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 Julia Weiß

3. 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

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

5. 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

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

7. 2 Typen von Anziehung: • Depletion-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

8. 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

9. 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

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

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 Julia Weiß

12. 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 Julia Weiß

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

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

15. 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

16. 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 Julia Weiß

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

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 Julia Weiß

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 => repulsive Barriere tritt früher auf Julia Weiß

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

21. 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

22. 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

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

24. Freie EnergieKonformationseinschränkungen 1) n(r) : durchschnittliche Orientierungen der Lipidketten am Ursprung r 2) : spontanes Director Field Julia Weiß

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

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 Julia Weiß

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 Julia Weiß

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

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/sylvmayabs1/abstract1.html Interactions between soft membranes and rigid, hydrophobic, biopolymers Short summary Julia Weiß