title: The Role of Water in Protein-Ligand Binding: A Comprehensive Study by Crystallography and Isothermal Titration Calorimetry
title: Die Rolle von Wasser bei der Protein-Ligand-Wechselwirkung: Eine umfangreiche Studie mit Kristallographie und Isothermaler Titrationskalorimetrie
Creators: name: Biela, Adam
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2012
Subjects: ITC
Hydrophobic Effect
Wassernetzwerk
Thermolysin
Water Network
Hydrophober Effekt
Thrombin
Medizin, Gesundheit

description: Diese Arbeit befasst sich unter
      anderem mit den Folgen von Desolvationseffekten, die bei der
      Protein-Ligand-Wechselwirkung auftreten. In allen Komplexen
      mit Thrombin und den untersuchten Pyridin-Liganden werden
      Wassermoleküle entdeckt, die in unterschiedlicher Art so gut
      es geht den ursprünglichen Solvatationszustand zu
      konservieren versuchen. Die damit verbundenen entropischen
      Verluste sind immens. In zwei Ligandkomplexen finden sich
      sogar ungeordnete Ligandbestandteile in der S1 Tasche als
      Folge von Desolvatationseffekten. Der Preis für die
      Desolvatation einer geladenen Aminosäure ist einfach zu groß,
      um in diesem Fall eine komplette Verdrängung des
      Wassermoleküls zu gewährleisten. Die Komplexstrukturen zeigen
      zudem, dass die geladenen Methylpyridinium-Derivate nicht
      optimal das am Boden lokalisierte negativ geladene Asp189
      adressieren können. Entweder lässt sich aus sterischen
      Gründen kein kurzer Abstand erreichen oder die Methylgruppe
      bietet einen zu guten Schutz, um über eine kurze Entfernung
      mit dem negativen Asp189 zu interagieren. Daher kann die
      Energie für die Desolvatation nicht durch die freiwerdende
      Energie aus der Interaktion zwischen dem Methylpyridinium und
      dem Asp189 aufgebracht werden. Zudem wurden Wassereffekte bei
      der hydrophoben Wechselwirkung in Thrombin und Thermolysin
      untersucht. Die thermodynamische Charakterisierung zeigt
      einen hydrophoben Effekt in Thrombin, der eindeutig
      entropisch getrieben ist. In dieser Studie ist die S3/4
      Tasche mithilfe der immer größer werdenden hydrophoben
      Modifizierungen schrittweise desolvatisiert worden. In beiden
      Serien verbessert sich die Bindungsaffinität um das 40-fache.
      Ausgehend von einer nanomolaren Aktivität ist die
      Bindungsaffinität in den niedrigen pikomolaren Bereich
      hydrophob optimiert worden. Die Benzamidin-Derivate sind
      sogar durch einen Bindungsmodus mit zwei gebundenen Liganden
      gekennzeichnet. Überraschenderweise zeigt dieser
      Bindungsmodus eine bemerkenswerte Ähnlichkeit mit dem
      Bindungsmodus von Fibrinopeptid A. Die S2‘ Tasche von
      Thermolysin ist dagegen weniger gut geformt, aber dafür wegen
      ihrer Lage auf der Oberfläche optimal solvatisiert. Die
      Liganden für die S2‘ Tasche unterscheiden sich nur durch eine
      terminale Carboxylat- und/oder eine Methylgruppe. Eine
      überraschende Nicht-Additivität von Beiträgen einer
      Carboxylat- und/oder Methylgruppe ist festgestellt worden.
      Das Hinzufügen einer Methylgruppe bewirkte eine kleine
      Zunahme in der Freien Energie mit kleinen Änderungen in der
      Enthalpie/Entropie, während das im nächsten Schritt
      carboxylierte Derivat mit einem starken Affinitätssprung und
      großen Änderungen in der Enthalpie/Entropie begleitet war.
      Wurde das Carboxylat jedoch zuerst und dann erst die
      Methylgruppe eingefügt, wurden umgekehrte Effekte beobachtet:
      jetzt war die saure Gruppe von geringfügigen Effekten
      begleitet, während die zusätzliche Methylgruppe enorme
      Veränderungen verursachte. Die Carboxylat-Gruppe stört in
      beiden Komplexen das lokale Wassernetzwerk. Die zusätzliche
      Methylgruppe bietet dagegen günstige Wechselwirkungen für
      zusätzliche Wassermoleküle an. In fast allen Komplexen wird
      ein zusammenhängendes Wassernetzwerk zwischen den
      funktionellen Gruppen des Proteins und des Liganden
      beobachtet. Bei der Komplexstruktur mit dem carboxylierten
      Liganden fehlt die endständige Methylgruppe und dadurch
      bricht das Wassernetzwerk zusammen. Dieser Zusammenbruch der
      Wasserkette ergibt die überraschende thermodynamische
      Signatur mit nur geringen Affinitätsunterschieden bei dem
      carboxylierten Liganden, dem die Methylgruppe fehlt. Eine
      zusätzliche Methylgruppe dagegen hat günstige
      Interaktionsstellen für Wassermoleküle geschaffen und das
      Netzwerk wurde wieder hergestellt, begleitet von starken
      Affinitätsänderungen und einer enormen Änderung in der
      Enthalpie/Entropie. Die Adressierung der S2‘ Tasche zeigt
      ebenfalls ein entropisch dominiertes Signal. Die vorliegende
      Reihe von eng verwandten Liganden zeigt, dass beide
      thermodynamischen Parameter betroffen sind und dass viele
      kleine strukturelle Änderungen das thermodynamische Profil
      bestimmen. Wenn ein zusammenhängendes Wassernetzwerk
      zusammenbricht, zeigen sich deutliche Verluste in der
      Enthalpie, während die Entropie stark zunimmt. Insbesondere
      bei der Bindung von Liganden in offene hydrophobe Taschen,
      die leichten Zugang zu Wasser haben, können sich neue
      Bindestellen für Wassermoleküle ergeben, wenn
      Ligandenbereiche zur Wasserphase ausgerichtet sind. In
      unserer Studie wurde zum Beispiel ein zusätzliches
      Wassermolekül über dem Carboxylat (capping position) und an
      der Seite des Benzolrings entdeckt. Abschließend kann man
      feststellen, dass die hydrophobe Interaktion weder als
      entropisch noch enthalpisch beschrieben werden kann. Kleine
      strukturelle Veränderungen auf molekularer Ebene bestimmen
      darüber, welche treibenden Kräfte hinter der Bindung von
      hydrophoben Bindungspartnern stehen.
