Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3995
Main Title: Modelling peptides at interfaces in atomic detail
Translated Title: Modellierung von Peptiden an Grenzflächen in atomistischer Auflösung
Author(s): Pobandt, Tobias
Advisor(s): Knecht, Volker
Referee(s): Schoen, Martin
Knecht, Volker
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In der vorliegenden Arbeit wurde die Wechselwirkung zwischen Peptiden und Modellmembranen mit Hilfe von Molekulardynamik-(MD) Simulationen untersucht. Hierbei wurde insbesondere der Einfluss von (i) Wasser-Luft-Grenzflächen auf das Faltungsverhalten von Amyloid-beta (Abeta) Monomeren, (ii) die Wirkung dieser Monomere auf die Bildung und Stabilität von Defekten wie Wasserporen in Phospholipid-Doppelschichten sowie (iii) der Unterschied in der Affinität des antimikrobiellen Peptids NK-2 für zwitter- und anionische Phospholipid-Doppelschichten betrachtet. Zu (i): Die Fehlfaltung und Aggregation des Abeta-Peptids in fibrillenartige Strukturen stellt mutmaßlich einen entscheidenden Schritt im Verlauf der Alzheimer-Krankheit dar. Innerhalb dieser fibrillenartigen Strukturen besitzt das Peptid eine charakteristische Konformation, die sogenannte cross-beta-Struktur, wobei die genauen Umstände, die die Fehlfaltung des Peptides in vivo verursachen, bis heute noch nicht vollständig verstanden sind. Von großer Bedeutung könnten hierbei jedoch insbesondere leicht saure pH-Bedingungen und Grenzflächen, wie sie in vivo in Form von Zellmembranen oder größeren Biomolekülen auftreten, sein. In der vorliegenden Studie wurde die Sekundärstruktur von Abeta(1-40)- und Abeta(1-42)-Monomeren bei pH 5 und pH 7 in An- und Abwesenheit von Wasser-Luft-Grenzflächen auf der Mikrosekunden-Zeitskala untersucht. Abeta(1-40) und Abeta(1-42) repräsentieren die häufigsten Alloformen des Peptids, wobei sich insbesondere Abeta(1-42) durch eine hohe Agggregationsfreude und Neurotoxizität auszeichnet. Zu (ii): Entlang des Aggregationsweges des Abeta-Peptids entstehen kleine, besonders toxische Oligomere, die aufgrund ihrer Wechselwirkung mit Zellmembranen deren Ionenpermeabilität deutlich erhöhen. Im Fall von Ca2+ führt dies zu einer Störung der Ca2+-Homöostase und letzendlich zum Zelltod. Um die durch Abeta verursachte Störung der Membranintegrität genauer zu verstehen, wurde der Einfluss membrangebundener Abeta(1-42)-Monomere auf die freie Energie sowie die Schließungszeit von Wasserporen in zwitterionischen Phospholipid-(DPPC) Doppelschichten mit Hilfe von MD-Simulationen in Verbindung mit der Umbrella-Sampling-Technik untersucht. Dementsprechend wurden die Ergebnisse für eine Abeta-bindende und eine peptidfreie Doppelschicht miteinander verglichen. Unsere Simulationen legen nahe, dass Abeta-Monomere eine Verringerung der freien Energie sowie eine Erhöhung der Stabilität von Membranporen bewirken. Weiterhin bestimmten wir die poreninduzierte Wasser-Permeabilität der Membran, die Porendichte sowie die Wartezeit für sogenannte Lipid-Flip-Flops. Letztere ist in guter Übereinstimmung mit experimentellen Werten aus der Literatur. Zu (iii): Die freie Energie für den Transfer des antimikrobiellen Peptides NK-2 von zwitter- (DOPC) zu anionischen (DOPG) Phospholipid-Doppelschichten wurde mit Hilfe von MD-Simulationen in Kombination mit der Methode der Thermodynamischen Integration (TI) bestimmt. Antimikrobielle Peptide sind Teil des körpereigenen Immunsystems fast aller höherer Organismen und gelten als Vorlage aussichtsreicher Alternativen für herkömmliche Antibiotika, die aufgrund der wachsenden Anzahl multiresistenter, pathogener Erreger zunehmend wirkungslos zu werden drohen. Auf der einen Seite attackieren und töten diese Peptide eindringende, prokaryotische Zellen wie Bakterien, verschonen aber auf der anderen Seite körpereigene eukaryotische Zellen. Viele Studien legen nahe, dass diese Selektivität in der unterschiedlichen Affinität antimikrobieller Peptide für pro- und eukaryotische Plasmamembranen begründet liegt. Diese beiden Membrantypen unterscheiden sich deutlich in ihrer Lipid-Zusammensetzung. Prokaryotische Zellmembranen enthalten Lipide mit zwitter- und anionischen Kopfgruppen, während eukaryotische Zellmembranen größtenteils zwitterionische Lipide beherbergen. Der Vergleich unserer Simulationsergebnisse mit Bindungsaffinitäten des Peptids für DOPC, DOPG, sowie DOPC/DOPG (4:1) Vesikel, wie sie aus Zeta-Potentialen berechnet wurden, legt nahe, dass die Selektivität antimikrobieller Peptide eher aus Peptid-Peptid als, wie bisher angenommen, Peptid-Membran-Wechselwirkungen resultiert. Die entsprechenden Zeta-Potentiale wurden aus der elektrophoretischen Mobilität der jeweiligen Vesikel von Karmakar et al [1] bestimmt. [1] Karmakar, S. and Lipowsky, R. and Dimova, R. 2013, Unveröffentlichtes Manuskript
