
,
1873
(
2004
).
15.
E.
Pinakoulaki
,
T.
Ohta
,
T.
Soulimane
,
T.
Kitagawa
, and
C.
Varotsis
,
J. Biol. Chem.
279
,
22791
(
2004
).
16.
D.
Heitbrink
,
H.
Sigurdson
,
C.
Bolwien
,
P.
Brzezinski
, and
J.
Heberle
,
Biophys. J.
82
,
1
(
2002
).
18.
K. M.
Vogel
,
P. M.
Kozlowski
,
M. Z.
Zgierski
, and
T. G.
Spiro
,
Inorg. Chim. Acta
297
,
11
(
2000
).
19.
K.
Nienhaus
,
S.
Lutz
,
M.
Meuwly
, and
G. U.
Nienhaus
,
Chem. Phys. Chem.
11
,
119
(
2010
).
20.
J.
Treuffet
,
K. J.
Kubarych
,
J.-C.
Lambry
,
E.
Pilet
,
J.-B.
Masson
,
J.-L.
Martin
,
M. H.
Vos
,
M.
Joffre
, and
A.
Alexandrou
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
104
,
15705
(
2007
).
21.
B. R.
Brooks
,
C. L.
Brooks
 III
,
A. D. J.
Mackerell
,
L.
Nilsson
 et al.,
J. Comput. Chem.
30
,
1545
(
2009
).
22.
A. J.
MacKerell
,
M.
Feig
, and
C. I.
Brooks
,
J. Comput. Chem.
25
,
1400
(
2004
).
23.
C.
Ostermeier
,
A.
Harrenga
,
U.
Ermler
, and
H.
Michel
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
94
,
10547
(
1997
).
24.
V. R.
Kaila
,
M. P.
Johansson
,
D.
Sundholm
,
L.
Laakkonen
, and
M.
Wikström
,
Biochem. Biophys. Acta - Bioenerg.
1787
,
221
(
2009
).
25.
H.
Li
,
A. D.
Robertson
, and
J. H.
Jensen
,
Proteins
61
,
704
(
2005
).
26.
D. C.
Bas
,
D. M.
Rogers
, and
J. H.
Jensen
,
Proteins
73
,
765
(
2008
).
27.
M. H.
Olsson
,
C. R.
Søndergard
,
M.
Rostkowski
, and
J. H.
Jensen
,
J. Chem. Theory Comput.
7
,
525
(
2011
).
28.
C. R.
Søndergard
,
M. H.
Olsson
,
M.
Rostkowski
, and
J. H.
Jensen
,
J. Chem. Theory Comput.
7
,
2284
(
2011
).
29.
G.
Kieseritzky
and
E.
Knapp
,
Proteins
71
,
1335
(
2008
).
30.
B.
Rabenstein
and
E.
Knapp
,
Biophys. J.
80
,
1141
(
2001
).
31.
M.
Meuwly
,
Chem. Phys. Chem.
7
,
2061
2063
(
2006
).
32.
K.
Nienhaus
,
J. S.
Olson
,
S.
Franzen
, and
G. U.
Nienhaus
,
J. Am. Chem. Soc.
127
,
40
41
(
2005
).
33.
W. L.
Jorgensen
,
J.
Chandrasekhar
,
J. D.
Madura
,
R. W.
Impey
, and
M. L.
Klein
,
J. Chem. Phys.
79
,
926
(
1983
).
34.
J. P.
Ryckaert
,
G.
Ciccotti
, and
H. J. C.
Berendsen
,
J. Comput. Phys.
23
,
327
(
1977
).
35.
M.
Yoneya
,
H. J. C.
Berendsen
, and
K.
Hirasawa
,
Mol. Simul.
13
,
395
(
1994
).
36.
A. D.
MacKerell
 Jr.
,
D.
Bashford
,
M.
Bellott
,
J. R. L.
Dunbrack
,
J. D.
Evanseck
,
M. J.
Field
,
S.
Fischer
,
J.
Gao
,
H.
Guo
,
S.
Ha
,
D.
Joseph-Mc Carthy
,
L.
Kuchnir
,
K.
Kuczera
,
F. T. K.
Lau
,
C.
Mattos
,
S.
Michnick
,
T.
Ngo
,
D. T.
Nguyen
,
B.
