Lipid-proteinvekselvirkninger i biologiske membraner.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 12, 2012 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Se relaterede artikler nederst på siden.
Af Hélène Bouvrais1, Flemming Cornelius2, John H. Ipsen1 & Ole G. Mouritsen1
1Institut for Fysik, Kemi og Farmaci, Syddansk Universitet
2Institut for Biomedicin-Fysiologi og Biofysik, Aarhus Universitet
Biologiske membraner består især af lipider og proteiner, som gensidigt påvirker hinanden og hermed er med til at kontrollere og regulere membranernes biokemiske funktioner. Ny dansk forskning har nu fundet en metode til indirekte at studere funktionen af et vigtigt membranprotein, Na+/K+-pumpen, ved at studere de fysiske egenskaber af de membraner, som det aktive protein er indbygget i.
Lipid-proteinvekselvirkninger
Biologiske membraner består af et lipiddobbeltlag, hvori der er indbygget nogle af de proteiner, som styrer cellens funktioner. Et af de allervigtigste membranproteiner i dyreceller er Na+/K+-ATPase, som er et enzym, der også virker som en ionpumpe. Pumpen, der blev opdaget i 1957 af den danske kemiker og Nobelpristager Jens Chr. Skou, pumper tre natriumioner ud af cellen og to kaliumioner ind i cellen for hvert ATP-molekyle, der hydrolyseres.
Som andre integrale membranproteiner har Na+/K+-pumpen en hydrofob kerne, der sidder indlejret i og er tilpasset den hydrofobe del af membranens lipiddobbeltlag. Denne hydrofobe tilpasning er afgørende for den måde, hvorpå, på den ene side, proteinet påvirker membranen og, på den anden side, lipiderne i membranen påvirker proteinet og dets funktion [1].
Rekonstituerede membraner
Det er muligt at oprense Na+/K+-pumper fra celler. Hertil benyttes især vævstyper fra særligt aktive organer, f.eks. hjerne, nyrer eller kirtler. Vi har oprenset Na+/K+-pumper fra hajers saltkirtler, som har omkring 50 vægt% af dette protein i kirtelvævets membraner. De oprensede proteiner er derefter blevet indbygget i små (diameter = 100 nm) veldefinerede liposomer, som består af et lille antal forskellige slags lipider, såkaldt proteoliposomer (figur 1). Pumperne kan vises at være aktive i liposomerne. De små liposomer kan tvinges til at fusionere i kæmpestore liposomer, som er 20-40 μm i diameter og derfor kan observeres i et fasekontrast-lysmikroskop (figur 2).
Fluktuerende liposomer
Kæmpestore liposomer i vand er ofte så bløde, at de fluktuerer pga. Brownske bevægelser (figur 2). Disse termiske fluktuationer (”flicker noise”) kan studeres ved at optage konturen af liposomet som funktion af tiden (videohastighed 25 Hz). Ved analyse af konturens tidskorrelationer vha. statistiske metoder, der omfatter både Fourier- og Legendre-polynomial dekomposition af den angulære korrelationsfunktion, er det muligt at bestemme liposomets bøjningsstivhed (et mekanisk modul). Dekompositionen leder til amplituderne for de forskellige ”modes”, som kan korreleres med Fourier-amplituderne af fluktuationerne af liposomets kontur. Analysen tager i betragtning, at de mekaniske egenskaber af et givet liposom kan afhænge af både liposomets kemiske sammensætning og dets mekaniske spænding.
Aktive pumper gør membranerne blødere
Vi har for nemheds skyld studeret liposomer med pumper under omstændigheder, hvor Na+/K+-pumpen kun pumper natriumioner over membranen, dvs. hvor ekstracellulært K+ erstattes af Na+. Vi har undersøgt et stort antal liposomer (i) uden pumper, (ii) med pumper, som ikke er aktive og (iii) med pumper, som er aktive, fordi der er tilsat ATP [2].
Bøjningsstivheden, som har dimension af energi, er for membraner af den type, vi her studerer, omkring 30 kBT (svarende til 12×10-20J ved stuetemperatur; kB er Boltzmanns konstant) uden proteiner. Det viser sig nu, at liposomer uden pumper og med inaktive pumper har stort set samme bøjningsstivhed, men så snart pumperne aktiveres, og der pumpes ioner over membranen, bliver membranerne blødere, og det mekaniske stivhedsmodul formindskes med omkring 7-8 kBT.