Molecular dynamics (MD)simulations have been employed to investigate the mutual influence between peptides and model membranes. In particular, the impact of (i) air-water interfaces on the folding behavior of Abeta monomers associated with Alzheimer’s disease and (ii) the effect of these monomers on the formation and stability of defects in phospholipid bilayers like water pores, as well as (iii) the difference in the affinities of the antimicrobial peptide NK-2 for zwitterionic and anionic phospholipid bilayers, have been studied. As to (i), the misfolding and aggregation of Abeta peptides into fibrillar structures provides a key step in the pathogenesis of Alzheimer’s disease. Within these fibrillar structures the peptides adopt a characteristic conformation, the so-called cross-beta-structure. Up to now the exact conditions causing the misfolding of the peptide in vivo are not fully understood. Hereby, interfaces as provided by cell membranes or large biomolecules as well as slightly acidic pH conditions might play a crucial role. In our studies the secondary structure of Abeta (1-40) and Abeta (1-42) monomers at pH 5 and pH 7 in presence and absence of an air-water-interface have been examined on microsecond timescales. Abeta (1-40) and Abeta (1-42) represent the most frequent Abeta alloforms whereby Abeta (1-42) features an extraordinarily high aggregation propensity and neurotoxicity. As to (ii), the free energy and closure times of water pores in zwitterionic phospholipid (DPPC) bilayers binding an Abeta (1-42) monomer were determined by means of the umbrella-sampling method. The results were compared with a peptide-free reference system. Our simulations also allowed the computation of pore densities, water permeabilities as well as lipid flip flop waiting times thereby the latter were in good agreement with experimental results. The disturbance of the cell membrane integrity especially by Abeta oligomers is known to increase the membrane permeability for ionic species like Ca2+ ions leading to Ca2+ dyshomeostasis and, subsequently, cell death. As to (iii), the free energy difference for the transfer of the antimicrobial peptide NK-2 from zwitter- (DOPC) to anionic (DOPG) phospholipid bilayers was determined by atomistic MD-simulations in conjunction with the thermodynamic integration (TI) method. Antimicrobial peptides are part of the innate immune system of nearly all higher organisms. They attack and kill intruding prokaryotic cells like bacteria but spare the organism’s own eukaryotic cells. Several studies suggest that this selectivity arises from different affinities of antimicrobial peptides for pro- versus eukaryotic plasma cell membranes caused by differences in lipid composition. Antimicrobial peptides may play a fundamental role in future health care as they might serve as templates for alternatives to conventional antibiotics which suffer from increasing inefficiency due to a growing number of multiresistent pathogenic bacteria. We compare our simulations by determining the affinity of NK-2 for DOPC, DOPG as well as DOPC/DOPG (4:1) vesicles from zeta potentials inferred from electrophoretic mobilities by Karmakar et al. [1] and thus propose a new mechanism for antimicrobial selectivity based on long-range interactions between membrane-bound peptides. [1] Karmakar, S. and Lipowsky, R. and Dimova, R. 2013, Unpublished manuscript
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-49213
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4292
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3995
Exam Date: 13-Dec-2013
Issue Date: 9-Apr-2014
Date Available: 9-Apr-2014
DDC Class: 500 Naturwissenschaften und Mathematik
Subject(s): Molekulardynamik
Freie Energie
Lipid-Membranen
Alzheimer-Krankheit
Antimikrobielle Peptide
Molecular dynamics
free energy
lipid membranes
Alzheimer's disease
antimicrobial peptides
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