1 Daniel Andres [email protected] Proteins in Membranes: DemixingPhenomena 29. Juni 2004.
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Daniel [email protected]
Proteins in Membranes:Proteins in Membranes:Demixing Demixing
PhenomenaPhenomena
29. Juni 2004
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- - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + +
Macromoleküle
+ +
+
Worum geht es?
Wie verändert sich die Lipidschicht durch zwei benachbarte Proteine ?
Was geschieht mit der Lipidoberfläche durch sich annähernde Proteine ?
Lipid-Doppelschicht
Absorptions-Bindungs-EnergieAbsorptions-Bindungs-Energie
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Keilförmige Proteine erzwingen
eine Verkippung der Ketten
Laterale Krümmung durch
oberflächlich gebundene Proteine
Fehlende Anpassung zwischen
den „hydrophoben Kernen“
Background Knowledge
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4
www.oci.unizh.ch/edu/lectures/material/OCV/Kap2/kap2.2.html
Micelle
Background Knowledge
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Einleitung
Lipiddoppelschicht wechselwirkt mit dezentralen Makromolekülen durch zwei oft verbundene Mechanismen:
1. Gefälligere Lipidbereiche wandern in Richtung der Interaktionszone, weniger gefällige Bereiche flüchten von dieser Zone
Lipid-demixing Prozess
(Veränderte Lipidzusammenstellung)
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Allgemein führt die Anwesenheit von Proteinen an Membran zu:
•Lipid-Demixing
•Lipid-Vermittlung
•Elastische Wechselwirkungen (WW) zwischen dem Protein
•Morphologischer Übergang
2. Durch die Elastizität der Lipidmembran kann es in der Interaktionszone zu einer Art Krümmungsdeformation der Membran kommen
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Theoretisches Absorptions-Energie-Modell
Protein
Membran
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Hohe Proteindichte führt zu einer hexagonalen Gitteranordnung der Proteine
Protein
Membran
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Freie Absorptions-Energie ΔF
ΔF = Elektrostatische Energie des Systems
+ „mixing“ Entropy der mobilen Ionen
+ 2D demixing Entropy der Lipide
+ thermodynamisches Potential
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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
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Gleiche Ladungsdichte der beiden Oberflächen
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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
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Stark geladene Membran, schwach geladenes Protein
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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
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Stark geladenes Protein, schwach geladene Membran
größte biologische Relevanz
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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
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Seitliche Interaktionen zwischen benachbarten Proteinen
Zwei wichtige Effecte:
1. Konkurrenz um geladene Lipide (große Membran-Ladungsdichte und schwachen Proteinen-Ladungsdichte, Konkurrenz um neutrale Lipide)
2. Seitliche Abstoßung führt zur Abnahme der Absorptionsenergie, dies ist abhängig von:
• Protein-Membran-Ladungsverhältnis
• Oberflächen-Überdeckung
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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)
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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
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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
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•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?
Zukunftsaspekte
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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