Samtidig sker der noget meget overraskende med tidskorrelationerne som vist i figur 3. For ikke-aktive membraner henfalder korrelationsfunktionen mono-eksponentielt som teoretisk forventet med en henfaldstid τ1 ∼ n-3, hvor n er ”mode”-tallet; når pumperne derimod tilsættes ATP, og membranerne bliver aktive, er korrelationerne beskrevet ved et dobbelt-eksponentielt henfald. For aktive membraner ved tidlige tider findes den samme henfaldslov som for ikke-aktive membraner, hvorimod henfaldet ved senere tider er uafhængigt af ”mode”-tallet n, og henfaldskonstanten τ1 er en konstant (∼0,5 sek.), som ikke alene er uafhængig af n, men også uafhængig af liposomets egenskaber, f.eks. størrelse og spænding.
Membranfluktuationerne fortæller om pumpens aktivitet
Vores fund af en tidsskala, τ1∼0,5 sek., som er robust og uafhængig af detaljer af det studerede liposom, er et stærkt tegn på, at denne tidsskala er forbundet med en indre, molekylær egenskab af den aktive pumpe. At dette er tilfældet, understøttes af det faktum, at enzymatiske studier af pumpen har vist, at det tidsbegrænsende trin i pumpens reaktionscyklus indebærer afgivelsen af en phosphatgruppe over en tidsskala på omkring 0,4 sek. [3], altså det samme som vi fandt ved analyse af membranfluktuationerne.
Vores arbejde har vist, at det er muligt at studere detaljer i virkningen af et membranprotein ved at undersøge, hvorledes funktionen af proteinet påvirker de fysiske egenskaber af den membran, hvori proteinet er indlejret. Hermed skulle det også være muligt at bruge membranen som en sensor til at undersøge ændringer i proteinet, som skyldes mutationer eller vekselvirkninger med f.eks. lægemiddelstoffer.
Referencer
1. Mouritsen OG. 2012. Membrane protein-lipid match and mismatch. In Comprehensive Biophysics. 5. Membranes (Egelman & Tamm, eds.) Academic Press, Oxford, pp. 245-260.
2. Bouvrais H, F Cornelius, JH Ipsen & OG Mouritsen. 2012. Intrinsic reaction-cycle time scale of Na+,K+-ATPase manifests itself in the lipid-protein interactions of non-equilibrium membranes. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 109: 18442-18446.
3. Cornelius F. 1995. Phosphorylation/dephosphorylation of reconstituted shark Na+,K+-ATPase: one phosphorylation site per αβ protomer. Biochim Biophys Acta 1235: 197-204.
Figur 1. Skitse af proteoliposom med rekonstituerede Na+/K+-pumper. Dobbeltlagets phospholipider er gule, og kolesterolmolekyler er røde. Na+/K+-pumpen kan være orienteret som i cellen (right side out, r-o) eller modsat (inside out, i-o). Ved aktivering af i-o-pumper hydrolyseres ATP tilsat mediet, og Na+ transporteres ind i liposomet, hvorimod K+ transporteres ud, lige modsat i cellen. ATP nedbrydes herved til ADP (adenosin-difosfat) og uorganisk fosfat (Pi). Da transporten er elektrogen, 3 Na+:2 K+, vil der opstå et membranpotentiale positivt mod indersiden, der kan blive flere hundrede mV.
Figur 2. Fasekontrastmikroskopisk billede af et stort, fluktuerende liposom (diameter = 35 μm) med Na+/K+-pumper. Fluktuationerne skyldes Brownske bevægelser. Når pumperne bliver aktive ved tilstedeværelse af ATP, forstærkes fluktuationerne, som kan måles ved detaljerede analyser af liposomets kontur, og hvordan den varierer gennem tiden.
Figur 3. Normaliseret tidskorrelationfunktion for mode n=5 for store liposomer med tilsvarende reduceret membranspænding. (a) Ikke-aktive membraner beskrevet ved et mono-eksponentielt henfald ved tidlige tider. (b) Aktive membraner med Na+/K+-pumper, som fungerer i tilstedeværelse af ATP. Korrelationsfunktionen er nu beskrevet ved et dobbelt-eksponentielt henfald, hvor den sene henfaldstid fortæller om pumpernes molekylære tidscyklus.