description: The aim of this work is to
      investigate the impact of desolvation effects on
      protein-ligand interactions. In all complex structures with
      thrombin and pyridine, it is evident that preserving the
      original solvation state of Asp189 is a crucial and a common
      feature upon binding of the pyridine inhibitors. However, the
      associated entropic losses are immense. In two ligand
      complexes even disordered ligand portions are found in the S1
      pocket, which evade full desolvation of Asp189 compared with
      the apo form of thrombin. The price for the desolvation of a
      charged amino acid is simply too large to ensure in this case
      a complete displacement of all waters. The determined complex
      structures reveal that the charged methylpyridinium
      derivatives do not optimally address the negatively charged
      Asp189 at the bottom of the S1 pocket. A short distance to
      the deprotonated Asp189 cannot be achieved either due to
      steric reasons or the bulky methyl group provides a good
      protection to interact in a proper way with the negatively
      charged Asp189. The optimal interaction geometry to Asp189
      cannot be realized in this series. Therefore, the energy
      released from the suboptimal interaction between
      methylpyridinium and Asp189 is not high enough to compensate
      for the large desolvation price required for the charged
      ligands. Additionally, water effects have been studied in
      hydrophobic interactions in thrombin and thermolysin. The
      thermodynamic characterization shows a hydrophobic effect in
      thrombin which is clearly entropically driven. In the study,
      the S3/4 pocket has been gradually desolvated using
      increasing hydrophobic modifications in P3. In both series,
      the binding affinity improved by about 40-fold. The binding
      affinity has been optimized hydrophobically from nanomolar to
      low picomolar affinity. The benzamidine derivatives are even
      characterized by a binding mode showing two ligands to be
      bound simultaneously. Surprisingly, the additionally bound
      ligand traces remarkable well the recognition area that
      accommodates fibrinopeptide A (cleavage product of
      fibrinogen). In contrast, the examined S2' pocket of
      thermolysin is less well shaped, but ideally solvated because
      of its exposure to the protein surface. The ligands differ
      only by a terminal carboxylate and/or methyl group. A
      surprising nonadditivity of functional group contributions
      for the carboxylate and/or methyl groups is detected. Adding
      first the methyl and then the carboxylate group results in a
      small Gibbs free energy increase and minor enthalpy/entropy
      partitioning for the first modification, whereas the second
      involves strong affinity increase combined with huge
      enthalpy/entropy changes. Adding however first the
      carboxylate and then the methyl group yields reverse effects:
      now the acidic group attachment causes minor effects whereas
      the added methyl group provokes huge changes. The added COO-
      groups perturb the local water network in both carboxylated
      complexes and the attached methyl groups provide favorable
      interaction sites for water molecules. In all complexes,
      apart one example, a contiguously connected water network
      between protein and ligand functional groups is observed. In
      the complex with the carboxylated ligand, still lacking the
      terminal methyl group, the water network is unfavorably
      ruptured. This results in the surprising thermodynamic
      signature showing only minor affinity increase upon COO-
      group attachment. Since the further added methyl group
      provides a favorable interaction site for water, the network
      can be re-established and strong affinity increase with huge
      enthalpy/entropy signature is then detected. Addressing the
      S2' pocket of thermolysin with hydrophobic molecule portions
      generates also an entropically dominated signal similarly to
      the thrombin series. The present series of closely related
      thermolysin complexes shows that both thermodynamic
      properties are involved and many detailed structural
      phenomena determine the final signature. If a contiguously
      connected water network ruptures, an enthalpic loss and
      entropic gain is experienced. Particularly, in case of
      accommodation of ligand portions in pockets opening to the
      bulk solvent and exposing parts of the placed ligand to the
      water phase, new binding sites for water molecules can be
      generated, e.g. as in our study at the capping position above
      the carboxylate group or the site on top of the benzyl ring.
      Also such phenomena contribute on the molecular level to the
      finally determined hydrophobic effect. In summary, there are
      no arguments why the hydrophobic effect should be
      predominantly entropic or enthalpic. Small structural changes
      on the molecular level determine whether hydrophobic binding
      to hydrophobic pockets results in a more enthalpy or
      entropy-driven signature.