Location and Conformational Ensemble of Menaquinone and Menaquinol, and Protein–Lipid Modulations in Archaeal Membranes

化学 双层 分子动力学 脂质双层 生物物理学 结晶学 生物化学 计算化学 生物
作者
Shasha Feng,Ruixing Wang,Richard W. Pastor,Jeffery B. Klauda,Wonpil Im
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:125 (18): 4714-4725 被引量:11
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.1c01930
摘要

Halobacteria, a type of archaea in high salt environments, have phytanyl ether phospholipid membranes containing up to 50% menaquinone. It is not understood why a high concentration of menaquinone is required and how it influences membrane properties. In this study, menaquinone-8 headgroup and torsion parameters of isoprenoid tail are optimized in the CHARMM36 force field. Molecular dynamics simulations of archaeal bilayers containing 0 to 50% menaquinone characterize the distribution of menaquinone-8 and menaquinol-8, as well as their effects on mechanical properties and permeability. Menaquinone-8 segregates to the membrane midplane above concentrations of 10%, favoring an extended conformation in a fluid state. Menaquinone-8 increases the bilayer thickness but does not significantly alter the area compressibility modulus and lipid chain ordering. Counterintuitively, menaquinone-8 increases water permeability because it lowers the free energy barrier in the midplane. The thickness increase due to menaquinone-8 may help halobacteria ameliorate hyper-osmotic pressure by increasing the membrane bending constant. Simulations of the archaeal membranes with archaerhodopsin-3 show that the local membrane surface adjusts to accommodate the thick membranes. Overall, this study delineates the biophysical landscape of 50% menaquinone in the archaeal bilayer, demonstrates the mixing of menaquinone and menaquinol, and provides atomistic details about menaquinone configurations.
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