Single Molecule Methods for Monitoring Changes in Bilayer Elastic Properties

Membrane protein function is regulated by the cell membrane lipid composition.  This regulation is due to a combination of specific lipid-protein ...

Weill Cornell Medical College of Cornell University

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Membrane protein function is regulated by the host lipid bilayer composition. This regulation may depend on specific chemical interactions between proteins and individual molecules in the bilayer, as well as on non-specific interactions between proteins and the bilayer behaving as a physical entity with collective physical properties (e.g. thickness, intrinsic monolayer curvature or elastic moduli). Studies in physico-chemical model systems have demonstrated that changes in bilayer physical properties can regulate membrane protein function by altering the energetic cost of the bilayer deformation associated with a protein conformational change. This type of regulation is well characterized, and its mechanistic elucidation is an interdisciplinary field bordering on physics, chemistry and biology. Changes in lipid composition that alter bilayer physical properties (including cholesterol, polyunsaturated fatty acids, other lipid metabolites and amphiphiles) regulate a wide range of membrane proteins in a seemingly non-specific manner. The commonality of the changes in protein function suggests an underlying physical mechanism, and recent studies show that at least some of the changes are caused by altered bilayer physical properties. This advance is because of the introduction of new tools for studying lipid bilayer regulation of protein function. The present review provides an introduction to the regulation of membrane protein function by the bilayer physical properties. We further describe the use of gramicidin channels as molecular force probes for studying this mechanism, with a unique ability to discriminate between consequences of changes in monolayer curvature and bilayer elastic moduli.

Lipid bilayer regulation of membrane protein function: gramicidin channels as molecular force probes.

Fonction des prot&#xE9;ines membranaires est r&#xE9;gul&#xE9;e par la composition bicouche lipidique h&#xF4;te. Ce r&#xE8;glement peut d&#xE9;pendre des interactions chimiques sp&#xE9;cifiques entre prot&#xE9;ines et mol&#xE9;cules individuelles dans la bicouche, ainsi que sur les interactions non sp&#xE9;cifiques entre les prot&#xE9;ines et la bicouche se comporter comme une entit&#xE9; physique avec collectives propri&#xE9;t&#xE9;s physiques (par exemple l&#x26;#39;&#xE9;paisseur, la courbure intrins&#xE8;que ou monocouche modules &#xE9;lastiques) . Des &#xE9;tudes dans des syst&#xE8;mes mod&#xE8;les physico-chimiques ont montr&#xE9; que les changements dans bicouches propri&#xE9;t&#xE9;s physiques peuvent r&#xE9;guler la fonction des prot&#xE9;ines membranaires en modifiant le co&#xFB;t &#xE9;nerg&#xE9;tique de la d&#xE9;formation bicouche associ&#xE9;e &#xE0; un changement conformationnel des prot&#xE9;ines. Ce type de r&#xE9;glementation est bien caract&#xE9;ris&#xE9;, et son &#xE9;lucidation m&#xE9;canistique est un domaine interdisciplinaire en bordure de la physique, la chimie et la biologie. Changements dans la composition des lipides qui modifient les propri&#xE9;t&#xE9;s physiques (bicouche, y compris le cholest&#xE9;rol, les acides gras polyinsatur&#xE9;s, et d&#x26;#39;autres m&#xE9;tabolites lipidiques amphiphiles) r&#xE9;glementer un large &#xE9;ventail de prot&#xE9;ines membranaires dans une apparence de mani&#xE8;re non sp&#xE9;cifique. Les points communs des changements dans la fonction des prot&#xE9;ines sugg&#xE8;re un m&#xE9;canisme physique sous-jacente, et des &#xE9;tudes r&#xE9;centes montrent qu&#x26;#39;au moins quelques-uns des changements sont caus&#xE9;s par alt&#xE9;r&#xE9;s bicouches propri&#xE9;t&#xE9;s physiques. Cette avance est en raison de l&#x26;#39;introduction de nouveaux outils pour l&#x26;#39;&#xE9;tude de la r&#xE9;glementation bicouche lipidique de la fonction des prot&#xE9;ines. La pr&#xE9;sente &#xE9;tude fournit une introduction &#xE0; la r&#xE9;gulation de la fonction des prot&#xE9;ines membranaires par les propri&#xE9;t&#xE9;s physiques bicouches. En outre, nous d&#xE9;crivent l&#x26;#39;utilisation de canaux de gramicidine comme sondes mol&#xE9;culaires pour l&#x26;#39;&#xE9;tude de la force de ce m&#xE9;canisme, avec une capacit&#xE9; unique de distinction entre les cons&#xE9;quences des changements de courbure monocouche et bicouche modules &#xE9;lastiques.

