Molecular modeling of hydrophobic effects in complex biomolecular systems : from simple mixtures to protein-interface aggregation

Abstract

Hydrophobicity is a term commonly used to discuss the formation of molecular structures in aqueous solution, and since water is ubiquitous in cellular systems, it may be applied in virtually every biomolecular context. Hydrophobicity is not a first-principle parameter but an abstract concept to describe the “behavior” of molecules in aqueous environments. The terminology of hydrophobicity is misleading, because it implies repulsion or a lack of attraction between nonpolar groups and water, when in fact attractive interactions persist due to atom dipoles. Although it has long been recognized that the driving force of structure formation in aqueous environments is founded in water’s “narcissism”, i.e., water self-preference, rather than in a general “fear of water”, the term hydrophobicity has established itself ever since Kautzmann related protein stability to hydrophobic interactions. Due to its false implications, hydrophobicity can be a cause of confusion and the culprit of misleading deductions. Presented in this dissertation is the author’s work on the structural and dynamical characterization of hydrophobic effects in biomolecular systems in the broadest sense, whereby molecular systems on three different size scales are covered: binary mixtures of methanol and water, aggregation of triglyceride droplets in aqueous solution and enzymes that interact with triglyceride-water interfaces of large-scale triglyceride aggregates.

Hydrophobizität ist ein Begriff, der die Bildung molekularer Strukturen im wässrigen Milieu beschreibt und findet daher in nahezu jedem biomolekularen Kontext Anwendung. Hydrophobizität lässt sich nicht durch einen präzisen Formalismus begründen; es handelt sich dabei um ein abstraktes Konzept, welches das strukturbildende “Verhalten” von Molekülen in Wechselwirkung mit Wasser beschreibt. Die Terminologie ist dabei irreführend, da eine Abstoßung zwischen unpolaren Molekülgruppen und Wasser impliziert wird, wobei in der Tat anziehende Kräfte vorliegen, die sich auf atomare Dipole zwischen Elektronen und Protonen zurückführen lassen. Obwohl es längst als gesichert gilt, dass sich die zentrale Triebkraft von Hydrophobizität nicht auf die „Scheu vor Wasser“ sondern eher auf eine Art „Narzissmus des Wassers“, d.h. auf die präferierte Interaktion von Wassermolekülen mit ihresgleichen, zurückführen lässt, ist der Begriff Hydrophobizität im wissenschaftlichen Sprachgebrauch fest etabliert. Dies lässt sich auf die Arbeiten von Kautzmann zurückführen, in denen Proteinstabilität mit hydrophoben Wechselwirkungen korreliert wurde. Gegenstand dieser Dissertation sind im weitesten Sinne die Arbeiten des Autors bezüglich struktureller und dynamischer Charakterisierung hydrophober Effekte in biomolekularen Systemen, wobei Systeme in drei verschiedenen Größenordnungen untersucht wurden: Binäre Methanol-Wasser Mischungen, die Aggregation von Triglyzeridtröpfchen in wässriger Lösung, sowie die Interaktion von Enzymen mit großflächigen Triglyzerid-Wasser-Grenzflächen.