15.10.2014

Molecular Dynamics of

Proteorhodopsin in Lipid Bilayers by

Solid-State NMR

Yang, Aslimovsk, Glaubitz

Moderne Anwendungen der Magnetischen Resonanz

Lena Kalinowsky

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Temperatur

Hydrathülle Lipid Doppelschicht

Struktur

Funktion

Dynamik

Motivation/Ziel

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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

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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

INEPT

• Langsame, kleine Amplituden

Bewegungen

• Zeitskala 10-6 s

• Verhalten sich wie ein Festkörper

• Detektion durch Experimente, die

auf dipolarer Kopplung beruhen

Kreuzpolarisation

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Magic Angle Spinning in der Festkörper NMR

PDB: 2ZJD

B0

54,7°

1H 13C

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Dynamisches Mapping

J-Reste D-Reste

INEPT Kreuzpolarisation

1H 1H

CP

CP

decoupling

13C 13C

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Identifizierung der J-Reste

18 Aminosäuren in Tail- und

Verbindungsbereichen zu finden (rot)

J-Reste

INEPT-TOBSY

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Identifizierung der D-Reste

D-Reste

153 Aminosäuren in

Transmembran- und Loop

Regionen zu finden (grün)

1H

CP

CP

decoupling

13C

decoupling τmix

t1 Iz

PDSD: Proton Driven Spin Diffusion

DARR

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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

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Einfluss von Wasser

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Einfluss von Wasser

• Flüssiges Wasser ist für die

große Beweglichkeit

entscheidend

• Begünstigt auch durch die

erhöhte Temperatur

• Dynamische Eigenschaften

sind unabhängig vom

Aggregatzustand des

Wassers

J-Reste D-Reste

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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

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Wasserzugänglichkeit

J-Reste

• Starke Korrelation zwischen

Signalintensität und

Wasserzugänglichkeit

• Größere Beweglichkeit

• Kontakt zu Wasser

ermöglicht schnelle und

große Bewegungsamplituden

INEPT-HETCOR

Rot: mit Protonen Mischschritt

Blau: ohne Protonen Mischschritt

Temperatur: 273K

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Wasserzugänglichkeit

D-Reste

DARR

Identifizierung von 4

Aminosäureresten mit

Wasserkontakt

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Einfluss der Lipid Doppelschicht auf die

Beweglichkeit

• Gel Phase (273 K)

• 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

Lβ Phase

Lα Phase

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Einfluss der Lipid Doppelschicht auf die

Beweglichkeit

• 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

J-Reste D-Reste

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Einfluss der Lipid Doppelschicht auf die

Beweglichkeit

• 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

J-Reste D-Reste

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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

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Quellen

• J. Yang, L. Aslimovska, C. Glaubitz, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 4874–4881

• 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, 11942–

11946

• 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), 2012.

• "Heteronuclear correlation - HETCOR", can be found under

http://www.chemistry.uoc.gr/synaps/lectures/spyros/lecture5.pdf.

• Rob Schurko, "Introduction to Solid State NMR. Basic SSNMR notes", can be found

under http://schurko.cs.uwindsor.ca/resources/ssnmr_schurko.pdf.

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HETCOR