R&#xE8;glement bicouche lipidique de la fonction des prot&#xE9;ines membranaires: les canaux de gramicidine Comme sondes mol&#xE9;culaires de la Force

Membran-Protein-Funktion wird durch die Host-Lipid-Bilayer-Zusammensetzung geregelt. Diese Verordnung kann auf spezifischen chemischen Wechselwirkungen zwischen Proteinen und einzelnen Molek&uuml;len in der Bilayer sowie auf unspezifische Wechselwirkungen zwischen Proteinen und der Bilayer Verhalten als physikalisches Objekt mit kollektiven physikalischen Eigenschaften (z.B. Dicke, systeminterne Monolage Kr&uuml;mmung oder elastischen Moduli) abh&auml;ngen. Studium der physikalisch-chemischen Modellsystemen haben bewiesen, dass Ver&auml;nderungen in physikalischen Eigenschaften Bilayer Membrane Protein-Funktion regulieren k&ouml;nnen, durch die Ver&auml;nderung der energetischen Kosten der Bilayer Verformung einer Protein-Konformations&auml;nderungen &Auml;nderung zugeordnet. Diese Art der Verordnung ist gut gekennzeichnet und seiner mechanistischen Aufkl&auml;rung ist ein interdisziplin&auml;res Feld, an der Grenze zu Physik, Chemie und Biologie. &Auml;nderungen in Lipid-Zusammensetzung, die Bilayer physikalische Eigenschaften (einschlie&szlig;lich Cholesterin, mehrfach unges&auml;ttigte Fetts&auml;uren, anderen Lipid-Metaboliten und Amphiphiles) &auml;ndern Regeln eine Vielzahl von Membranproteinen in gewissem Sinne scheinbar unspezifische. Die Gemeinsamkeit der &Auml;nderungen in der Proteinfunktion schl&auml;gt einen zugrunde liegenden physikalischen Mechanismus, und neuere Studien zeigen, dass zumindest einige der &Auml;nderungen durch ver&auml;nderte Bilayer physikalische Eigenschaften verursacht werden. Dieser Fortschritt ist aufgrund der Einf&uuml;hrung neuer Tools zum Studium Lipid Bilayer Regulierung der Proteinfunktion. Dieser &Uuml;berpr&uuml;fung bietet eine Einf&uuml;hrung in die Regulierung der Membrane Protein-Funktion durch die Bilayer physikalische Eigenschaften. Wir beschreiben weiter die Verwendung von Gramicidin Kan&auml;le, molekulare Kraft Sonden zur Erforschung dieser Mechanismus, mit einer einzigartigen F&auml;higkeit, zwischen den Folgen der Ver&auml;nderungen im Monolage Kr&uuml;mmung und Bilayer elastischen Moduli unterscheiden.

Lipid Bilayer Verordnung der Membrane Protein-Funktion: Gramicidin Kan&auml;le Molekulare Kraft Sonden.

Funzione della proteina di membrana &egrave; regolata dalla composizione doppio strato lipidico host. Il presente regolamento pu&ograve; dipendere su specifiche interazioni chimiche fra le proteine e molecole individuali nel doppio strato, nonch&eacute; sulle interazioni aspecifiche tra proteine e il doppio strato si comporta come un&#39;entit&agrave; fisica con propriet&agrave; fisiche collettivi (es. spessore, curvatura intrinseca monostrato o moduli elastici). Studi in sistemi modello fisico-chimiche hanno dimostrato che cambiamenti nelle propriet&agrave; fisiche del doppio strato possono regolare la funzione della proteina di membrana alterando il costo energetico della deformazione doppio strato connesso con un cambiamento conformazionale della proteina. Questo tipo di regolazione &egrave; ben caratterizzato e sua delucidazione meccanicistica &egrave; un campo interdisciplinare, confinante con la fisica, la chimica e la biologia. Cambiamenti nella composizione lipidica che alterano le propriet&agrave; fisiche del doppio strato (tra cui il colesterolo, acidi grassi polinsaturi, altri metaboliti lipidici e anfifili) regolano un&#39;ampia gamma di proteine di membrana in modo apparentemente non-specifico. La comunanza dei cambiamenti nella funzione della proteina suggerisce un meccanismo fisico sottostante, e recenti studi dimostrano che almeno alcuni dei cambiamenti sono causati da propriet&agrave; fisiche del doppio strato alterato. Questo anticipo &egrave; a causa dell&#39;introduzione di nuovi strumenti per studiare il regolamento doppio strato lipidico della funzione della proteina. La presente rassegna fornisce un&#39;introduzione per la regolazione della funzione della proteina di membrana con il doppio strato propriet&agrave; fisiche. Descriviamo ulteriormente l&#39;utilizzo di canali Gramicidina come forza molecolare sonde per lo studio di questo meccanismo, con una capacit&agrave; unica di discriminare tra le conseguenze dei cambiamenti in moduli elastici a monostrato curvatura e doppio strato.

