Contents
1
Membrane Proteins and Their Natural Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.2
Lipid Bilayers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
1.3
Membrane Protein Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
1.4
Membrane Protein Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4.1
Modes of Association with the Membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4.2
Structure of Transmembrane Protein Regions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.5
Membrane Protein/Lipid Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.5.1
The Fluid Mosaic Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.5.2
Bound Lipids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.6
Dynamics of Transmembrane Regions and the Function of Membrane Proteins . . 32
1.6.1
Bacteriorhodopsin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.6.2
The Nicotinic Acetylcholine Receptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.6.3
The Sarcoplasmic Reticulum Calcium Pump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
1.7
Synthesis of Membrane Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
1.7.1
Natural Biosynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
1.7.2
Overexpression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2
Extracting Membrane Proteins from Their Native Environment . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.2
Detergents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.2.1
Chemical Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.2.2
Physical-Chemical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.3
Solubilizing Membrane Proteins with Detergents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.3.1
Solubilizing Biological Membranes with Detergents . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.3.2
Membrane Protein/Detergent Complexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.4
Why Are Membrane Proteins Unstable in Detergent Solutions? . . . . . . . . . . . . . 70
2.4.1
Instability of Detergent-Solubilized Membrane Proteins
Is a General Phenomenon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.4.2
A Field Case: Inactivation of the Cytochrome b 6 f Complex
by Detergents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.4.3
The Dissociating Character of Detergents as a Major Cause
of Membrane Protein Inactivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.4.4
Detergent-Induced Conformational Alterations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
xvii