Mesoscopic models of lipid bilayers and bilayers with embedded ...

More documents

Recommendations

Info

$Learning LATEX by Doing$

128 Summary vestigate hydrophobic mismatch. The matching between the lipid bilayer hydrophobic thickness and the hydrophobic length of integral membrane proteins has been proposed as a generic physical principle on which the lipid-protein interaction in biomembranes is based. The energy cost of exposing polar moieties, from either hydrocarbon chains or protein residues, is so high that the hydrophobic part of the lipid bilayer should match the hydrophobic domain of membrane proteins. The results from a number of investigations have indeed pointed out the relevance of the hydrophobic matching in relation to the lipid-protein interactions, hence to membrane organization and biological function. To address these issues, we study bilayers with embedded a single protein, which can vary in size and in hydrophobic length. We compute the coherence length for the protein-induced spatial fluctuations, and quantify it in terms of a decay length of the lipid bilayer hydrophobic thickness profile around the protein. This quantity is not accessible to experimental measurements, but can be important in determining the range of the protein-induced perturbation, and can be relevant in predicting lipid-mediated protein-protein interaction and aggregation. We find that the protein-induced lipid perturbation depends on the mismatch and on the temperature of the system, and that a protein-size dependence appears for values of temperatures approaching from above the transition temperature of the pure lipid bilayer, i.e. in the fluid phase of the system. An interesting and unexpected result of this study, is that we find that for large mismatch conditions, either positive or negative, and for large proteins, the decay of the protein-induced perturbation on the bilayer thickness is not of the exponential type, as previously predicted by lattice models. We find, instead, a non-monotonous decay. In the region next to the one closest to the protein hydrophobic surface and where hydrophobic matching occurs, the bilayer hydrophobic thickness is lower (undershooting) or higher (overshooting) than the unperturbed equilibrium thickness, depending on the sign of the mismatch. These localized changes in bilayer hydrophobic thickness can be of biological relevance for phenomena like cell adhesions, fusion, membrane rupture, or membrane permeability. We also consider the effect of the bilayer on the proteins, and we investigate the mismatch conditions under which membrane proteins may assume a tilted conformation with respect to the lipid bilayer normal. We find a size dependence of the tilt; large proteins, due to energetic and topological reasons, do not undergo relevant tilt, even for large (positive) mismatch, while smaller proteins undergo a tilt with an angle that increases with increasing mismatch. At temperatures below the main transition temperature, but above the pre-transition temperature of the pure system, i.e. in the ripple or striated phase, our results show that the embedded model-protein prefers to segregate along those stripes where the hydrophobic bilayer thickness matches the protein hydrophobic length.
Samenvatting Biologische membranen, zoals die gevonden worden in alle levende cellen, zijn complexe systemen. Ze bevatten veel verschillende molekulen en vertonen dynamische en strukturele eigenschappen die vele ordes van grootte omvatten, zowel in lengteals tijdschaal. De karakterisatie van de struktuur van lipide bilagen, hun thermodynamisch and dynamisch gedrag, de afhankelijkheid van deze eigenschappen van de samenstelling van het membraan, zowel als de wisselwerking van de lipide bilaag met andere molekulen, zijn sleutelvragen om te begrijpen hoe een membraan werkt en hoe specifieke funkties uitgevoerd worden. Verschillende benaderingen kunnen worden gebruikt om deze vragen aan te pakken. Disciplines zoals biologie, biochemie en natuurkunde, hebben verschillende en elkaar complementerende methoden gebruikt om deze complexe systemen te onderzoeken. Computer simulatie is een relatief nieuwe methode, die nuttig is gebleken bij het bestuderen van gecondenseerde materie. Vanuit het gezichtspunt van de fysicus is een membraan een zacht, quasi twee-dimensionaal aggregaat. Ten