Aquaglyceroporine: einfache Glyceroporen? Evaluation der Leitfähigkeit ausgewählter Aquaglyceroporine für geladene Solute

Rothert, Monja

In Aquaporinen wird ein Ausschluss von Kationen durch ein Zusammenspiel des ar/R-Selektivitätsfilters und der NPA-Region gewährleistet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Leitfähigkeit des T. brucei AQP2 (TbAQP2) für Pentamidin als organisches Kation und des humanen AQP9 (AQP9) für Monocarboxylate als organische Anionen untersucht. In TbAQP2 befindet sich anstelle eines konservierten Arginins im ar/R-Selektivitätsfilter an Position 264 ein Leucin, welches dafür sorgt, dass das benachbarte Aspartat265 für eine Wechselwirkung freisteht. Leitfähigkeitsmessungen zeigten, dass organische Kationen, die aufgrund ihrer Größe die Kanalpore von TbAQP2 überwinden könnten, aufgrund ihrer Ladung ausgeschlossen wurden und damit eine Passage des 340 Da großen und zweifach positiven Pentamidins unwahrscheinlich ist. Pentamidin agiert vielmehr als nanomolarer Inhibitor der Glycerolleitfähigkeit von TbAQP2 mit einem IC50 von 130 nM. Das Aspartat265 wurde als essentielle Aminosäure identifiziert, die mit der Amidinfunktion des Pentamidins eine elektrostatische Wechselwirkung eingeht. AQP9 hat einen unauffälligen Selektivitätsfilter, zeigt hingegen ein ungewöhnlich breites Solutspektrum, u.a. für Monocarbonsäuren/Monocarboxylate. Es konnte gezeigt werden, dass nicht das Anion, sondern die neutrale Säure die Kanalpore von AQP9 unabhängig vom Protonengradienten überquert. Es wurden zwei Arginine an Position 51 und 53 in der Poreneingangsregion als für die Monocarbonsäureleitfähigkeit essentiell identifiziert. Diese sorgen für eine Anziehung des Monocarboxylat-Anions und eine erhöhte Aufenthaltswahrscheinlichkeit dessen. Somit wurde gezeigt, dass die Elektrostatik von Aquaglyceroporinen einen entscheidenden Einfluss auf ihre Funktion hat. In AQP9 führt eine positive Elektrostatik zu einer Spezialisierung auf Monocarbonsäuren und in TbAQP2 ist es eine elektrostatische Interaktion mit der Carboxylgruppe einer einzelnen Aminosäure, die zur nanomolaren Affinität von Pentamidin beiträgt.

In aquaporins the ar/R-selectivity filter and NPA-region form a positive electrostatic barrier that strictly excludes cations. In this thesis the conductivity of T. brucei AQP2 (TbAQP2) for the positively charged pentamidine and of human AQP9 (AQP9) for negatively charged monocarboxylates was evaluated. The canonical amino acid composition of the AQP selectivity filter is an arginine in an aromatic environment (ar/R). TbAQP2, however, carries a Leu264 instead of arginine exposing an Asp265 to the channel lumen. Stopped-flow measurements showed the selectivity filter is functional and excludes cations despite its unconventional layout. Organic cations that could theoretically pass because of their size are detained due to their positive charge. The di-cationic, 340 Da seized pentamidine is not a permeant but a nanomolar inhibitor of TbAQP2´s glycerol permeability in yeast with an IC50 of 130 nM. The Asp265 was found to be responsible for the electrostatic interaction with the amidine moiety of pentamidine. In AQP9, the selectivity filter is inconspicuous but the protein shows conductance for a remarkable variety of solutes including monocarboxylic acids/monocarboxylates. Stopped-flow measurements in the framework of this thesis revealed that the neutral acid is the channeled species independent of the proton gradient. Two arginines at positions 51 and 53 in loop a of AQP9 were found to be crucial for conductance for monocarboxylic acids. The postulated mechanism of AQP9 channeling monocarboxylic acids bases on attraction of the monocarboxylate anion leading to a higher probability of protonation via the solvent depending on pH and pKs followed by a passage of the neutral acid. TbAQP2 and AQP9 both represent examples for the influence of protein electrostatics on solute selectivity of aquaglyceroporins.

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Rothert, Monja: Aquaglyceroporine: einfache Glyceroporen? Evaluation der Leitfähigkeit ausgewählter Aquaglyceroporine für geladene Solute. 2017.

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