TU Darmstadt / ULB / TUprints

Computational Study of Voltage-gated Sodium/Potassium channels

Bauer, Daniel (2021):
Computational Study of Voltage-gated Sodium/Potassium channels. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00018611,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Computational Study of Voltage-gated Sodium/Potassium channels
Language: English
Abstract:

Ion channels play a fundamental role in all biological entities ranging from small viruses up to complex animals. They are responsible for a vast number of different processes including virus uptake, regulation of the cells ionic balance, proliferation and cell signaling. Potassium channels are selective ion channels that primarily conduct potassium ions. Most channels of this subfamily are not permanently open, but their conductance can be regulated. This allows them to open or close in response to a broad range of environmental conditions. In humans, hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated (HCN) channels are crucial for various biological processes of the neuronal and cardiovascular system. In the heart, they are responsible for the pacemaker current, which drives the action potential in cardiac pacemaker cells. In the brain, HCN channels contribute to various regulatory functions in neurons and are involved in processes such as the sleep-wake cycle, learning, and brain development. Accordingly, malfunctioning of HCN channels is linked to severe diseases such as arrhythmia and epilepsy. For the present work, molecular dynamics (MD) simulations were used to study several aspects of HCN channels. In the first part, comparative MD simulations were carried out to investigate how the substitution of amino acids at key positions of the HCN1 gene alters the channels structure and dynamics. In combination with experimental data, this information can provide insight into fundamental principles of channel functioning and assist in the understanding and treatment of HCN-mediated diseases. Therefore, several de novo mutations with clinical relevance were investigated. Similar mutational studies were also used to elucidate the role of the conserved HCN domain which is unique for HCN channels. It could be shown that mutation of a single amino acid can disrupt the mechanical connection between domains of the channel and thereby alter gating characteristics. The second part of this work focused on ion conductance. HCN channels discriminate only moderately between potassium and sodium and show a relatively low conductance. Using MD simulations with an applied electric field, it was possible to obtain insights into a unique mechanism that underlies ion conduction in HCN channels: the presented HCN-specific soft knock-on mechanism is an alternation between two distinct states with either two or one ion bound to the selectivity filter (SF) and separated by a single water molecule. Within this model, a theory is presented on how the low selectivity in HCN channels is a result of potassium and sodium binding to the same binding sites within the SF, but with different affinity. Finally, free energy calculations show that the experimentally determined low conductance of HCN channels is a result of high energy barriers within the SF which are not compatible with diffusion-limited conductance.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Ionenkanäle spielen eine wichtige Rolle in allen Lebensformen - von kleinen Viren bis hin zu komplexen Tieren. Hier sind sie für ein breites Spektrum an verschiedenen Prozessen wie der zellulären Aufnahme von Viren, der Regulation des Ionengleichgewichts der Zelle, der Zellproliferation und der interzellulären Kommunikation verantwortlich. Kaliumkanäle sind selektive Ionenkanäle, die hauptsächlich Kaliumionen leiten. Die meisten Kanäle dieser Unterfamilie sind nicht ständig geöffnet sondern ihre Leitfähigkeit kann reguliert werden. Dadurch können sie auf verschiedene Umweltbedingungen reagieren und sich in Abhängigkeit von äußeren Bedingungen öffnen oder schließen. Im Menschen sind hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated (HCN) Kanäle entscheidend für unterschiedlichste biologische Prozesse des neuronalen und kardiovaskulären Systems. In den Pacemaker-Zellen des Herzens, die als biologischer Herzschrittmacher dienen, steuern sie die rhythmisch auftretenden Aktionspotentiale die das Herz schlagen lassen. Im Gehirn tragen HCN-Kanäle zu verschiedenen regulatorischen Funktionen der Neuronen bei und sind an Prozessen wie dem Schlaf-Wach-Rhythmus, dem Lernen oder der Entwicklung des Gehirns beteiligt. Funktionsstörungen von HCN-Kanälen werden daher mit schweren Krankheiten wie Herzrhythmusstörungen und Epilepsie verbunden. In der vorliegenden Studie wurden molecular dynamics (MD) Simulationen zur Untersuchung von zwei wesentlichen Aspekten von HCN-Kanälen durchgeführt. Im ersten Teil wurde mithilfe von MD Simulationen untersucht, wie sich die Substitution von Aminosäuren an wichtigen Positionen des HCN1 Gens auf die Struktur und Dynamik der Kanäle auswirkt. In Kombination mit experimentellen Daten können diese Informationen Aufschluss über grundlegende Prinzipien der Kanalfunktion geben sowie zum Verständnis und zur Behandlung von Krankheiten beitragen. Aus diesem Grund wurden mehrere neu beschriebene Mutationen mit klinischer Relevanz untersucht. Ähnliche Mutationsstudien wurden auch genutzt, um die Rolle der in HCN Kanälen einzigartigen und konservierten HCN Domäne zu beschreiben. Es konnte gezeigt werden, dass die Mutation einer einzigen Aminosäure die mechanische Verbindung zwischen den Domänen des Kanals, und damit die Öffnungsfähigkeit der Kanäle, beeinflussen kann. Der zweite Teil dieser Studie konzentrierte sich auf die Ionenleitung. HCN-Kanäle unterscheiden nur in geringem Maße zwischen Kalium und Natrium und weisen eine relativ geringe Leitfähigkeit auf. Mithilfe von MD Simulationen mit einem angelegten elektrischen Feld war es möglich, Einblicke in den einzigartigen Mechanismus zu erhalten, der der Ionenleitung in HCN-Kanälen zugrunde liegt: Der vorgestellte HCN-spezifische Soft knock-on Mechanismus ist eine Alternation zwischen zwei Zuständen in denen entweder ein oder zwei Ionen an dem Selektivitätsfilter (SF) gebunden sind. Dabei sind die Ionen räumlich durch ein Wassermolekül getrennt. Innerhalb dieses Modells wird eine Theorie vorgestellt, die die geringe Selektivität in HCN Kanälen darauf zurück führt, dass sowohl Kalium als auch Natrium an die gleichen Bindungsstellen innerhalb des SF binden—dies jedoch mit unterschiedlicher Affinität. Dies wird durch Berechnungen der freien Energie ergänzt, die die experimentell ermittelte niedrige Leitfähigkeit von HCN Kanälen auf hohe Energiebarrieren innerhalb des SF zurück führt, die eine diffusionslimitierte Ionenleitung nicht erlauben.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 108 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin, Gesundheit
Divisions: 10 Department of Biology > Computational Biology and Simulation
Date Deposited: 10 Dec 2021 12:06
Last Modified: 10 Dec 2021 12:06
DOI: 10.26083/tuprints-00018611
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-186114
Referees: Hamacher, Prof. Dr. Kay ; Thiel, Prof. Dr. Gerhard
Date of oral examination: 3 December 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/18611
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