Proteins in Membranes: Demixing Phenomena Daniel Andres Anda0000@studcs.uni-sb.de 29. Juni 2004

Absorptions-Bindungs-Energie Worum geht es? Wie verändert sich die Lipidschicht durch zwei benachbarte Proteine ? Macromoleküle Was geschieht mit der Lipidoberfläche durch sich annähernde Proteine ? + + Absorptions-Bindungs-Energie - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + Lipid-Doppelschicht

Background Knowledge Keilförmige Proteine erzwingen eine Verkippung der Ketten Laterale Krümmung durch oberflächlich gebundene Proteine Fehlende Anpassung zwischen den „hydrophoben Kernen“

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

Einleitung Lipiddoppelschicht wechselwirkt mit dezentralen Makromolekülen durch zwei oft verbundene Mechanismen: Gefälligere Lipidbereiche wandern in Richtung der Interaktionszone, weniger gefällige Bereiche flüchten von dieser Zone Lipid-demixing Prozess (Veränderte Lipidzusammenstellung)

2. Durch die Elastizität der Lipidmembran kann es in der Interaktionszone zu einer Art Krümmungsdeformation der Membran kommen Allgemein führt die Anwesenheit von Proteinen an Membran zu: Lipid-Demixing Lipid-Vermittlung Elastische Wechselwirkungen (WW) zwischen dem Protein Morphologischer Übergang

Theoretisches Absorptions-Energie-Modell Protein Membran

Hohe Proteindichte führt zu einer hexagonalen Gitteranordnung der Proteine Membran

Freie Absorptions-Energie ΔF ΔF = Elektrostatische Energie des Systems + „mixing“ Entropy der mobilen Ionen + 2D demixing Entropy der Lipide + thermodynamisches Potential

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

Gleiche Ladungsdichte der beiden Oberflächen

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

Stark geladene Membran, schwach geladenes Protein

Die meisten Lipide sind geladen (ǿ = 0 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

Stark geladenes Protein, schwach geladene Membran größte biologische Relevanz

Die meisten Lipide sind schwach geladen (ǿ = 0 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

Seitliche Interaktionen zwischen benachbarten Proteinen Zwei wichtige Effecte: Konkurrenz um geladene Lipide (große Membran-Ladungsdichte und schwachen Proteinen-Ladungsdichte, Konkurrenz um neutrale Lipide) Seitliche Abstoßung führt zur Abnahme der Absorptionsenergie, dies ist abhängig von: Protein-Membran-Ladungsverhältnis Oberflächen-Überdeckung

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)

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

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

Zukunftsaspekte 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?

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