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Computational study of the Kcv potassium channel

Tayefeh, Sascha :
Computational study of the Kcv potassium channel.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2007)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Computational study of the Kcv potassium channel
Language: English
Abstract:

The K+ channel Kcv from Paramecium bursaria chlorella virus is the smallest known functional K+ channel. As a minimal working model, this K+ channel protein can be considered close to being prototypical in order to understand basic channel design principles and to gain insight into fundamental transport mechanisms. The objective of this work was the computational study of the impact of various mutations of the Kcv N-Terminus on the Kcv function. By the mean of molecular dynamics simulations of K+ channel models in explicit membrane and explicit solvent, the structure, dynamics, and thermodynamics of alternate model systems was examined on the atomic level. In addition to the wildtype, a hyperactive point mutant (KcvP13A) and two inactive deletion mutants (KcvDN8 and KcvDN14) were examined. The protonation state of a key amino acid (Lys29) was also exhaustingly studied. As a working hypothesis it was assumed that analog topology results in analog functionality. Hence, Kcv homology models were generated as well as KirBac1.1 X-ray structure models adapted in analogy to Kcv. A new method was developed in order to extract reasonable and symmetric expectation structures from very long trajectories. These structures can be compared to structures determined by structural biological methods and can be used as an input for proceeding with advanced methods, like e.g. the Poisson-Boltzmann theory or the 3D-RISM integral equation theory. Latter method was used in order to determin the ionic distribution around the protein. Most important results from this thesis are: 1. A workflow was developed that allows the creation of plausible K+ channel homology models. The quality of such a model is good enough to exhibit a full ion transition cycle during simulation. 2. The interaction of positively charged amino acids in the N-terminal helix with the C-terminus results in mutant dependent saltbridge patterns. Weakening of this interaction correlates with dysfuntion. 3. The N-terminus can act as a steric barrier for the transition of K+ ions and, thus, may contribute to the gating mechanism. 4. The protonation state of Lys29 is crutial for the transition of K+ ions and, thus, may also contribute to the gating mechanism. 5. Funtional analogy between distantly related K+ channels is apparent. 6. The reason for the hyperactivity of the point mutant P13A was not determined satisfactorily. Further investigations are necessary in order to generate more plausible models.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Der K+-Kanal Kcv aus dem Paramecium bursaria Chlorellavirus ist der kleinste bekannte K+-Kanal dessen Funktion nachgewiesen wurde. Er eignet sich als Minimalmodell für die Aufklärung von Struktur-Funktions-Zusammenhängen bei K+-Kanalproteinen. Gegenstand der vorliegenden Arbeit war die computergestützte Studie der Auswirkung verschiedener Mutationen des Kcv-N-Terminus auf die Kcv-Funktion. Mit Hilfe molekular-dynamischer Simulationen von K+-Kanal-Modellen in expliziter Membran und explizitem Solvens wurden die Struktur, Dynamik, und Thermodynamik verschiedener Modellsysteme auf atomarer Skala untersucht. Von besonderem Interesse waren neben dem Wildtyp die hyperaktive Punktmutante KcvP13A, sowie die zwei inaktive Deletionsmutanten KcvDN8 und KcvDN14. Der Protonierungszustand einer Schlüsselaminosäure (Lys29) war ebenfalls Gegenstand eingehender Untersuchung. Bei der Modellbildung wurde angenommen, dass analoge Topologie auch analoge Funktionalität zur Folge hat. Folglich wurden Kcv-Homologiemodelle, wie auch in Analogie zu Kcv adaptierte KirBac1.1 Kristallstruktur-Modelle untersucht und miteinander verglichen. Ferner wurde eine neue Methode entwickelt, um symmetrische Erwartungswertstrukturen aus sehr langen Trajektorien zu extrahieren. Die an Hand dieser Methode berechneten Geometrien sind aus strukturbiologischer Sicht interpretierbar und erlauben die weitere Untersuchung mit fortgeschrittenen Methoden wie z.B. der Poisson-Boltzmann-Theorie oder der 3D-RISM-Integralgleichungstheorie. Mit Hilfe letzterer war es möglich, die Ionenverteilung um das Protein vorherzusagen und den Einfluss von Mutationen auf diese zu untersuchen. Die wichtigsten Ergebnisse lauten: 1. In dieser Arbeit wurden Richtlinien entwickeln, die die Konstruktion von plausiblen K+-Kanal-Homologiemodellen ermöglichen. Es stellte sich heraus, dass ein solches Model geeignet war den vollständigen Kaliumtransport von einer Seite der Membran zur anderen zu simulieren. 2. Die Interaktion positiv geladener Aminosäuren in der N-terminalen Helix mit dem C-Terminus führt zu mutantenabhängigen Salzbrückenmustern. Eine Schwächung dieser Interaktion korreliert mit dem Verlust der Leitfähigkeit. 3. Der N-Terminus kann als sterische Barriere für den Eintritt von K+-Ionen agieren und somit zum "Gating"-Mechanismus beitragen. 4. Der Protonierungszustand von Lys29 in der Simulation war entscheidend für den Eintritt von K+ Ionen in den Kanal. Möglicherweise trägt der Protonierungszustand dieser Aminosäure zum "Gating"-Mechanismus bei. 5. Die Annahme, dass eine funktionelle Analogie zwischen Kaliumkanälen existiert, ist berechtigt. 6. Die vorliegenden Daten reichen nicht aus, um die Hyperaktivität der P13A Mutante zu erklären. Weitere Untersuchungen sind nötig, um ein besseres Model dieser Mutante zu generieren.German
Uncontrolled Keywords: Molekulardynamik, Simulation, Kaliumkanal, Integralgleichungstheorie, 3D-RISM, Poisson-Boltzmann, Kcv, KcaA, KirBac1.1, KCNQ, Charmm, Modelling, NAMD, Homoloiemodellierung, NMR
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Molekulardynamik, Simulation, Kaliumkanal, Integralgleichungstheorie, 3D-RISM, Poisson-Boltzmann, Kcv, KcaA, KirBac1.1, KCNQ, Charmm, Modelling, NAMD, Homoloiemodellierung, NMRGerman
Molecular Dynamics, Simulation, Potassium Channel, Poisson-Boltzmann, 3D-RISM, Integral Equation Theory, Kcv, Kcsa, KirBac1.1, Charmm, Modelling, Homology Modelling, NAMD, NMR, Simulated AnnealingEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: Biology
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:53
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000858
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-8589
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Kast, PD Dr. Stefan M. and Bertl, PD Dr. Adam
Advisors: Thiel, Prof. Dr. Gerhard
Refereed: 13 July 2007
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/858
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