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Dennis Dougherty
Author with expertise in Molecular Mechanisms of Synaptic Plasticity and Neurological Disorders
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The Cation−π Interaction

Dennis DoughertyDec 7, 2012
The chemistry community now recognizes the cation−π interaction as a major force for molecular recognition, joining the hydrophobic effect, the hydrogen bond, and the ion pair in determining macromolecular structure and drug–receptor interactions. This Account provides the author's perspective on the intellectual origins and fundamental nature of the cation−π interaction.Early studies on cyclophanes established that water-soluble, cationic molecules would forego aqueous solvation to enter a hydrophobic cavity if that cavity was lined with π systems. Important gas phase studies established the fundamental nature of the cation−π interaction. The strength of the cation−π interaction (Li+ binds to benzene with 38 kcal/mol of binding energy; NH4+ with 19 kcal/mol) distinguishes it from the weaker polar−π interactions observed in the benzene dimer or water–benzene complexes. In addition to the substantial intrinsic strength of the cation−π interaction in gas phase studies, the cation−π interaction remains energetically significant in aqueous media and under biological conditions. Many studies have shown that cation−π interactions can enhance binding energies by 2–5 kcal/mol, making them competitive with hydrogen bonds and ion pairs in drug–receptor and protein–protein interactions.As with other noncovalent interactions involving aromatic systems, the cation−π interaction includes a substantial electrostatic component. The six (four) Cδ−–Hδ+ bond dipoles of a molecule like benzene (ethylene) combine to produce a region of negative electrostatic potential on the face of the π system. Simple electrostatics facilitate a natural attraction of cations to the surface. The trend for (gas phase) binding energies is Li+ > Na+ > K+ > Rb+: as the ion gets larger the charge is dispersed over a larger sphere and binding interactions weaken, a classical electrostatic effect. On other hand, polarizability does not define these interactions. Cyclohexane is more polarizable than benzene but a decidedly poorer cation binder.Many studies have documented cation−π interactions in protein structures, where lysine or arginine side chains interact with phenylalanine, tyrosine, or tryptophan. In addition, countless studies have established the importance of the cation−π interaction in a range of biological processes. Our work has focused on molecular neurobiology, and we have shown that neurotransmitters generally use a cation−π interaction to bind to their receptors. We have also shown that many drug–receptor interactions involve cation−π interactions. A cation−π interaction plays a critical role in the binding of nicotine to ACh receptors in the brain, an especially significant case. Other researchers have established important cation−π interactions in the recognition of the "histone code," in terpene biosynthesis, in chemical catalysis, and in many other systems.
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From ab initio quantum mechanics to molecular neurobiology: A cation–π binding site in the nicotinic receptor

Wenge Zhong et al.Oct 13, 1998
The nicotinic acetylcholine receptor is the prototype ligand-gated ion channel. A number of aromatic amino acids have been identified as contributing to the agonist binding site, suggesting that cation–π interactions may be involved in binding the quaternary ammonium group of the agonist, acetylcholine. Here we show a compelling correlation between: ( i ) ab initio quantum mechanical predictions of cation–π binding abilities and ( ii ) EC 50 values for acetylcholine at the receptor for a series of tryptophan derivatives that were incorporated into the receptor by using the in vivo nonsense-suppression method for unnatural amino acid incorporation. Such a correlation is seen at one, and only one, of the aromatic residues—tryptophan-149 of the α subunit. This finding indicates that, on binding, the cationic, quaternary ammonium group of acetylcholine makes van der Waals contact with the indole side chain of α tryptophan-149, providing the most precise structural information to date on this receptor. Consistent with this model, a tethered quaternary ammonium group emanating from position α149 produces a constitutively active receptor.
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Cation−π Interactions in Simple Aromatics: Electrostatics Provide a Predictive Tool

Sandro Mecozzi et al.Jan 1, 1996
ADVERTISEMENT RETURN TO ISSUEPREVCommunicationNEXTCation−π Interactions in Simple Aromatics: Electrostatics Provide a Predictive ToolSandro Mecozzi, Anthony P. West, and Dennis A. DoughertyView Author Information Contribution No. 9162 from the Arnold and Mabel Beckman Laboratories of Chemical Synthesis, Division of Chemistry and Chemical Engineering, California Institute of Technology, Pasadena, California 91125 Cite this: J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 9, 2307–2308Publication Date (Web):March 6, 1996Publication History Received27 November 1995Published online6 March 1996Published inissue 1 January 1996https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ja9539608https://doi.org/10.1021/ja9539608rapid-communicationACS PublicationsCopyright © 1996 American Chemical SocietyRequest reuse permissionsArticle Views4833Altmetric-Citations448LEARN ABOUT THESE METRICSArticle Views are the COUNTER-compliant sum of full text article downloads since November 2008 (both PDF and HTML) across all institutions and individuals. These metrics are regularly updated to reflect usage leading up to the last few days.Citations are the number of other articles citing this article, calculated by Crossref and updated daily. Find more information about Crossref citation counts.The Altmetric Attention Score is a quantitative measure of the attention that a research article has received online. Clicking on the donut icon will load a page at altmetric.com with additional details about the score and the social media presence for the given article. Find more information on the Altmetric Attention Score and how the score is calculated. Share Add toView InAdd Full Text with ReferenceAdd Description ExportRISCitationCitation and abstractCitation and referencesMore Options Share onFacebookTwitterWechatLinked InRedditEmail Other access optionsGet e-AlertscloseSupporting Info (2)»Supporting Information Supporting Information SUBJECTS:Aromatic compounds,Binding energy,Cations,Electrostatics,Molecules Get e-Alerts
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Spin control in organic molecules

Dennis DoughertyMar 1, 1991
ADVERTISEMENT RETURN TO ISSUEPREVArticleSpin control in organic moleculesDennis A. DoughertyCite this: Acc. Chem. Res. 1991, 24, 3, 88–94Publication Date (Print):March 1, 1991Publication History Published online1 May 2002Published inissue 1 March 1991https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ar00003a005https://doi.org/10.1021/ar00003a005research-articleACS PublicationsRequest reuse permissionsArticle Views1434Altmetric-Citations428LEARN ABOUT THESE METRICSArticle Views are the COUNTER-compliant sum of full text article downloads since November 2008 (both PDF and HTML) across all institutions and individuals. These metrics are regularly updated to reflect usage leading up to the last few days.Citations are the number of other articles citing this article, calculated by Crossref and updated daily. Find more information about Crossref citation counts.The Altmetric Attention Score is a quantitative measure of the attention that a research article has received online. Clicking on the donut icon will load a page at altmetric.com with additional details about the score and the social media presence for the given article. Find more information on the Altmetric Attention Score and how the score is calculated. Share Add toView InAdd Full Text with ReferenceAdd Description ExportRISCitationCitation and abstractCitation and referencesMore Options Share onFacebookTwitterWechatLinked InRedditEmail Other access optionsGet e-Alertsclose Get e-Alerts
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