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Understanding the molecular machinery of aquaporins through molecular dynamics simulations

dc.contributor.advisorGroot, Bert de Prof. Dr.de
dc.contributor.authorAponte-Santamaria, Camilo Andresde
dc.date.accessioned2012-01-02T15:32:40Zde
dc.date.accessioned2013-01-18T13:38:50Zde
dc.date.available2013-01-30T23:51:11Zde
dc.date.issued2012-01-02de
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B540-Ade
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-2852
dc.description.abstractAquaporine sind Proteinkanäle, die den Durchtritt von Wasser und kleinen Molekülen durch biologische Membranen als Reaktion auf osmotische Druckveränderungen erlauben. Das Ziel dieser Arbeit ist es, das Wissen über die molekulare Maschine Aquaporin mittels Molekulardynamiksimulationen und verwandten computergestützten Methoden zu erweitern.Zunächst präsentiere ich den Permeations-Mechanismus für das Plasmodium falciparum Aquaglyceroporin, ein vielversprechendes Drug Target gegen Malaria. Nach diesem Mechanismus bestimmen hydrophobe Barrieren in der Mitte des Kanals die Permeationskinetik von Wasser. Auβerdem wird die Selektivität für Glyzerin und Harnstoff hauptsächlich durch den Wechsel von Wasser-Arginin-Wechselwirkungen zu Lösungsmittel-Arginin-Wechselwirkungen sowie durch die Kompatibilität der Losüngsmittel an der engsten Stelle des Kanals bestimmt.Zweitens untersuchen wir die molekularen Ursachen für Leitfähigkeitsveränderungen von Aquaporinen, die von Organismen genutzt wird um dem schädlichen Effekt von plötzlichen osmotischen Druckveränderungen entgegenzuwirken. Unsere Simulationen sowie strukturelle und funktionelle Experimente legen nahe, dass Hefe Aquaporin-1 durch Phosphorylierung eines Serins sowie durch Mechanoperzeption gesteuert werden kann. Unsere Simulationen von Aquaporinen aus Spinatpflanzen zeigen weiter, dass sich die gesamte Maschinerie zum Öffnen und Schlieβen der Kanäle in dem zytosolischen Loop D befindet. Diese Simulationen stärken jedoch nicht den Vorschlag des Mechanismus, der auf Serin-Phosphorylierung oder Histidin-Protonierung basiert. Auβerdem konnte in silico eine Abhängikeit der Permeabilität von der Membranspannung in humanem AQP4 beobachtet werden, die wir auf den Übergang des Arginins in der engsten Region des Protein zurückführten. Kombiniert mit ähnlichen Beobachtungen für humanes AQP1, legt dies die experimentell zu testende Vermutung nahe, dass Spannungsabhängigkeit eine natürliche Eigenschaft von AQPs sein könnte.Drittens widme ich mich drei wichtigen Prozessen, in denen Aquaporine mit anderen (Bio-)Molekülen interagieren. Die Bildung und Stabilität des AQP2-LIP5 Komplexes, der unerlässlich für den Transport von AQP2 in Nierenzellen ist, wurde untersucht. Es konnten zwei wahrscheinliche Strukturen dieses Komplexes vorhergesagt werden, bei denen sich das Aquaporin-Tetramer in der Membran befindet und durch Bindung von drei Leucinen des C-Terminus von AQP2 in einer hydrophoben Tasche von LIP5 stabilisiert wird. Darüber hinaus konnte beobachtet werden, dass die Wechselwirkungen von AQP0 mit Membranlipiden in erster Linie durch Anpassung der hydrophoben Ketten der Lipide an die Oberfläche des Proteins gegeben sind, wohingegen der Einfluss der Lipid-Kopfgruppen wesentlich geringer ist und Lipide ihre Bulk-Eigenschaften erst mit zunehmendem Abstand von AQP0 wiedergewinnen. Die Daten zeigen auch, dass bestimmte Lipidpositionen, die in einem 2D-Kristall um AQP0 mittels Elektronen Kristallographie beobachtet worden waren, tatsächlich Lipiden entsprechen, die um niedrig konzentriertes AQP0 in eine Doppellipidschicht eingebettet sind. Letztlich zeigen wir, wie Molekular-Dynamik-Simulationen in Verbindung mit Funktionsuntersuchungen und molekularem Docking für die Suche und Optimierung von möglichen AQP9 Blockern genutzt werden können.de
dc.format.mimetypeapplication/pdfde
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de
dc.titleUnderstanding the molecular machinery of aquaporins through molecular dynamics simulationsde
dc.typedoctoralThesisde
dc.title.translatedVerständnis der molekularen Maschinerie von Aquaporinen durch Molekulardynamiksimulationende
