2.5
Solutions to the Instability Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.5.1
Making Detergents Less Aggressive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.5.2
Making Membrane Proteins More Resistant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
2.5.3
What About Keeping Membrane Proteins Water-Soluble
Without Using Detergents? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3
Alternatives to Detergents for Handling Membrane Proteins
in Aqueous Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.2
Bicelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.2.1
The Formation and Phase Diagram of Bicelles and Their
Use in Membrane Protein NMR Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.2.2
Bicelles and Membrane Protein Crystallography . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.2.3
Other Applications of Bicelles in Membrane Biology . . . . . . . . . . . . . . 104
3.3
Nanodiscs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.3.1
High-Density Lipoproteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.3.2
The Formation and Structure of Nanodiscs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.3.3
The Empty Nanodisc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.3.4
Membrane Protein/Nanodisc Complexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.3.5
Nanodisc-Based Investigations of Membrane Proteins . . . . . . . . . . . . . . 115
3.4
Amphipathic Peptides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.4.1
Peptitergents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3.4.2
Lipopeptide Detergents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3.4.3
Designer Peptide Surfactants (Peptergents) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.4.4
Stabilizing Membrane Proteins by Complexation with Saposin A
(“Picodiscs,” “Sap A discs,” “Salipro® Nanoparticles”) . . . . . . . . . . . . 123
3.4.5
Peptide-Based Nanodiscs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
3.5
Fluorinated Surfactants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
3.5.1
Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
3.5.2
Novel Structures of Fluorinated Surfactants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3.5.3
Applications of Fluorinated Surfactants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.6
Nonconventional Surfactants Used for Handling Membrane Proteins
in Aqueous Solutions: An Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4
Chemical Structure, Synthesis, and Physical-Chemical Properties
of Amphipols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
4.1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
4.2
Amphipol Chemical Structure and Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
4.2.1
Polyacrylate-Based Amphipols with Carboxylates
as Their Hydrophilic Moieties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
4.2.2
Other Ionic Amphipols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
4.2.2.1 Sulfonated Amphipols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
4.2.2.2 Phosphorylcholine-Based Amphipols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
4.2.2.3 PMAL Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
4.2.2.4 Styrene-Maleic Acid Copolymer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
4.2.2.5 Hydrophobically Grafted Poly-γ-Glutamic Acid (APG) . . . . . . 164
xviii
Contents
Solutions to the Instability Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.5.1
Making Detergents Less Aggressive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.5.2
Making Membrane Proteins More Resistant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
2.5.3
What About Keeping Membrane Proteins Water-Soluble
Without Using Detergents? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3
Alternatives to Detergents for Handling Membrane Proteins
in Aqueous Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.2
Bicelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.2.1
The Formation and Phase Diagram of Bicelles and Their
Use in Membrane Protein NMR Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.2.2
Bicelles and Membrane Protein Crystallography . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.2.3
Other Applications of Bicelles in Membrane Biology . . . . . . . . . . . . . . 104
3.3
Nanodiscs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.3.1
High-Density Lipoproteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.3.2
The Formation and Structure of Nanodiscs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.3.3
The Empty Nanodisc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.3.4
Membrane Protein/Nanodisc Complexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.3.5
Nanodisc-Based Investigations of Membrane Proteins . . . . . . . . . . . . . . 115
3.4
Amphipathic Peptides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.4.1
Peptitergents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3.4.2
Lipopeptide Detergents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3.4.3
Designer Peptide Surfactants (Peptergents) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.4.4
Stabilizing Membrane Proteins by Complexation with Saposin A
(“Picodiscs,” “Sap A discs,” “Salipro® Nanoparticles”) . . . . . . . . . . . . 123
3.4.5
Peptide-Based Nanodiscs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
3.5
Fluorinated Surfactants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
3.5.1
Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
3.5.2
Novel Structures of Fluorinated Surfactants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3.5.3
Applications of Fluorinated Surfactants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.6
Nonconventional Surfactants Used for Handling Membrane Proteins
in Aqueous Solutions: An Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4
Chemical Structure, Synthesis, and Physical-Chemical Properties
of Amphipols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
4.1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
4.2
Amphipol Chemical Structure and Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
4.2.1
Polyacrylate-Based Amphipols with Carboxylates
as Their Hydrophilic Moieties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
4.2.2
Other Ionic Amphipols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
4.2.2.1 Sulfonated Amphipols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
4.2.2.2 Phosphorylcholine-Based Amphipols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
4.2.2.3 PMAL Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
4.2.2.4 Styrene-Maleic Acid Copolymer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
4.2.2.5 Hydrophobically Grafted Poly-γ-Glutamic Acid (APG) . . . . . . 164
xviii
Contents