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Lipid-Mediated Interactions between Membrane Proteins 29.6.04 Julia Weiß

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Präsentation zum Thema: "Lipid-Mediated Interactions between Membrane Proteins 29.6.04 Julia Weiß"—  Präsentation transkript:

1 Lipid-Mediated Interactions between Membrane Proteins Julia Weiß

2 2 Gliederung Einleitung Verschiedene Methoden zur Berechnung der Kräfte zwischen integralen Membran-Proteinen Zusammenfassung

3 Julia Weiß3 Einleitung Welche Wechsel- wirkungen bestehen in Membranen, die Integralproteine enthalten? Welche Rolle spielen die Lipide? Was ist die treibende Kraft zur Oligo- merisierung?

4 Julia Weiß4 Analogie zum Hydrophoben Effekt Binden 2er Proteine in Wasser => Reduzierung der solvent- exposed surface area Assembly eines Membran- proteinkomplexes

5 Julia Weiß5 Monte Carlo Modell: Lipidbilayer mit 2 integralen Proteinen N L = 2 x500 Lipidmoleküle -> M = 5 Monomere 3-4 CH 2 -Gruppen Rigide Zylinder mit Durchmesser σ p Abschätzung der Kräfte zwischen Inklusionen und ihrer Reichweite

6 Julia Weiß6 Ergebnisse Wahrscheinlichkeitsverteilung Abstand von ca. 2 Å am wahrscheinlichsten Lipidorientierung und -dichte Nähern sich mit wachsendem Abstand dem Durchschnittswert

7 Julia Weiß7 2 Typen von Anziehung: Depletion-Induced: Reichweite: r<1 σ L (Durchmesser eines Lipidkopfes) Fluctuation-Induced: Reichweite: 1 σ L

8 Julia Weiß8 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

9 Julia Weiß9 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

10 Julia Weiß10 Entropie der Lipide Um nahe an eine Inklusion heranzukommen -> Einschränkung der Konformationen => Entropieverlust => effektive Lipid-Proteinabstoßung

11 Julia Weiß11 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

12 Julia Weiß12 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

13 Julia Weiß13 Hydrophober Mismatch Positiv: Streckung der Lipide Negativ: Stauchung der Lipide Folgen: Kippen der Proteine Neusortierung der Lipide Konformationsänderungen

14 Julia Weiß14 Chain Packing Theorie Hydrophobe Dicke des Proteins = Dicke der ungestörten Membran (kein hydrophober Mismatch) Hydrophober Kern ist einheitlich mit Kettensegmenten bepackt

15 Julia Weiß15 Chain Packing Theorie Generierung aller möglichen Konformationen der Lipide => Wahrscheinlichkeitsverteilung der Kettenkonformationen bzgl. aller Abstände => Freie Energie der Wechsel- wirkungen zwischen 2 Inklusionen

16 Julia Weiß16 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

17 Julia Weiß17 Ergebnisse Reaktion der Lipide in Abhängigkeit des Abstandes zwischen 2 Inklusionen verbotene Konformationen => Abwinklung der Lipidketten => leichte Streckung der gewinkelten Ketten

18 Julia Weiß18 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

19 Julia Weiß19 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

20 Julia Weiß20 Phänomenologischer Ansatz Elastizitätsbeitrag Hydrophobe Membrandicke Director Field (Lipidwinkelung) Konformationsbeitrag Simple Director Model Annahme:

21 Julia Weiß21 Elastizitätsbeitrag Feste Inklusion erfordert Anpassung => als Energiestrafe Relative Veränderung der hydrophoben Dicke h = h(r): lokale hydrophobe Dicke : hydrophobe Dicke der ungestörten Membran

22 Julia Weiß22 Freie Energie Elastizität 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 Normalenrichtung 5) Windung der Lipidmoleküle innerhalb des Lipidlayer K ist unbekannt, trotzdem K << κ

23 Julia Weiß23 Konformationseinschränkungen Rigide Inklusion hat direkte Auswirkungen auf benachbarte Lipidketten => Reduzierung der Bewegungsfreiheit => als Energiestrafe

24 Julia Weiß24 Freie Energie Konformationseinschränkungen 1) n(r) : durchschnittliche Orientierungen der Lipidketten am Ursprung r 2) : spontanes Director Field

25 Julia Weiß25 Ergebnisse für c 0 >0: u 0 <0: -> 2 einzelne Inklusionen bevorzugt u 0 >0: -> Dimerisierung bevorzugt für c 0 <0: -> unabhängig von u 0 ist 0 (Anziehung)

26 Julia Weiß26 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

27 Julia Weiß27 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

28 Julia Weiß28 Ausblicke + weitere Aufgaben Erweiterung der Integralgleichung- Theorie Abhängigkeit der lipidvermittelten WW von der Membranzusammen- setzung Betrachtung komplizierterer Protein- oberflächen

29 Julia Weiß29 Quellen Bohinc, K., Kralj-Iglic, V., and May, S., (2003) J. Chem. Phys., 119, Interaction between two Cylindrical Inclusions in a Symmetric Lipid Bilayer.Interaction between two Cylindrical Inclusions in a Symmetric Lipid Bilayer. May, S. and Ben-Shaul, A., (2000), PCCP, 2, A Molecular Model for Lipid-Mediated Interaction between Proteins in Membranes.A Molecular Model for Lipid-Mediated Interaction between Proteins in Membranes. Lagüe, P., Zuckermann, M.J., and Roux, B., (2000) Biophys. J., 79, Lipid-Mediated Interactions between Intrinsic Membrane Proteins: A Theoretical Study Based on Integral Equations.Lipid-Mediated Interactions between Intrinsic Membrane Proteins: A Theoretical Study Based on Integral Equations. Sintes, T. and Baumgärtner, A., (1997) Biophys. J., 73, Protein Attraction in Membranes Induced by Lipid Fluctuations. Protein Attraction in Membranes Induced by Lipid Fluctuations. Helms, H. (2002) EMBO reports vol.3 no Attraction within the Membrane Lagüe, P., Zuckermann, M.J., and Roux, B., (2001) Biophys. J., 81, Lipid-Mediated Interactions between Intrinsic Membrane Proteins: Dependence on Protein Size and Lipid Composition.Lipid-Mediated Interactions between Intrinsic Membrane Proteins: Dependence on Protein Size and Lipid Composition. May, S., Interactions between soft membranes and rigid, hydrophobic, biopolymers Short summary


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