dc.contributor.refereeGroot, Bert de Prof. Dr.de
dc.date.examination2011-02-28de
dc.subject.dnb530 Physikde
dc.description.abstractengAquaporins are protein channels responsible for the permeation of water and other small solutes through biological membranes in response to osmotic pressure. The goal of the present thesis is to expand our understanding on the molecular machinery of aquaporins by employing molecular dynamics simulations and related computational techniques.First, we provide a solute permeation mechanism for the solute permeation through the Plasmodium falciparum aquaglyceroporin that is a promising antimalarial drug target. In this mechanism, hydrophobic regions in the middle of the channel are the main water rate limiting barriers. In addition, the replacement of water-arginine interactions by solute-arginine interactions and the matching of the solute at the most constricted region of the channel are the main determinants underlying selectivity for the permeation of solutes like glycerol and urea.Second, we investigate the molecular determinants governing aquaporin gating, which has emerged as an efficient regulatory mechanism for organisms to quickly counteract sudden osmotic shocks. Our simulations, together with structural and functional studies, suggest that the yeast aquaporin-1 may be gated by both phosphorylation of a serine residue or mechanosensing. In addition, for spinach plant aquaporin, our simulations confirm that cytosolic loop D provides the necessary machinery to trigger the channel gating. However, they do not support a gating mechanism mediated by serine-phosphorylation or histidine-protonation, as proposed in the current gating model. Furthermore, we observed voltage regulation of the single-channel water permeability of human AQP4 in silico, attributed to gating transitions of the arginine residue at the most constricted region. Our results, together with similar observations made for human AQP1, suggests that voltage sensitivity may be a general feature of AQPs, a hypothesis to be tested experimentally.Third, we study three important processes where aquaporins interact with different types of (bio)molecules. The formation and stability of the AQP2-LIP5 complex, which is crucial for the trafficking of AQP2 in renal cells, was investigated. Our results predict at least two putative structures of the complex, with the aquaporin tetramer being embedded in a membrane, stabilized by the binding of three leucines at the C-terminus in AQP2 to a hydrophobic cleft in LIP5. Moreover, we observed that AQP0-lipid interactions mainly depend on the matching of the lipid tails to the AQP0 surface, rather than their head-groups, and that lipids gradually adopt bulk-lipid properties when located further away from AQP0. Our data also supports that specific lipid positions, that had been observed in a two-dimensional crystal of AQP0 by electron crystallography, are indeed representative of those adopted by lipids around AQP0 tetramers inmersed at low concentrations in a lipid bilayer. Finally, we describe how molecular dynamics simulations can be used, in combination with experimental functional assays and molecular docking calculations, in the search and refinement of putative AQP9 blockers.de
dc.contributor.coRefereeGriesinger, Christian Prof. Dr.de
dc.contributor.thirdRefereeMüller, Marcus Prof. Dr.de
dc.subject.topicPhysicsde
dc.subject.gerAquaporinede
dc.subject.gerMolekulardynamiksimulationende
dc.subject.gerWasserpermeationde
dc.subject.gerWasserkanälede
dc.subject.gerMembranproteinede
dc.subject.gerKanalsteuerungde
dc.subject.engaquaporinsde
dc.subject.engmolecular dynamics simulationsde
dc.subject.engwater permeationde
dc.subject.engwater channelsde
dc.subject.engmembrane proteinsde
dc.subject.engchannel gatingde
dc.subject.bk33.00de
dc.subject.bk42.12de
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-webdoc-3294-7de
dc.identifier.purlwebdoc-3294de
dc.affiliation.instituteFakultät für Physikde
dc.subject.gokfullWC000de
dc.subject.gokfullRD000de
dc.subject.gokfullRDH100de
dc.identifier.ppn715456407de


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