gevolge van de niet-covalente wisselwerking tussen de lipiden die de bilaag vormen, is een membraan vloeibaar. Lipiden en andere molekulen kunnen in het vlak van de bilaag diffunderen, of van de ene monolaag naar de andere springen, kleine ionen of molekulen kunnen erdoor heen en eiwitten kunnen worden opgenomen. Maar een membraan is geen vloeistof in de zin dat het een barriere vormt, naar men aanneemt semi-permeabel, waar grote molekulen niet doorheen kunnen, en dat de eigenschappen heeft van een elastische plaat. Het kan buigen, heeft een specifieke stijfheid en het kan samengedrukt of uitgerekt worden. Bovendien, omdat de lipiden waaruit het membraan bestaat een bepaalde orientatie hebben, heeft een membraan een interne struktuur. De lipide hydrofiele kopgroepen steken in de waterige omgeving en hydrofobe staarten steken in de kern van de bilaag. Computer simulaties als een middel om lipide bilagen te onderzoeken Het onderwerp van dit proefschrift is het bestuderen van lipide bilagen met computer simulaties op mesoscopische schaal. Deze mesoscopische benadering bestaat uit het “coarse-grainen” van de lipide molekulen die de bilaag vormen. In plaats van een atomaire representatie van de lipiden, worden groepen atomen samengesmolten tot “kralen”, die zijn verbonden in een kralensnoer door middel van veertjes. Deze kralen interakteren door middel van een versimpeld krachtveld, dat wordt beschreven in hoofdstuk 2. In dit hoofdstuk introduceren we ook de Dissipative Particle Dynamics techniek die we gebruiken om de beweging van deze deeltjes na te bootsen. Het eerste, belangrijke resultaat van deze aanpak is dat, ondanks de uitsluitend repulsieve wisselwerking tussen deeltjes van verschillende types, we vinden dat de
Page 1:
Mesoscopic models of lipid bilayers
Page 4 and 5:
Promotiecommissie: Promotor: • pr
Page 6 and 7:
ii CONTENTS 5.3 Double-tail lipid b
Page 8 and 9:
2 Introduction 1.1 The cell membran
Page 10 and 11:
4 Introduction between the beads, a
Page 12 and 13:
6 Introduction whether the preferre
Page 14 and 15:
8 Simulation method for coarse-grai
Page 16 and 17:
10 Simulation method for coarse-gra
Page 18 and 19:
Page 20 and 21:
Page 22 and 23:
Page 24 and 25:
Page 27 and 28:
III Surface tension in lipid bilaye
Page 29 and 30:
3.2 Method of calculation of surfac
Page 31 and 32:
3.2 Method of calculation of surfac
Page 33 and 34:
3.3 Constant surface tension ensemb
Page 35 and 36:
3.3 Constant surface tension ensemb
Page 37 and 38:
3.4 Surface tension in lipid bilaye
Page 39 and 40:
Page 41 and 42:
Page 43 and 44:
IV Structural characterization of l
Page 45 and 46:
4.2 Structural quantities 39 been r
Page 47 and 48:
4.3 Computational details 41 lipid
Page 49 and 50:
4.4 Results and discussion 43 ρ(z)
Page 51 and 52:
4.4 Results and discussion 45 one l
Page 53 and 54:
4.4 Results and discussion 47 WH HT
Page 55 and 56:
4.4 Results and discussion 49 Shill
Page 57 and 58:
4.4 Results and discussion 51 chain
Page 59 and 60:
4.4 Results and discussion 53 4.4.4
Page 61:
4.4 Results and discussion 55 headg
Page 64 and 65:
58 Phase behavior of coarse-grained
Page 66 and 67:
Page 68 and 69:
Page 70 and 71:
Page 72 and 73:
Page 74 and 75:
Page 76 and 77:
Page 78 and 79:
Page 80 and 81:
Page 82 and 83:
Page 85 and 86: VI Interaction of small molecules w
Page 87 and 88: 6.2 Computational details 81 For re
Page 89 and 90: 6.3 Results and Discussion 83 withi
Page 91 and 92: 6.3 Results and Discussion 85 ρ(z)
Page 93 and 94: 6.3 Results and Discussion 87 ρ(z)
Page 95 and 96: 6.3 Results and Discussion 89 S m 0
Page 97 and 98: 6.3 Results and Discussion 91 π(z)
Page 99: 6.3 Results and Discussion 93 the l
Page 102 and 103: 96 Mesoscopic model for lipid bilay
Page 104 and 105: 98 Mesoscopic model for lipid bilay
Page 106 and 107: 100 Mesoscopic model for lipid bila
Page 125 and 126: References [1] Tanford, C. Science
Page 127 and 128: 7.4 Conclusion 121 [68] Ono, S.; Ko
Page 129 and 130: 7.4 Conclusion 123 [139] Lee, A. Bi
Page 131 and 132: Summary Biological membranes, as th
Page 133: agreement we find gives us confiden
Page 137 and 138: de lage temperatuur gel fase of Lβ
Page 139: ied dat het dichtst bij het hydrofo
Page 143: This thesis is based on the followi
show all

Mesoscopic models of lipid bilayers and bilayers with embedded ...

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?