Lipid-Mediated Interactions between Membrane Proteins

1
Lipid-Mediated Interactions between Membrane
Proteins

• 29.6.04
• Julia Weiß

2
Gliederung

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

3
Einleitung

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

4
Analogie zum Hydrophoben Effekt

• Binden 2er Proteine in Wasser
• gt Reduzierung der solvent-exposed surface
  area
• Assembly eines Membran-proteinkomplexes

5
Monte Carlo

• Modell
• Lipidbilayer mit 2 integralen
  Proteinen
• NL 2 x500 Lipidmoleküle
  -gt M 5 Monomere
  
  ? 3-4
  CH2-Gruppen
• Rigide Zylinder mit Durchmesser sp
• Abschätzung der Kräfte zwischen Inklusionen und
  ihrer Reichweite

6
Ergebnisse

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

7
2 Typen von Anziehung

• Depletion-Induced
• Reichweite rlt1sL (Durchmesser eines Lipidkopfes)
• Fluctuation-Induced
• Reichweite 1sLltrlt6sL
• Entsteht durch Überlappung der Dichtegradienten
  und Fluktuationen der Lipide in der Umgebung der
  Proteine

8
Integralgleichungen

• Modell
• Proteine harte repulsive Zylinder (Radius s
  2,5 Å /5 Å /9 Å )
• WW nur mit aliphatischen Ketten
• lt-gt 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
Lipiddichte in Nachbarschaft der Inklusion

• Trotz komplizierter Referenzwerte relativ simpel
• s Reichweite ca. 20 Å
• Ähnliche Verteilungen für Proteine mit r 5 Å
  bzw. 9 Å
• Depletion Area
• Crowded Area

10
Entropie der Lipide

• Um nahe an eine Inklusion heranzukommen
• -gt Einschränkung der Konformationen
• gt Entropieverlust
• gt effektive Lipid-Proteinabstoßung

11
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
Ergebnisse

• Auffällig
• 2,5 Å -gt 15 Å 3 Ø Kette (keine Aussage)
• 5 Å -gt 10 Å 2 Ø Kette
• 9 Å -gt 5 Å 1 Ø Kette

13
Hydrophober Mismatch

• Positiv
• Streckung der Lipide
• Negativ
• Stauchung der Lipide
• Folgen
• Kippen der Proteine
• Neusortierung der Lipide
• Konformationsänderungen

14
Chain Packing Theorie

• Hydrophobe Dicke des Proteins Dicke der
  ungestörten Membran
• (kein hydrophober Mismatch)
• Hydrophober Kern ist einheitlich mit
  Kettensegmenten bepackt

15
Chain Packing Theorie

• Generierung aller möglichen Konformationen der
  Lipide
• gt Wahrscheinlichkeitsverteilung der
  Kettenkonformationen bzgl. aller Abstände
• gt Freie Energie der Wechsel- wirkungen zwischen
  2 Inklusionen

16
Ergebnisse

• FE ist non-monoton
• Starke Depletions- Anziehung bei kleinem d
• Repulsive Barriere bei mittlerem d
• Kleines WW-Volumen
• gt Verdrängung
• Überlappung der gestörten Zonen
• gt größerer Entropieverlust

17
Ergebnisse

• Reaktion der Lipide in Abhängigkeit des Abstandes
  zwischen 2 Inklusionen

• verbotene Konformationen
• gt Abwinklung der Lipidketten
• gt leichte Streckung der gewinkelten Ketten

18
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
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
• gt repulsive Barriere tritt früher auf

20
Phänomenologischer Ansatz

• Elastizitätsbeitrag
• Hydrophobe Membrandicke
• Director Field (Lipidwinkelung)
• Konformationsbeitrag
• Simple Director Model
• Annahme

21
Elastizitätsbeitrag

• Feste Inklusion erfordert
• Anpassung
• gt als Energiestrafe
• Relative Veränderung der
• hydrophoben Dicke
• h h(r) lokale hydrophobe Dicke
• hydrophobe Dicke der ungestörten Membran

22
Freie Energie Elastizität

• 1) Beitrag der Kettenstreckung
• K Kettenstreckungsmodulus (exp. 2K0,4
  /Ų)
• 2)3) Energie der Lipidketten (Spreizen)
• ? Biegung spontane Krümmung des
  Monolayers
• (exp. ? 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 ltlt ?

23
Konformationseinschränkungen

• Rigide Inklusion hat direkte Auswirkungen auf
  benachbarte Lipidketten
• gt Reduzierung der Bewegungsfreiheit
• gt als Energiestrafe

24
Freie EnergieKonformationseinschränkungen

• 1) n(r) durchschnittliche Orientierungen der
  Lipidketten am Ursprung r
• 2) spontanes Director Field

25
Ergebnisse

• für c0gt0 u0lt0
• -gt 2 einzelne Inklusionen bevorzugt
• u0gt0
• -gt Dimerisierung bevorzugt
• für c0lt0
• -gt unabhängig von u0 ist
• 0 (Anziehung)

26
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
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
Ausblicke weitere Aufgaben

• Erweiterung der Integralgleichung-Theorie
• Abhängigkeit der lipidvermittelten WW von der
  Membranzusammen-setzung
• Betrachtung komplizierterer Protein-oberflächen

29
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/sylvmayab
  s1/abstract1.html
• Interactions between soft membranes and rigid,
  hydrophobic, biopolymers Short summary