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

Lagüe, P., Zuckermann, M.J., and Roux, B., (2001) Biophys. J., 81, 276-284. Lipid-Mediated Interactions between Intrinsic Membrane Proteins: Dependence on Protein Size and Lipid Composition.

May, S., http://www.ichf.edu.pl/jadwkonf/sylvmayabs1/abstract1.htmlInteractions between soft membranes and rigid, hydrophobic, biopolymers Short summary