[论文解读] The order-disorder phase transition in lipid bilayers mediates a force for assembly of transmembrane proteins

Shachi Katira, Kranthi K. Mandadapu+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2015

Lipid Membrane Structure and Behavior被引用 5

一句话总结

该论文提出了‘无序恐惧效应’——一种由疏水性失配与接近有序-无序相变之间的相互作用所驱动的新型力，促进脂质双分子层中跨膜蛋白的组装。通过大规模分子动力学模拟，研究发现：当具有与无序相匹配疏水厚度的蛋白质嵌入有序膜时，会稳定一个界面区域，其组装可降低界面自由能，从而产生比膜弹性单独作用更强且更远距离的力。

ABSTRACT

We present a mechanism for a generic and powerful force of assembly and mobility for transmembrane proteins in lipid bilayers. This force is a pre-transition (or pre-melting) effect for the first-order transition between ordered and disordered phases in the host membrane. Using large scale molecular simulation, we show that a protein with hydrophobic thickness equal to that of the disordered phase embedded in an ordered bilayer stabilizes a microscopic order-disorder interface, and the stiffness of that interface is finite. When two such proteins approach each other, they assemble because assembly reduces the net interfacial free energy. In analogy with the hydrophobic effect, we refer to this phenomenon as the effect. The effect is mediated by proximity to the order-disorder phase transition and the size and hydrophobic mismatch of the protein. The strength and range of forces arising from the orderphobic effect are significantly larger than those that could arise from membrane elasticity for the membranes we examine.

研究动机与目标

• 识别一种普遍存在的、驱动脂质双分子层中跨膜蛋白组装的物理机制。
• 研究接近有序-无序相变如何影响膜中蛋白质-蛋白质相互作用。
• 确定由于疏水性失配导致的界面自由能最小化是否能产生显著的力，以促进蛋白质的运动与组装。
• 将此力的强度与范围与膜弹性所产生的力进行比较。

提出的方法

• 在接近有序-无序相变的脂质双分子层中进行大规模分子动力学模拟。
• 系统性地改变跨膜蛋白的疏水厚度，相对于有序相与无序相。
• 量化在有序膜中由蛋白质形成的有序-无序界面处的界面自由能。
• 通过测量蛋白质接近时界面自由能的变化，分析蛋白质-蛋白质缔合的热力学。
• 比较无序恐惧效应与膜弹性效应所产生的力的大小与作用范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 在接近有序-无序相变的脂质双分子层中，是什么物理力驱动了跨膜蛋白的组装？
• RQ2 蛋白质与周围膜之间的疏水性失配如何影响界面自由能及蛋白质缔合？
• RQ3 与膜弹性产生的力相比，无序恐惧效应的相对强度与作用范围如何？
• RQ4 有限刚度的有序-无序界面的形成是否能介导蛋白质-蛋白质相互作用？

主要发现

• 无序恐惧效应源于当疏水厚度与无序相匹配的蛋白质嵌入有序双分子层时，其对微观有序-无序界面的稳定作用。
• 所形成的界面区域具有有限刚度，能够通过自由能最小化介导蛋白质-蛋白质相互作用。
• 蛋白质的组装降低了净界面自由能，为缔合作用提供了热力学上有利的驱动力。
• 在模拟体系中，无序恐惧效应产生的力显著强于且作用范围长于仅由膜弹性产生的力。