Regolamento doppio strato lipidico della funzione della proteina di membrana: Gramicidina canali come forza molecolare sonde.

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&#xBA64;&#xBE0C;&#xB808;&#xC778; &#xB2E8;&#xBC31;&#xC9C8; &#xAE30;&#xB2A5;&#xC758; &#xC9C0;&#xC9C8; bilayer &#xADDC;&#xC815;: gramicidin &#xCC44;&#xB110; &#xBD84;&#xC790; &#xD798; &#xD504;&#xB85C;&#xBE0C;&#xB85C;.

Funci&#xF3;n de prote&#xED;nas de membrana est&#xE1; regulada por la composici&#xF3;n de acogida bicapa lip&#xED;dica. Esta regulaci&#xF3;n puede depender de las interacciones qu&#xED;micas espec&#xED;ficas entre prote&#xED;nas y mol&#xE9;culas individuales en la bicapa, as&#xED; como en interacciones no espec&#xED;ficas entre las prote&#xED;nas y la bicapa comport&#xE1;ndose como una entidad f&#xED;sica con colectivos propiedades f&#xED;sicas (por ejemplo, espesor, la curvatura intr&#xED;nseca monocapa o m&#xF3;dulos el&#xE1;sticos) . Los estudios en sistemas modelo f&#xED;sico-qu&#xED;micas han demostrado que los cambios en las propiedades f&#xED;sicas bicapa pueden regular la funci&#xF3;n de prote&#xED;nas de membrana mediante la alteraci&#xF3;n del coste energ&#xE9;tico de la deformaci&#xF3;n bicapa asociada con un cambio conformacional prote&#xED;na. Este tipo de regulaci&#xF3;n est&#xE1; bien caracterizado, y su aclaraci&#xF3;n mec&#xE1;nica es un campo interdisciplinario frontera en la f&#xED;sica, qu&#xED;mica y biolog&#xED;a. Los cambios en la composici&#xF3;n lip&#xED;dica que alteran bicapa propiedades f&#xED;sicas (incluyendo colesterol, &#xE1;cidos grasos poliinsaturados, los metabolitos de los l&#xED;pidos y otros anf&#xED;filos) regulan una amplia gama de prote&#xED;nas de membrana en un aparentemente no espec&#xED;fica manera. La similitud de los cambios en funci&#xF3;n de la prote&#xED;na sugiere un mecanismo f&#xED;sico subyacente, y estudios recientes muestran que al menos algunos de los cambios son causados &#x200B;&#x200B;por alteraci&#xF3;n de las propiedades f&#xED;sicas bicapa. Este avance se debe a la introducci&#xF3;n de nuevas herramientas para el estudio de la regulaci&#xF3;n bicapa lip&#xED;dica de la funci&#xF3;n de prote&#xED;nas. La presente revisi&#xF3;n ofrece una introducci&#xF3;n a la regulaci&#xF3;n de la funci&#xF3;n de prote&#xED;nas de membrana de las propiedades f&#xED;sicas de doble capa. Nos describen con m&#xE1;s detalle el uso de canales de gramicidina como sondas moleculares para el estudio de la fuerza de este mecanismo, con una capacidad &#xFA;nica para discriminar entre las consecuencias de los cambios en la curvatura de monocapa y bicapa m&#xF3;dulos de elasticidad.

Shemille A. Collingwood

Department of Physiology and Biophysics

Weill Cornell Medical College of Cornell University

Single Molecule Methods for Monitoring Changes in Bilayer Elastic Properties

Shemille A. Collingwood

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Weill Cornell Medical College of Cornell University

Single Molecule Methods for Monitoring Changes in Bilayer Elastic Properties

Department of Physiology and Biophysics