Lipid-Mediated Interactions between Membrane Proteins 29.6.04 Julia Weiß
Lipid-Mediated Interactions between Membrane Proteins
29.6.04Julia Weiß
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Gliederung
Einleitung Verschiedene Methoden zur
Berechnung der Kräfte zwischen integralen Membran-Proteinen
Zusammenfassung
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Einleitung Welche Wechsel-
wirkungen bestehen in Membranen, die Integralproteine enthalten?
Welche Rolle spielen die Lipide?
Was ist die treibende Kraft zur Oligo- merisierung?
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Analogie zum Hydrophoben Effekt
Binden 2er Proteine in Wasser=> Reduzierung der ‚solvent-exposed surface area‘
Assembly eines Membran-proteinkomplexes
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Monte Carlo Modell:
Lipidbilayer mit 2 integralen Proteinen
NL = 2 x500 Lipidmoleküle -> M = 5 Monomere ≙ 3-4 CH2-Gruppen
Rigide Zylinder mit Durchmesser σp
Abschätzung der Kräfte zwischen Inklusionen und ihrer Reichweite
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Ergebnisse Wahrscheinlichkeitsverteilung
Abstand von ca. 2 Å am wahrscheinlichsten
Lipidorientierung und -dichte Nähern sich mit wachsendem
Abstand dem Durchschnittswert
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2 Typen von Anziehung:
Depletion-Induced: Reichweite: r<1σL (Durchmesser eines
Lipidkopfes) Fluctuation-Induced:
Reichweite: 1σL<r<6σL
Entsteht durch Überlappung der Dichtegradienten und Fluktuationen der Lipide in der Umgebung der Proteine
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Integralgleichungen Modell:
Proteine = harte repulsive Zylinder (Radius σ =2,5 Å /5 Å /9 Å )
WW nur mit aliphatischen Ketten <-> keine WW mit polaren Kopfgruppen
Laterale Störung der durchschnittlichen Struktur der Hydrocarbonketten
PMF = Potential of Mean Force Mittels Korrelationsfunktionen und
Integralgleichungen (MD Simulation) „Freie Energie“-Charakter
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Lipiddichte in Nachbarschaft der Inklusion
Trotz komplizierter Referenzwerte relativ simpel: σ : Reichweite ca. 20 Å Ähnliche Verteilungen für
Proteine mit r = 5 Å bzw. 9 Å Depletion Area Crowded Area
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Entropie der Lipide Um nahe an eine Inklusion heranzukommen
-> Einschränkung der Konformationen => Entropieverlust => effektive Lipid-Proteinabstoßung
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Freie Energie + Mean Force Anziehung beider Proteine
beginnt genau am Punkt der maximalen Freien Energie
Effektive Kräfte sind größenabhängig
Für großes Protein wurde kein stabiler Zustand gefunden
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Ergebnisse Auffällig:
2,5 Å -> 15 Å = 3 * Ø Kette (keine Aussage)
5 Å -> 10 Å = 2 * Ø Kette 9 Å -> 5 Å = 1 * Ø Kette
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Hydrophober Mismatch Positiv:
Streckung der Lipide Negativ:
Stauchung der Lipide
Folgen: Kippen der Proteine Neusortierung der Lipide Konformationsänderungen
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Chain Packing Theorie
Hydrophobe Dicke des Proteins = Dicke der ungestörten Membran(kein hydrophober Mismatch)
Hydrophober Kern ist einheitlich mit Kettensegmenten bepackt
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Chain Packing Theorie
Generierung aller möglichen Konformationen der Lipide => Wahrscheinlichkeitsverteilung der Kettenkonformationen bzgl. aller Abstände=> Freie Energie der Wechsel- wirkungen zwischen 2 Inklusionen
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Ergebnisse FE ist non-monoton
Starke Depletions- Anziehung bei kleinem d
Repulsive Barriere bei mittlerem d
Kleines WW-Volumen=> Verdrängung
Überlappung der gestörten Zonen => größerer Entropieverlust
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Ergebnisse
Reaktion der Lipide in Abhängigkeit des Abstandes zwischen 2 Inklusionen
„verbotene“ Konformationen=> Abwinklung der Lipidketten=> leichte Streckung der gewinkelten Ketten
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Simple Director Model
