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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 29.6.04 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 { "@context": "http://schema.org", "@type": "ImageObject", "contentUrl": "http://images.slideplayer.org/1/662212/slides/slide_7.jpg", "name": "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, 7435-7444. 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, 4494-4502. 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, 2867-2879. 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, 2251-2259. Protein Attraction in Membranes Induced by Lipid Fluctuations. 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.Lipid-Mediated Interactions between Intrinsic Membrane Proteins: Dependence on Protein Size and Lipid Composition. May, S., http://www.ichf.edu.pl/jadwkonf/sylvmayabs1/abstract1.html Interactions between soft membranes and rigid, hydrophobic, biopolymers Short summary


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