Prodhom
,
I. W. E.
Reiher
,
B.
Roux
,
M.
Schlenkrich
,
J. C.
Smith
,
R.
Stote
,
J.
Straub
,
M.
Watanabe
,
J.
Wiorkiewicz- Kuczera
,
D.
Yin
, and
M.
Karplus
,
J. Phys. Chem. B
102
,
3586
(
1998
).
37.
J. W.
Petrich
,
J. C.
Lambry
,
K.
Kuczera
,
M.
Karplus
,
C.
Poyart
, and
J. L.
Martin
,
Biochemistry
30
,
3975
(
1991
).
38.
A. D.
Becke
,
J. Chem. Phys.
98
,
5648
(
1993
).
39.
C.
Lee
,
W.
Yang
, and
R.
Parr
,
Phys. Rev. B
37
,
785
(
1988
).
40.
S.
Vosko
,
L.
Wilk
, and
M.
Nusair
,
Can. J. Phys.
58
,
1200
(
1980
).
41.
P.
Stephens
,
F.
Devlin
,
C.
Chabalowski
, and
M.
Frisch
,
J. Chem. Phys.
98
,
11623
(
1994
).
42.
G.
Petersson
and
M. A.
Al-Laham
,
J. Chem. Phys.
94
,
6081
(
1991
).
43.
G.
Petersson
,
A.
Bennett
,
T.
Tensfeldt
,
M. A.
Al-Laham
,
W. A.
Shirley
, and
J.
Mantzaris
,
J. Chem. Phys.
89
,
2193
(
1988
).
44.
M. J.
Frisch
,
G. W.
Trucks
,
H. B.
Schlegel
 et al., Gaussian 09, Revision A.1., Gaussian, Inc., Wallingford, CT,
2009
.
45.
M.
Meuwly
and
J. M.
Hutson
,
J. Chem. Phys.
110
,
8338
(
1999
).
46.
D. R.
Nutt
,
M.
Karplus
, and
M.
Meuwly
,
J. Phys. Chem. B
109
,
21118
(
2005
).
47.
S.
Lammers
,
S.
Lutz
, and
M.
Meuwly
,
J. Comput. Chem.
29
,
1048
(
2007
).
48.
J.
Huang
and
M.
Meuwly
,
J. Chem. Theory Comput.
6
,
467
(
2010
).
49.
S. G.
Johnson
, “
The NLopt nonlinear-optimization package
,” see http://ab-initio.mit.edu/nlopt.
50.
J. A.
Nelder
and
R.
Mead
,
Comput. J.
7
,
308
(
1965
).
51.
M. M.
Law
and
J. M.
Hutson
,
Comput. Phys. Commun.
102
,
252
(
1997
).
52.
M.
Devereux
and
M.
Meuwly
,
J. Chem. Inf. Model.
50
,
349
(
2010
).
53.
D. R.
Nutt
and
M.
Meuwly
,
Biophys. J.
85
,
3612
(
2003
).
54.
N.
Plattner
and
M.
Meuwly
,
Biophys. J.
94
,
2505
(
2008
).
55.
J. N.
Huffaker
,
J. Chem. Phys.
64
,
3175
(
1976
).
56.
J. N.
Huffaker
,
J. Chem. Phys.
64
,
4564
(
1976
).
57.
S.
Lutz
,
K.
Nienhaus
,
G. U.
Nienhaus
, and
M.
Meuwly
,
J. Phys. Chem. B
113
,
15334
(
2009
).
58.
M.
Devereux
and
M.
Meuwly
,
Biophys. J.
96
,
4363
(
2009
).
59.
M.
Meuwly
,
O. M.
Becker
,
R.
Stote
, and
M.
Karplus
,
Biophys. Chem.
98
,
183
(
2002
).
60.
E. R.
Henry
,
M.
Levitt
, and
W. A.
Eaton
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
82
,
2034
(
1985
).
61.
S.
Lutz
and
M.
Meuwly
,
Chem. Phys. Chem.
13
,
305
(
2012
).
62.
D. R.
Nutt
and
M.
Meuwly
,
Biophys. J.
90
,
1191
(
2006
).
63.
J.
Danielsson
and
M.
Meuwly
,
J. Chem. Theory Comput.
4
,
1083
(
2008
).
64.
P.