Trotz Einfachheit in der Lage das qualitative Verhalten von zu beschreiben
= „Director“ = durchschnittliche Kettenlänge in der ungestörten Membran
Alle Orientierungen gleichwahr-scheinlich
)(dF
e
e
r
rn
er
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Simple Director Model Verlust an Konformationsfreiheit
durch Anteil der „verbotenen“ Orientierungen bestimmt
Qualitativ gleiche Ergebnisse wie Chain Packing Theorie
Aufgrund der Gleichverteilung der Orientierungen: größere durch-schnittliche laterale Ausdehnung => repulsive Barriere tritt früher auf
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Phänomenologischer Ansatz Elastizitätsbeitrag
Hydrophobe Membrandicke Director Field (Lipidwinkelung)
Konformationsbeitrag Simple Director Model
Annahme: cel FFF
cF
elF
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Elastizitätsbeitrag Feste Inklusion erfordert
Anpassung=> als Energiestrafe
Relative Veränderung derhydrophoben Dicke
h = h(r): lokale hydrophobe Dicke : hydrophobe Dicke der ungestörten Membran
elF
cel FFF
1)(
)(0
h
rhru
0h
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Freie Energie Elastizität
2200
22 )(2
')(
2)()(
22n
Kuhnncnu
Kf tel
1) Beitrag der Kettenstreckung K =Kettenstreckungsmodulus (exp. 2K=0,4 /Ų)2)+3) Energie der Lipidketten (Spreizen) κ = Biegung = spontane Krümmung des Monolayers (exp. κ =10 und -0,03≤ Å ≤0,03)4) Energie für Kippung des Monolayers Kippmodulus = Kippwinkel der Lipidketten bzgl. der Normalenrichtung5) Windung der Lipidmoleküle innerhalb des Lipidlayer K‘ ist unbekannt, trotzdem K‘ << κ
TkB
0cTkB 0c
tuhn 0
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Konformationseinschränkungen Rigide Inklusion hat direkte Auswirkungen
auf benachbarte Lipidketten
=> Reduzierung der Bewegungsfreiheit
=> als Energiestrafe cF
cel FFF
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Freie EnergieKonformationseinschränkungen
)()(2
100 nnnnf c
tc
1) n(r) : durchschnittliche Orientierungen der Lipidketten am Ursprung r
2) : spontanes Director Field0n
cel FFF
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Ergebnisse für c0>0:
u0<0:
-> 2 einzelne Inklusionen bevorzugt
u0>0:
-> Dimerisierung bevorzugt
für c0<0:
-> unabhängig von u0 ist
0 (Anziehung)
F
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Zusammenfassung
Alle Methoden lieferten qualitativ ähnliche Ergebnisse: Anziehung (Depletion/Fluktuation) Energie-Barriere
MC: nur Anziehung, weil das Simulationssystem zu klein war
IgG: Freie Energie ist abhängig von Inklusionsgröße
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Zusammenfassung Chain Packing Theorie:
- detaillierte Informationen auf Molekularlevel über konformationale Eigenschaften der Ketten- rechenzeitaufwendig, da vollständige Energieminimierung des Membransystems durchgeführt wird
Kombination des Director Model mit Elastizitätstheorie gibt die Ergebnisse der Chain Packing Theorie gut wieder
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Ausblicke + weitere Aufgaben
Erweiterung der Integralgleichung-Theorie
Abhängigkeit der lipidvermittelten WW von der Membranzusammen-setzung
Betrachtung komplizierterer Protein-oberflächen
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Quellen Bohinc, K., Kralj-Iglic, V., and May, S., (2003) J. Chem. Phys., 119,
7435-7444. Interaction between two Cylindrical Inclusions in a Symmetric Lipid Bilayer.
May, S. and Ben-Shaul, A., (2000), PCCP, 2, 4494-4502. A Molecular Model for Lipid-Mediated Interaction between Proteins in Membranes.
Lagüe, P., Zuckermann, M.J., and Roux, B., (2000) Biophys. J., 79, 2867-2879. Lipid-Mediated Interactions between Intrinsic Membrane Proteins: A Theoretical Study Based on Integral Equations.
Sintes, T. and Baumgärtner, A., (1997) Biophys. J., 73, 2251-2259. Protein Attraction in Membranes Induced by Lipid Fluctuations.
Helms, H. (2002) EMBO reports vol.3 no.12 1133-1138 Attraction within the Membrane
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May, S., http://www.ichf.edu.pl/jadwkonf/sylvmayabs1/abstract1.htmlInteractions between soft membranes and rigid, hydrophobic, biopolymers Short summary