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Daniel AndresAnda0000@studcs.uni-sb.de

Proteins in Membranes:Proteins in Membranes:Demixing Demixing

PhenomenaPhenomena

29. Juni 2004

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- - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + +

Macromoleküle

+ +

+

Worum geht es?

Wie verändert sich die Lipidschicht durch zwei benachbarte Proteine ?

Was geschieht mit der Lipidoberfläche durch sich annähernde Proteine ?

Lipid-Doppelschicht

Absorptions-Bindungs-EnergieAbsorptions-Bindungs-Energie

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Keilförmige Proteine erzwingen

eine Verkippung der Ketten

Laterale Krümmung durch

oberflächlich gebundene Proteine

Fehlende Anpassung zwischen

den „hydrophoben Kernen“

Background Knowledge

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www.oci.unizh.ch/edu/lectures/material/OCV/Kap2/kap2.2.html

Micelle

Background Knowledge

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Einleitung

Lipiddoppelschicht wechselwirkt mit dezentralen Makromolekülen durch zwei oft verbundene Mechanismen:

1. Gefälligere Lipidbereiche wandern in Richtung der Interaktionszone, weniger gefällige Bereiche flüchten von dieser Zone

Lipid-demixing Prozess

(Veränderte Lipidzusammenstellung)

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Allgemein führt die Anwesenheit von Proteinen an Membran zu:

•Lipid-Demixing

•Lipid-Vermittlung

•Elastische Wechselwirkungen (WW) zwischen dem Protein

•Morphologischer Übergang

2. Durch die Elastizität der Lipidmembran kann es in der Interaktionszone zu einer Art Krümmungsdeformation der Membran kommen

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Theoretisches Absorptions-Energie-Modell

Protein

Membran

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Hohe Proteindichte führt zu einer hexagonalen Gitteranordnung der Proteine

Protein

Membran

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Freie Absorptions-Energie ΔF

ΔF = Elektrostatische Energie des Systems

+ „mixing“ Entropy der mobilen Ionen

+ 2D demixing Entropy der Lipide

+ thermodynamisches Potential

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Resultate

Zwei ebene und parallele Oberflächen ziehen sich an, wenn alle Gegenionen beseitigt sind und sich ein elektrisch neutrales Potential eingestellt hat

Bei unterschiedlicher Ladungsdichte der beiden Oberflächen gibt es größeren anziehende Bereiche aber auch kleinere abstoßende Regionen zwischen Membran und Protein

wegen Gegenionen

Abstoßung wird stärker, je größer der Ladungsmismatch

Ähnlicher Effekt tritt bei unebenen Oberflächen auf

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Gleiche Ladungsdichte der beiden Oberflächen

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50 % der Lipide sind geladen, der Rest ist neutral, ǿ = 0.5

Die Protein Ladungsdichte und die Membran Ladungsdichte sind beide gleich, χ = 1.0

Membran und Protein matchen

Nähert sich das Protein an die Lipidoberfläche, so neutralisieren sich die geladenen Lipide

Die Zunahme der elektrostatischen Energie durch eine stärkere Absorption führt zu einem Entropy Verlust in der Interaktionszone, hervorgerufen durch den Gegenionentransport an den Rand

Kleines Inlay-Bild:

Anteil an geladenen Lipiden ist ab einem Abstand von r = 3 konstant bei verschiedenen Ladungsdichten

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Stark geladene Membran, schwach geladenes Protein

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Die meisten Lipide sind geladen (ǿ = 0.8), schwach geladenes Protein (øp = 0.3) (χ = 0.375)

Das Ausmaß der absorbierenden freien Energie ist beachtlich kleiner gegenüber dem vorherigen Diagramm

Jedoch gibt es hier keinen merklichen Unterschied zwischen den drei verschiedenen Membrantypen (siehe Diagrammlegende und kleines Bild)

Lipid-Demixing spielt bei schwach geladenen Proteinen und stark geladenen Membranen keine merkliche Rolle

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Stark geladenes Protein, schwach geladene Membran

größte biologische Relevanz

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Die meisten Lipide sind schwach geladen (ǿ = 0.2), stark geladenes Protein (øp = 0.7) (χ = 3.5)

Die Ladungsanpassung der mobilen Lipide ist hier am stärksten ausgeprägt

Minimum der obersten Kurve (ΔFǿ) bei sehr kleinem h, bedingt durch Gegenionen in der Kontakt Region

Lipid-Demixing, um Ladungsmatch in der Interaktionszone zu erhalten

Kleines Inlay-Bild:

Die freie Bindungsenergie bei Membranen mit gleichmäßiger Anordnung geladener/ungeladener, starrer Lipide ist erheblich kleiner gegenüber Membranen mit mobilen Lipiden

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Seitliche Interaktionen zwischen benachbarten Proteinen

Zwei wichtige Effecte:

1. Konkurrenz um geladene Lipide (große Membran-Ladungsdichte und schwachen Proteinen-Ladungsdichte, Konkurrenz um neutrale Lipide)

2. Seitliche Abstoßung führt zur Abnahme der Absorptionsenergie, dies ist abhängig von:

• Protein-Membran-Ladungsverhältnis

• Oberflächen-Überdeckung

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Geringe Ladungs-Regulierung bei øp = ǿ = 0.2

Stärker geladene Proteine führen zu einer ausgeprägteren Ladungs-Regulierung, besonders bei großen Abständen zwischen den Proteinen (R = 60 Å)

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Sind die Proteine dicht gepackt (R = 13 Å), so ist die Ladungs-Regulierung eher schwach

geladene Lipide interagieren mit beiden Proteinen

Für r >= 20 Å kann die Wechselwirkung zwischen benachbarten Proteinen vernachlässigt werden

Lipid-Demixing resultiert in einer Erhöhung der freien Absorptionsenergie, vor allem wenn die Protein-Ladungs-Dichte merklich höher ist, gegenüber der Ladungs-Dichte der Membran

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Take Home

Die Bindungsenergie nimmt zu, wenn sich geladene Lipide zur Interaktionszone eines absorbierenden Proteins bewegen

Dieser Lipid-Mobilitäts-Effekt tritt besonders stark auf, bei hoher Protein Ladungs-Dichte und geringer Membran Ladungs-Dichte

verstärktes Lipid-Demixing

Interagierende Proteine stoßen sich ab, wenn sich die Gegenionen-Wolken benachbarter Proteine überlappen

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•Welche Rolle spielen Ionen und Wassermoleküle?

•Welche Effekte treten bei einer nicht ideale verteilten Lipidladung auf? D.h. die Membran wäre nach außen hin nicht neutral, sondern positiv geladen

•Welche Auswirkungen hätte eine elastische Membran?

Zukunftsaspekte

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Quellen

•Lipid Demixing and Protein-Protein Interactions in the Absorption of Charged Proteins on Mixed Membranes by Sylvio May, Daniel Harries, and Avinoam Ben-Shaul

•Bilder: www.oci.unizh.ch/edu/lectures/material/OCV/Kap2/kap2.2.html

www2.uchsc.edu/pharm/structural.asp

www.u-helmich.de/bio/cyt/reihe03/membran01.html

www.bmm.icnet.uk/people/suhail/lipid-protein.html