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Hamburg, Carl von Ossietzky

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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-60589
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2013/6058/


Structural and functional investigation of the phospholipid modulation of KcsA K+ channel (K+ channel of Streptomyces lividans)

Untersuchung der Struktur und Funktion der Regulierung des KcsA K+ Kanals durch Phosphorlipide (Streptomyces lividans K+ Kanal)

Prokofyev, Alexander

pdf-Format:
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SWD-Schlagwörter: Kalium Kanal , KcsA
Freie Schlagwörter (Deutsch): Kalium Kanal , KcsA
Freie Schlagwörter (Englisch): Potassium channel , KcsA
Basisklassifikation: 42.12
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Naturwissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Pongs, Olaf (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 07.12.2012
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 22.02.2013
Kurzfassung auf Englisch: Binding of anionic phospholipids to non-annular binding sites of KcsA has been demonstrated with crystallographic and biochemical methods. In my study, I used the combination of electrophysiology, solid-state NMR (ssNMR) spectroscopy and molecular dynamics (MD) simulations to gain further insight into the structural and functional importance of these specific protein-lipid interactions. I observed that single channel properties of KcsA at the steady state conditions strongly depend on the type of anionic phospholipid in the membrane. Both the single channel conductance and open probability (PO) of the channel were modulated by anionic phospholipids. The single channel conductance was higher in the presence of phosphatidylglycerol (PG) and cardiolipin (CL) in comparison to phosphatidic acid (PA) and phosphatidylserine (PS) at positive voltages, significantly affecting the outward rectification properties of KcsA. This effect correlates with the structure of the phospholipid headgroups rather than their charge. At the same time more negatively charged PA and CL stabilized the open state of KcsA and reduced C-type inactivation of the channel, leading to an increase of overall PO of KcsA. The maximal PO of the KcsA was observed for CL, which was the most negatively charged lipid in my study. The ssNMR experiments revealed the structural mechanism of anionic phospholipid modulation of KcsA, suggesting that a strong negative charged anionic phospholipids such as CL stabilize the conductive conformation of the KcsA selectivity filter. Furthermore, in combination with MD simulations the data indicated that extracellular turret region of KcsA plays a significant role in anionic phospholipid – channel interaction. Hence, I propose that interaction of anionic phospholipids with the KcsA turret region induces structural rearrangements within the selectivity filter affecting KcsA function.
Kurzfassung auf Deutsch: Kristallographische und biochemische Methoden zeigten die Bindung von anionischen Phospholipiden an non-annularen Bindungsstellen von KcsA. In meiner Arbeit benutzte ich eine Kombination von Elektrophysiologie, Festkörper NMR und molekül-dynamischen Simulationen um weitere Einsicht in den strukturellen und funktionellen Einfluss dieser spezifischen Protein – Lipid Wechselwirkungen zu gewinnen. Ich stellte fest, dass Einzelkanal-Eigenschaften von KcsA im stationären Zustand stark von der Art des anionischen Phospholipids abhängen. Sowohl Einzelkanal-Konduktanz als auch Einzelkanal-Öffnungswahrscheinlichkeit wurden durch anionische Phospholipide unterschiedlich moduliert. Die Einzelkanal-Konduktanz war höher in Gegenwart von Phosphatidylglycerin (PG) und Cardiolipin (CL) im Vergleich zu Phosphatidsäure (PA) und Phosphatidylserine (PS) bei positiver Spannung, was die nach aussen gerichtete Rektifikation signifikant beeinflusste. Dieser Effekt korrelierte eher mit der Struktur als mit der Ladung der Lipidkopfgruppe. Wiederum stabilisierten die stärker negativ geladenen PA und CL KcsA im geöffneten Zustand und reduzierten die C-Typ Inaktivierung des Kanals. Insgesamt führte dies zu einem Anstieg der Öffnungswahrscheinlichkeit (PO) von KcsA. Die maximale PO von KcsA wurde in CL beobachtet, welches das am stärksten negativ geladene Lipid darstellte, das in dieser Studie verwendet wurde. Die Festkörper NMR Experimente deckten den strukturellen Mechanismus der Phospholipid-Modulation von KcsA auf. Diese Experimente suggerieren, dass stark negativ geladene anionische Phospholipide wie CL die leitfähige Konformation von KcsA stabilisieren. Meine Daten, in Kombination mit molekül-dynamischen Simulationen, sind weiterhin indikativ für eine prominente Rolle der Turret Region von KcsA in der Wechselwirkung mit anionischen Phospholipiden. Daher vermute ich, dass die Interaktion von anionischen Lipiden mit der Turret Region Einfluss auf den Selektivitätsfilter hat und massgeblich für die KcsA Funktion ist.

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