Syntetické peptidy jako modely vnořených membránových proteinů

Ladislav Šigut

Biofyzika 2.ročník

Obsah

Vliv tloušťky dvouvrstvy na strukturu a uspořádání membránových proteinů

Poznatky získané používáním syntetických peptidů jako modelů pro membránové proteiny

Typické vlastnosti membránových proteinů

Většinou jeden nebo více hydrofobních segmentů => možnost přemostění membrány

v α-helix konfiguraci

Typické vlastnosti membránových proteinů

Interakce s okolními lipidy v membráně: Vazba přes vodíkový

můstek Dipolární interakce v

hraniční oblasti

lipid/voda

Aktivita membránových proteinů

Závisí na prostředí (lipidech) a/nebo vyžaduje konkrétní lipidy

Změna aktivity proteinů vždy souvisí se změnou jejich struktury

Působení lipidů na změnu aktivity proteinů vyplývá z jejich schopnosti ovlivnit strukturu proteinů

Změna aktivity membránových proteinů

Změna tloušťky dvojvrstvy

Lze pozorovat vliv na aktivitu membránových proteinů po rekonstituci proteinů ve dvojvrstvě

Změna aktivity přisuzována neshodě mezi délkou hydrofobního segmentu proteinu přemosťujícího membránu a tloušťky hydrofobní dvojvrstvy

Důsledky změny tloušťky dvojvrstvy

2 možnosti:

1. Transmembránové segmenty jsou příliš dlouhé pro přemostění hydrofobní dvojvrstvy

2. Transmembránové segmenty jsou relativně krátké pro přemostění hydrofobní dvojvrstvy

Příliš dlouhé transmembránové segmenty

Jedná se o tzv. pozitivní neshodu

Hydrofobní postranní řetězce mohou vyčnívat a tak se vystavit polárnímu prostředí (změna entropie)

Způsoby odpovědí na efektivní neshodu: Proteiny se mohou přizpůsobit tvorbou oligomerů (stíní vystavené skupiny) Změnou jejich hlavního řetězce Odkloněním se od normály dvojvrstvy, neboli zkrácením jejich efektivní délky

Pozn.: efektivní délka peptidu není rovna jeho skutečné délce, ale je ovlivněna uspořádáním molekuly v prostoru (smyčka, naklonění)

Změnou orientace postranních řetězců v blízkosti hraniční oblasti lipid/voda

Pozitivní neshoda

Způsoby odpovědí na efektivní neshodu:

Tvorba oligomerů

- zvýšením poměru peptid / lipid a zvýšením rozdílu efektivní neshody může dojít až k makroskopické aglomeraci (snadná separace)

Změna hlavního řetězce (nevýhodná – proteiny tvoří velmi stabilní α-helixy)

Zkrácení efektivní délky (naklonění)

Změna orientace postranních řetězců

Negativní neshoda

Způsoby odpovědí na efektivní neshodu:

Tvorba oligomerů – pozorovatelných u Lysinem lemovaných proteinů Změna hlavního řetězce (nevýhodná) Změna orientace postranních řetězců

Nepatří zde zkrácení efektivní délky (naklonění)!

Pro oba typy neshod platí, že s rostoucím rozdílem neshod klesá počet proteinů, které mohou být stabilně začleněny do lipidové dvojvrstvy

Efektivní neshoda - biomembrána

Lipidy biomembrány se mohou přizpůsobit

Protažení nebo změna uspořádání acylových řetězců

Přizpůsobení jejich makroskopické struktury – tvorba nelamelární fáze (typická pro určité typy proteinů)

Směsi lipidů

Proteiny se přednostně obklopují nejvíce vyhovujícími lipidy

FUNKCE Biologicky důležitý proces třídění

Energetický výdej

Hydrofobní neshoda je energeticky nepříznivá

Odpověď na ni je energeticky náročná

Zkoumáme rozsah odpovědi a podmínky, při kterých probíhá (systematický přístup)

Umělé modelové peptidy

Umělé peptidy

Umožňují systematicky měnit délku hydrofobních částí peptidů a délku membránu přemosťujících segmentů

Typické rodiny umělých peptidů – stavba: Hydrofobní oblasti tvořenou polyleucinem, nebo opakujícími se

alanin-leucinovými sekvencemi různých délek Peptidy jsou často lemovány zbytky lysinu (WALP peptidy)

Důvod: zabránění agregaci, zajištění stabilní membránové orientace Transmembránové domény vnořených membránových proteinů

jsou také často lemovány zbytky tryptofanu (KALP peptidy)

Chemické vlastnosti lysinu a tryptofanu

Lysin Tryptofan

Polarita postranního řetězce polární nepolární

Acidita / bazicita postranního řetězce zásaditý neutrální

Hydropatický index -3,9 -0,9

Hydropatický index proteinu – číslo prezentující hydrofilní a hydrofobní vlastnosti (čím vyšší číslo, tím hydrofobnější aminokyselina)

isoleucin (4,5); arginin (-4,5) (Kyte a Doolittle)

WALP a KALP

Pomocí těchto dvou typů umělých proteinů je možné získat výsledky popisující obrovskou rozmanitost odpovědí

efektivních neshod a význam lemujících reziduí

Závěr

Za použití „jednolipidových“ systémů a jednoduchých syntetických peptidů můžeme simulovat řadu různých neshod, každou s vlastními energetickými výdaji

Konečná odpověď na efektivní neshodu je určená vyvážením energetických výdajů jednotlivých odpovědí (proteinu i membrány) a energetického výdeje samotné hydrofobní neshody

Vliv má kromě rozsahu neshody i složení proteinu (hydrofobicita, rozmístění postranních řetězců a povaha protein lemujících reziduí), složení lipidů (velikost a náboj hlavových skupin, délka a stupeň saturace acylových řetězců

Článek: systematický výzkum vlivu lemujících reziduí pomocí WALP a KALP proteinů

Závěr - výsledky Rezidua ovlivňují výsledky odpovědí třemi způsoby:

Orientací postranních řetězců lemujících zbytků Preferovanou interakcí na rozhraní Silou kotvících interakcí na rozhraní nebo energetickým výdejem

potřebným k přesunutí postranních řetězců z jejich preferovaných umístění

Byly pozorovány jemné rozdíly mezi efekty kladně nabitých zbytků (Lys) a efekty aromatických zbytků (Trp)

Byly pozorovány shody mezi chováním umělých a přirozených peptidů

Umělé proteiny přemosťující membránu pouze jednou nemusí být vhodné jako modely proteinů membránu přemosťujících několikrát

Umělých proteinů můžeme s výhodou využít i při jiných výzkumech zahrnujících interakce protein / protein nebo protein / lipid

Literatura

Killian, J. A. Synthetic peptides as models for intrinsic membrane proteins. Minireview, FEBS Letters 555 (2003).

Fattal, Ben-Shaul. A Molecular Model for Lipid-Protein Interaction in Membranes: the Role of Hydrophobic Mismatch. Reprint, Biophysical Journal, Volume 65, November 1993.

Wikipedie [online] poslední kontrola duben 2008 <http://en.wikipedia.org>.

Doporučeno: Duque, et al. Molecular theory of hydrophobic mismatch between lipids and

peptides. Journal of Chemical Physics, VOLUME 116, NUMBER 23, 2002