Electrostatic and non-electrostatic interactions of positively charged polypeptides with negatively charged lipid membranes
Creators: name: Schwieger, Christian
Publisher: name: Universitäts- und Landesbibliothek Sachsen-Anhalt
Year: 2008
Subjects: subject: Elektronische Publikation
subject: Hochschulschrift
subject: Online-Publikation
subject: Zsfassung in dt. Sprache
subject: 572.577

description: Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Wechselwirkung zwischen geladenen Peptiden und geladenen Membranen untersucht. Dazu wurde ein Modellsystem gewählt, das aus den zwei positiv geladenen Homopolypeptiden Poly(L-lysine) (PLL) und Poly(L-arginine) (PLA) besteht sowie aus negativ geladenen Membranen, die Phosphatidylglycerole (PG) oder Phosphatidsäuren (PA) enthalten. Ziel war es, herauszufinden, in welcher Weise und zu welchem Anteil elektrostatische und nicht-elektrostatische Wechselwirkungen zu der Bindung beitragen. Es wurde untersucht, wie die Bindung typische Membraneigenschaften (Umwandlungstemperatur, Packung der Fettsäureketten, Hydratisierung, Domänenbildung) sowie typische Peptideigenschaften (Sekundärstruktur) beeinflusst. Weiterhin wurde untersucht, welchen Einfluss die spezifische chemische Struktur der Aminosäuren und der Kopfgruppe des Lipids auf die Bindung und die Eigenschaften des entstehenden Komplexes hat. Es wurden folgende Ergebnisse erzielt: PLL und PLA bilden feste Komplexe mit PG- und PA-haltigen Membranen. Die elektrostatische Anziehung der entgegengesetzt geladenen Moleküle spielt eine große Rolle bei der Wechselwirkung. Darüber hinaus wurden auch nicht-elektrostatische Bindungsbeiträge nachgewiesen. Der Entropiegewinn der Gegenionenfreisetzung sowie der Freisetzung von Wassermolekülen aus dem hydrophoben Bereich der Membran ist eine Triebkraft der Wechselwirkung zwischen geladenen Polypeptiden und geladenen Membranen. Außerdem tragen Wasserstoffbrückenbindungen sowie die Enthalpie der Sekundärstrukturbildung des bindenden Peptides zur Erniedrigung der freien Komplexbildungsenthalpie bei. Hydrophobe Wechselwirkungen zwischen den Aminosäure-Seitenketten und den Membranlipiden begünstigen die Bindung. Dadurch binden die Polypeptide nicht nur an die Membranoberfläche, sondern insertieren auch die Kopfgruppenregion der Membranen. Diese Wechselwirkungen tragen in unterschiedlichen Anteilen zu der PLL- und PLABindung an negativ geladene Membranen bei. Die Bindung von PLL ist im Wesentlichen elektrostatisch getrieben, während bei der PLA-Bindung hydrophobe Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen eine wichtige Rolle spielen. Die unterschiedlichen Eigenschaften von PG- und PA-Membranen beeinflussen die Wechselwirkung mit den Polypeptiden. Die Zugänglichkeit der geladenen Phosphatgruppe, die Fähigkeit zur Wasserstoffbrückenbindung mit den Polypeptiden und die unterschiedliche Ordnung der Kohlenwasserstoffketten der Lipidmoleküle beeinflussen die Eigenschaften der gebildeten Komplexe. Elektrostatische Wechselwirkungen und Wasserstoffbrücken Bindungen spielen eine größere Rolle bei der Polypeptid-Bindung an PA Membranen. Dagegen sind hydrophobe Effekte wichtiger in der Polypeptid-Wechselwirkung mit PG Membranen als mit PA Membranen. Diese Arbeit leistet einen Beitrag zum Verständnis der Wechselwirkung zwischen geladenen Peptiden und biologischen Membranen. Es wurde gezeigt, dass die Wechselwirkungen nicht ausschließlich elektrostatischer Natur sind, sondern auch wichtige nicht-elektrostatische Anteile haben. Diese nicht-elektrostatischen Anteile bewirken Unterschiede zwischen der Bindung von Lysin und Arginin und zwischen der Bindung an verschiede Membranen.
description: Electrostatic forces are important in the interaction of proteins with biological membranes. Many proteins contain clusters of positively charged amino acids, whereas biological membranes contain fractions of negatively charged lipids. A model system was chosen to study this electrostatic interaction in detail. It comprises homopolymers of the positively charged amino acids lysine and arginine (PLL and PLA) and membranes composed of the negatively charged lipids phosphatidylglycerol (PG) or phosphatidic acid (PA). In this work non-electrostatic contributions to the interaction between the positively charged polypeptides and the negatively charged membranes were determined and the balance between electrostatic and non-electrostatic effects was investigated. Furthermore, the influence of the specific chemical structure of the amino acid side chain (Arg or Lys) and the lipid headgroup (PG or PA) on the complex formation was examined. A combination of different methods allowed a comprehensive view on organisation and thermodynamics of the formed complexes. DSC and IR spectroscopy were used to study the thermotropic phase behaviour of the complexes as well as the ability of PLL and PLA to induce domain formation in mixed lipid membranes. IR spectroscopy was further used to study the influence of polypeptide binding on acyl chain order and interfacial hydration as well as the secondary structure of the bound polypeptide. Binding enthalpies and heat capacity changes were determined by ITC. X-ray diffraction experiments revealed the organisation of the complex. Monolayer experiments provided information on peptide insertion into the lipid headgroup layer. Finally, dye release experiments were used to study the propensity of PLL and PLA to induce pore formation in the lipid membrane. It will be shown, that besides electrostatics attraction the binding is also driven by hydrophobic interactions, hydrogen bonding, the enthalpy of conformational transitions of the polypeptides, and the entropy of counter-ion and water release into the bulk solution. The different balance of these driving forces leads to specificities in the binding of PLL and PLA to negatively charged membranes as well as to a pronounced influence of the chemical structure of the lipid headgroup on the complex properties. This study contributes to the understanding of the interaction of charged peptides with biological membranes. Interactions that were thought to be predominantly electrostatic are revealed to have noticeable non-electrostatic contributions. The gained knowledge about lysine and arginine specificities might contribute to the understanding of their function in biological systems.