Molecular Dynamics of Proteorhodopsin in Lipid Bilayers by Solid-State NMR

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1 Molecular Dynamics of Proteorhodopsin in Lipid Bilayers by Solid-State NMR Yang, Aslimovsk, Glaubitz Moderne Anwendungen der Magnetischen Resonanz Lena Kalinowsky

2 Motivation/Ziel Temperatur Hydrathülle Lipid Doppelschicht Struktur Funktion Dynamik 1

3 Proteorhodopsin 7 α-helicales Transmembranprotein Von Retinal abhängiges Protein Vorkommen in Bakterien, Archaeen und Eukaryoten Lichtabhängige Protonenpumpe Retinal wird als Chromophor kovalent gebunden Im Photozyklus des Proteins durchläuft Retinal eine Konformationsänderung von all-trans (ohne Licht) zu 13-cis bei Lichteinstrahlung 2

4 Motivation/Ziel J-Reste D-Reste Schnelle, große Amplituden Bewegungen Zeitskala < 10-5 s Verhalten sich wie eine Lösung Detektion durch Experimente, die J-Kopplung beruhen Langsame, kleine Amplituden Bewegungen Zeitskala 10-6 s Verhalten sich wie ein Festkörper Detektion durch Experimente, die auf dipolarer Kopplung beruhen INEPT Kreuzpolarisation 3

5 Magic Angle Spinning in der Festkörper NMR 1 H 13 C B 0 54,7 PDB: 2ZJD 4

6 Dynamisches Mapping J-Reste D-Reste INEPT Kreuzpolarisation 1 H 1 H CP decoupling 13 C 13 C CP 5

7 Identifizierung der J-Reste INEPT-TOBSY J-Reste 18 Aminosäuren in Tail- und Verbindungsbereichen zu finden (rot) 6

8 Identifizierung der D-Reste D-Reste 153 Aminosäuren in Transmembran- und Loop Regionen zu finden (grün) DARR 1 H PDSD: Proton Driven Spin Diffusion CP decoupling τ mix decoupling 13 C CP t 1 I z 7

9 Einfluss von Wasser T = 240 K (- 33 C) Eis Phase T = 273 K (0 C) Gel Phase T = 313 K (40 C) Flüssig, kristalline Phase 8

10 Einfluss von Wasser 9

11 Einfluss von Wasser J-Reste D-Reste Flüssiges Wasser ist für die große Beweglichkeit entscheidend Begünstigt auch durch die erhöhte Temperatur Dynamische Eigenschaften sind unabhängig vom Aggregatzustand des Wassers 10

12 Wasserzugänglichkeit Gründe für unterschiedlichen Einfluss von Wasser auf J- und D-Reste Großteil des Proteins liegt in der Membran Limitierter Wasserzugang für die Mehrzahl von Aminosäureresten Stärkere Interaktionen zwischen Seitenketten sorgen für eine eingeschränkte Beweglichkeit 11

13 Wasserzugänglichkeit J-Reste INEPT-HETCOR Starke Korrelation zwischen Signalintensität und Wasserzugänglichkeit Größere Beweglichkeit Kontakt zu Wasser ermöglicht schnelle und große Bewegungsamplituden Rot: mit Protonen Mischschritt Blau: ohne Protonen Mischschritt Temperatur: 273K 12

14 Wasserzugänglichkeit D-Reste DARR Identifizierung von 4 Aminosäureresten mit Wasserkontakt 13

15 Einfluss der Lipid Doppelschicht auf die Beweglichkeit Gel Phase (273 K) Lβ Phase Flüssig, kristalline Phase (313 K) Der Übergang von der Gel Phase in die flüssig, kristalline Phase findet bei 25 C statt Membranelastizität und Schichtdicke werden dadurch verändert Lα Phase 14

16 Einfluss der Lipid Doppelschicht auf die Beweglichkeit J-Reste D-Reste Änderungen in der Lipid Doppelschicht haben keine Auswirkung auf die Beweglichkeit der Reste Ortsabhängiger Effekt ist zu beobachten 15 Reste sind beim Übergang in die Gel Phase verschwunden Fluktuationen wurden blockiert Durch reduzierte Dicke in der flüssig, kristallinen Phase, haben mehr Reste Wasserkontakt, was zu einer erhöhten Beweglichkeit führt 15

17 Einfluss der Lipid Doppelschicht auf die Beweglichkeit J-Reste D-Reste Änderungen in der Lipid Doppelschicht haben keine Auswirkung auf die Beweglichkeit der Reste Ortsabhängiger Effekt ist zu beobachten 15 Reste sind beim Übergang in die Gel Phase verschwunden Fluktuationen wurden blockiert Durch reduzierte Dicke in der flüssig, kristallinen Phase, haben mehr Reste Wasserkontakt, was zu einer erhöhten Beweglichkeit führt 16

18 Bedeutung der Fluktuationen Die Fluktuationen der D-Reste haben eine wichtige Funktion im Fotozyklus von Proteorhodopsin Die Bewegungen ermöglichen das Überwinden von Energiebarrieren, um zwischen unterschiedlichen Ladungs- und Konformationszuständen zu wechseln 17

19 Quellen J. Yang, L. Aslimovska, C. Glaubitz, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, S. Reckel, D. Gottstein, J. Stehle, F. Löhr, M.-K. Verhoefen, M. Takeda, R. Silvers, M. Kainosho, C. Glaubitz, J. Wachtveitl et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, D. C. Apperley, R. K. Harris, P. Hodgkinson, Solid-state NMR. Basic principles & practice, Momentum Press, [New York, N.Y.] (222 East 46th Street, New York, NY 10017), "Heteronuclear correlation - HETCOR", can be found under Rob Schurko, "Introduction to Solid State NMR. Basic SSNMR notes", can be found under 18

20 HETCOR 19