Wasser und der hydrophobe Effekt in der Biomolekülerkennung

Wasser ist die allgegenwärtige Flüssigkeit aller bekannten Lebensformen. Trotz dieser großen Bedeutung können bis dato nicht alle seine Phänomene in einer umfassenden Theorie erklärt werden. Ebenso rätselhaft ist die Biomolekülerkennung: ein Begriff, der alle Prozesse der spezifischen Interaktion von Molekülen in lebenden Zellen zusammenfasst. Viele dieser Ereignisse sind durch den hydrophoben Effekt bestimmt. Auf diesem Effekt beruhen einige bekannte biologische Phänomene wie die Nichtmischbarkeit von Wasser und Öl, oder die Mizellenbildung in Seifenlösungen. Er erklärt allerdings auch die allgemeine Struktur von Proteinen, und warum Arzneistoffe an Rezeptoren binden. Ein tieferes Verständnis dieser natürlichen Vorgänge könnte den hohen finanziellen Aufwand zur Entwicklung neuer und besserer Medikamente reduzieren: man spricht dann von rationaler Wirkstoffentwicklung. In diesem Projekt werden einige der Aspekte untersucht, wie die besonderen Eigenschaften von Wasser und der hydrophobe Effekt auf die Biomolekülerkennung Einfluss nehmen. Wir vermuten, dass viele der Wassermoleküle an der Oberfläche des Rezeptors und des Wirkstoffes energetisch frustriert sind. Wenn diese durch eine engere Bindung der beiden Partner verdrängt werden und sich mit dem Gros des Wassers mischen, wird das gesamte System näher ans Gleichgewicht gerückt. Man muss nun herausfinden bei welchen Molekülen diese Verdrängung vorteilhaft ist, und welche lieber unangetastet bleiben. Wir nehmen an, dass die Form des Rezeptors und die gegengleiche Passform des Wirkstoffes darauf einen großen Einfluss hat. Diese Fragen werden experimentell zunächst anhand des Modellsystems Carboanhydrase beantwortet. Dieses Enzym zählt zu den schnellsten natürlichen Katalysatoren und kommt in fast allen Lebewesen vor. Es ist daher bereits gut erforscht, und noch dazu einfach zu handhaben und zu manipulieren. Mit diesem molekularen Werkzeug kann man nun die Eigenschaften der Oberflächen- Wassermoleküle während des Bindungsvorganges mit einem Wirkstoff untersuchen. Gezielte Veränderungen der Rezeptoroberfläche werden zeigen, welche Auswirkungen die Form auf die Bindungsenergie der Wassermoleküle hat. Auf sehr ähnliche Weise wird die Variation der Struktur des Wirkstoffes darüber Auskunft geben, ob es nicht nur um grobe Einteilungen wie groß oder klein, und flach oder sphärisch geht, sondern viel mehr um genauere Eigenschaften wie Rauminhalt, Oberfläche, Verteilung elektrischer Ladungen und andere. Diese Betrachtungsweise wurde bisher noch nicht verfolgt. Die experimentellen Beobachtungen und Resultate werden anschließend zusammengefasst in einem Computermodell verarbeitet. Dieses Modell sollte schlussendlich fähig sein einen Wirkstoff mit besseren Bindungseigenschaften vorherzusagen. Wenn dieses Vorhaben erfolgreich verläuft, soll diese Methode zur Überprüfung der Anwendbarkeit auch auf ein anderes Rezeptorsystem angewandt werden.

Water is the ubiquitous fluid for all known forms of life. Despite this high importance, there is still no comprehensive theory able to explain all of its phenomena. Biomolecular recognition - the process through which the molecules that make up living cells and its components interact selectively - is poorly understood on a molecular level. Many events in biomolecular recognition are driven by the hydrophobic effect. This effect is responsible for commonly known phenomena like the immiscibility of water and oil, or the formation of soap micelles. It is also an explanation for the general structure of proteins, and for the way drugs bind to receptors in the human body, often very selectively. Gaining deeper understanding of these natural processes could contribute to reducing the high cost of developing new and better drugs through a process called rational drug design. This project systematically investigated aspects of how the unique properties of water and the hydrophobic effect influence biomolecular recognition. We hypothesized that many water molecules located at the surface of receptors or of the drug are energetically frustrated. Displacing these to the bulk of all water molecules by moving the receptor and the drug molecule closer together may then bring the system closer to its equilibrium. One of the key points in rational drug design is to find out, which water molecules are best to move, and which are best left untouched. It is assumed that this depends on the shape of the receptor, and the shape complementarity of the drug. To answer these questions experimentally we used a model system: the human enzyme carbonic anhydrase. It is one of nature's fastest catalyst and found in almost all living organisms, since it is the key respiratory enzyme: it liberates carbon dioxide from its hydrated form (bicarbonate) in the blood stream to be exhaled. Understandably, this enzyme is very well studied but also easy to handle and to manipulate. This allows us to scrutinize the properties of water molecules at the surface of the receptor when a known drug molecule binds to it. We changed the shape of a class of such drug molecules, which inhibit the action of carbonic anhydrase, to investigate the effect that volume, surface area, electric charge distribution have on the strength of the interaction. We summarized the current state of the art of research and our expert opinion on this area in two review articles.