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2022-05-24Kumulative Dissertation DOI: 10.18452/24253
Ion selectivity of the NaK channel investigated by solid-state NMR
dc.contributor.authorHendriks, Kitty
dc.date.accessioned2022-05-24T08:47:27Z
dc.date.available2022-05-24T08:47:27Z
dc.date.issued2022-05-24none
dc.identifier.urihttp://edoc.hu-berlin.de/18452/25355
dc.description.abstractIonenkanäle sind für die zelluläre Homöostase und die elektrische Aktivität in höheren Eukaryoten essentiell. Die vorliegende Arbeit widmet sich dem nichtselektiven Kanal NaK und seinen kaliumselektiven Mutanten. Die Bedeutung von Ionenkanälen wird in Kapitel 1 speziell für die kationenselektive Ionenkanal-Superfamilie diskutiert. Darin werden verschiedene Vertreter dieser Superfamilie untersucht und ihre Strukturen und Ionenselektivität analysiert. In Kapitel 2 wird gezeigt, dass NaK zwei unterschiedliche Selektivitätsfilterkonformationen aufweist, die entweder durch Na+- oder K+-Ionen stabilisiert sind. Unter Verwendung von Festkörper-NMR Spektroskopie und molekulardynamischen Simulationen wurden zwei Ionenleitungswege entdeckt. In Kapitel 3 wurde eine Kristallstruktur von NaK ermittelt, welche die vorhergesagte und für den Seiteneintrittsmechanismus essentielle seitliche Ionenbindungsstelle bestätigt. Die zwei Untereinheiten in der asymmetrischen Einheit zeigen die dynamische Natur der unteren Teile der Transmembranhelices sowie duale Konformationen für die Reste im Selektivitätsfilter. Im Gegensatz zu NaK sind die kaliumselektiven Mutanten ionensensitiver, wie in Kapitel 4 gezeigt: Unter Na+-Bedingungen verliert der gesamte Selektivitätsfilter in den kaliumselektiven Mutanten seine Stabilität. Die stärkere Verbindung zwischen Selektivitätsfilter und der Porenhelix in den kaliumselektiven Mutanten ermöglicht keine nichtselektive Ionenleitung. Unter Verwendung von protonendetektierter Festkörper-NMR wurde die Wechselwirkung zwischen Wassermolekülen und der kaliumselektiven Mutante NaK2K charakterisiert und präsentiert in Kapitel 5. Es wurde gezeigt, dass der Selektivitätsfilter von NaK2K unter physiologischen Bedingungen wasserfrei ist. Diese Ergebnisse werden in Kapitel 6 im Ganzen betrachtet und die verbleibenden Fragen werden erörtert, außerdem wird ein kurzer Ausblick auf die zukünftige Forschung zum Thema Ionenselektivität im NaK-Kanal gegeben.ger
dc.description.abstractIon channels are essential to cellular homeostasis and electrical activity in higher eukaryotes. This thesis discusses the non-selective channel NaK and its potassium-selective mutants. The importance of ion channels is discussed in chapter 1 with a special focus on the tetrameric cation-selective ion channel superfamily. Various members of this superfamily are explored and their structures and ion selectivity are analysed. NaK is shown to have two distinct selectivity filter conformations that are stabilized by either Na+ or K+ ions in chapter 2. Using solid-state NMR spectroscopy and molecular dynamics simulations, two ion conduction pathways were discovered. In chapter 3 a crystal structure of NaK was determined that confirms the previously predicted side-entry ion binding site, essential to the side-entry pathway. The two subunits in the asymmetric unit display the dynamical nature of the lower parts of the transmembrane helices as well as dual conformations for residues in the selectivity filter. In contrast to NaK the potassium-selective mutants are more ion sensitive as shown in chapter 4. The entire selectivity filter loses its stability under Na+ conditions for the potassium-selective mutants. The stronger connection of the selectivity filter and the pore helix in the potassium-selective mutants does not allow for non-selective ion conduction. Using proton-detected ssNMR, the interaction between water molecules and the potassium-selective mutant NaK2K was characterized and this is presented in chapter 5. The selectivity filter of NaK2K was shown to be free of water under physiological conditions. These results get put in perspective and the questions which remain are discussed in chapter 6. A short outlook on future research for the topic of ion selectivity in the NaK channel is given.eng
dc.language.isoengnone
dc.publisherHumboldt-Universität zu Berlin
dc.relation.haspart10.1038/s41467-018-03179-y
dc.relation.haspart10.1107/S205225252100213X
dc.relation.haspart10.1016/j.jmb.2021.167091
dc.relation.haspart10.1126/sciadv.aaw6756
dc.relation.haspart10.1002/mrc.4945
dc.rights.urihttp://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
dc.subjectIonenkanäleger
dc.subjectIonenpermeationger
dc.subjectFestkörper-Kernspinresonanzger
dc.subjectIonenselektivitätger
dc.subjectIonenleitungger
dc.subjectStrukturbiologieger
dc.subjection channelseng
dc.subjection permeationeng
dc.subjectsolid-state nuclear magnetic resonanceeng
dc.subjection selectivityeng
dc.subjection conductioneng
dc.subjectstructural biologyeng
dc.subject.ddc570 Biologienone
dc.subject.ddc530 Physiknone
dc.titleIon selectivity of the NaK channel investigated by solid-state NMRnone
dc.typedoctoralThesis
dc.identifier.urnurn:nbn:de:kobv:11-110-18452/25355-2
dc.identifier.doihttp://dx.doi.org/10.18452/24253
dc.date.accepted2021-12-10
dc.contributor.refereeLange, Adam
dc.contributor.refereePlested, Andrew
dc.contributor.refereeWeingarth, Markus
dc.subject.rvkWE 5460
local.edoc.pages228none
local.edoc.type-nameKumulative Dissertation
local.edoc.institutionLebenswissenschaftliche Fakultätnone

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