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Mesoscopic simulations of membrane-mediated protein-protein interactions

Morozova, Diana

German Title: Mesoskopische Simulationen von Membranproteinen

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Abstract

In this work we use coarse-grained simulations to study the dynamical behavior of transmembrane and membrane-associated proteins. First, we address acylation, a chemical modification ubiquitous in eukaryotic cells. This modification (attaching an acyl chain to a protein), serves as a membrane anchor for soluble proteins. The role of acylation for transmembrane proteins is less clear. We follow up on recent experimental indications that acylations influences trafficking of transmembrane proteins. We find that acylation significantly engances the tilting of transmembrane proteins with respect to the bilayer normal. Also hydrophobic mismatch-driven clustering and partitioning behavior is altered. Our results highlight a possible mechanism of how acylation regulates trafficking of transmembrane proteins. Second, we study monotopic membrane proteins embedded in only one membrane leaflet. We inspect how they perturb the surrounding lipid bilayer in dependence on their radius and hydrophobic length. When two or more proteins are present in the bilayer, they may colocalize. The strength of the membrane-mediated attraction between proteins depends on their geometry and thus the entropic cost of the membrane perturbation they induce. We observed the formation of a multitude of higher-order structures, e.g. corss-leaflet dimerization. We propose that the cross-leaflet dimerization may play a role in intracellular signal transduction, offering an alternative to transmembrane factors.

Translation of abstract (German)

In dieser Arbeit werden mesoskopische Computersimulationen zur Erforschung des dynamischen Verhaltens von Transmembranproteinen und membranasoziierten Proteinen benutzt. Zunaechst untersuchen wir die Acylierung, eine in eukaryotischen Zellen haeufig vorkommende chemische Modifikation. Diese besteht in der Anbindung einer Acylkette an das Protein, welche loeslichen Proteinen als Membrananker dient. Bei Transmembranproteinen weisen Experimente darauf hin, dass Acylierung den Proteinverkehr beeinflussen koennte. Unsere Resultate nun zeigen, dass die Acylierung is signifikanter Weise den Neigungswinkel von Transmembranproteinen zur Membransenkrechten erhoeht. Dadurch bewirkt sie eine Aenderung der Clusterbildung und Proteinaufteilung. Unsere Ergebnisse deuten hiermit eine Regulierung des Transmembranproteinverkehrs durch Acylierung an. Im zweiten Teil der Arbeit studieren wir monotopische Proteine, die nur in eine Membraneinzelschicht eingebettet sind. Wir untersuchen, wie diese in Abhaengigkeit von Radius und hydrophober Laenge ihre Membranumgebung stoeren und als Folge hiervon Cluster bilden. Die Staerke der membranvermittelten Anziehung zwischen Proteinen haengt von deren Geometrie ab, und entsprechend von den entropischen Kosten der proteinverursachten Membranstoerung. Wir beobachten die Bildung einer Vielzahl von Strukturen hoeherer Ordung, z. B. von Transmembrandimeren. Diese koennten eine Rolle in der intrazellulaeren Signalausbreitung spielen und damit eine Alternative zu Transmembranfaktoren darstellen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Weiss, Prof. Dr. Matthias
Date of thesis defense: 15 December 2010
Date Deposited: 20 Jan 2011 13:06
Date: 2011
Faculties / Institutes: Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Subjects: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: dissipative particle dynamics , membrane proteins
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