Zhang
,
S. W.
Ahn
, and
J. E.
Straub
,
J. Phys. Chem. B
117
,
7190
(
2013
).
65.
T.
Nagy
,
J. Y.
Reyes
, and
M.
Meuwly
, “
Multisurface Adiabatic Reactive Molecular Dynamics
,”
J. Chem. Theory Comput.
(published online).
66.
P.
Dayal
,
S. A.
Weyand
,
J.
McNeish
, and
N.
Mosey
,
J. Chem. Phys. Lett.
516
,
263
(
2011
).
67.
A.
Warshel
and
R. M.
Weiss
,
J. Am. Chem. Soc.
102
,
6218
(
1980
).
68.
B.
Liu
,
Y.
Zhang
,
J. T.
Sage
,
S. M.
Soltis
,
T.
Doukov
,
Y.
Chen
,
C. D.
Stout
, and
J. A.
Fee
,
Biochem. Biophys. Acta - Bioenerg.
1817
,
658
(
2012
).
69.
K.
Muramoto
,
K.
Ohta
,
K.
Shinzawa-Itoh
,
K.
Kanda
,
M.
Taniguchi
,
H.
Nabekura
,
E.
Yamashita
,
T.
Tsukihara
, and
S.
Yoshikawa
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
107
,
7740
(
2010
).
70.
D. R.
Nutt
and
M.
Meuwly
,
Chem. Phys. Chem.
5
,
1710
(
2004
).
71.
N.
Strickland
and
J. N.
Harvey
,
J. Phys. Chem. B
111
,
841
(
2007
).
72.
T.
Tiefenbrunn
,
W.
Liu
,
Y.
Chen
,
V.
Katritch
,
C. D.
Stout
,
J. A.
Fee
, and
V.
Cherezov
,
PLoS ONE
6
,
e22348
(
2011
).
73.
L.
Buhrow
,
S.
Ferguson-Miller
, and
L.
Kuhn
,
Biophys. J.
102
,
2158
(
2012
).
74.
V. M.
Luna
,
J. A.
Fee
,
A. A.
Deniz
, and
C. D.
Stout
,
Biochemistry
51
,
4669
(
2012
).
75.
H.
Frauenfelder
,
B. H.
McMahon
,
R. H.
Austin
,
K.
Chu
, and
J. T.
Groves
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
98
,
2370
(
2001
).
76.
R. F.
Tilton
,
I. D.
Kuntz
, and
G. A.
Petsko
,
Biochemistry
23
,
2849
(
1984
).
77.
M. W.
Lee
and
M.
Meuwly
,
J. Phys. Chem. B
116
,
4154
(
2012
).
78.
P.
Berens
and
K.
Wilson
,
J. Chem. Phys.
74
,
4872
(
1981
).
79.
J.
Danielsson
and
M.
Meuwly
,
J. Phys. Chem. B
111
,
218
(
2007
).
80.
M.
Lim
,
T. A.
Jackson
, and
P. A.
Anfinrud
,
J. Chem. Phys.
102
,
4355
(
1995
).
81.
82.
C.
Bossa
,
M.
Anselmi
,
D.
Roccatano
,
A.
Amadei
,
B.
Vallone
,
M.
Brunori
, and
A.
Di Nola
,
Biophys. J.
86
,
3855
(
2004
).
83.
J.
Vojtechovsky
,
K.
Chu
,
J.
Berendzen
,
R. B.
Sweet
, and
I.
Schlichting
,
Biophys. J.
77
,
2153
(
1999
).
84.
P.
Stoutland
,
J.
Lambry
,
J.
Martin
, and
W.
Woodruff
,
J. Phys. Chem.
95
,
6406
(
1991
).
85.
E.
Helfand
,
J. Chem. Phys.
69
,
1010
(
1978
).
86.
M.
Meuwly
and
M.
Karplus
,
J. Chem. Phys.
116
,
2572
(
2002
).
87.
88.
S.
Nangia
,
A. W.
Jasper
,
T. F.
Miller
 III
, and
D. G.
Truhlar
,
J. Chem. Phys.
120
,
3586
3597
(
2004
).
89.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4870264 for comparisons of the unligated forms of CcO, analysis of the trajectories of unbound CO and the rebinding kinetics for the heme in its hexacoordinated geometry.

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.