Lipid-Mediated Interactions between Membrane Proteins 29.6.04 Julia Weiß

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

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

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

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 Julia Weiß

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

2 Typen von Anziehung: Depletion-Induced: Fluctuation-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 Julia Weiß

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 Julia Weiß

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 Julia Weiß

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

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 Julia Weiß

Ergebnisse Auffällig: 2,5 Å -> 15 Å = 3 * Ø Kette (keine Aussage) Julia Weiß

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

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

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

Ergebnisse FE ist non-monoton Kleines WW-Volumen Starke Depletions- Anziehung bei kleinem d Repulsive Barriere bei mittlerem d Kleines WW-Volumen => Verdrängung Überlappung der gestörten Zonen => größerer Entropieverlust Julia Weiß

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

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 Julia Weiß

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 Julia Weiß

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

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

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 Julia Weiß

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

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

Ergebnisse für c0>0: u0<0: für c0<0: -> 2 einzelne Inklusionen bevorzugt u0>0: -> Dimerisierung bevorzugt für c0<0: -> unabhängig von u0 ist 0 (Anziehung) Julia Weiß

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 Julia Weiß

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 Julia Weiß

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

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.html Interactions between soft membranes and rigid, hydrophobic, biopolymers Short summary Julia Weiß