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Mechanistic analysis of the pump cycle of the P-type ATPase KdpFABC

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Zusammenfassung

Due to the vital prerequisite for K+ ions in bacterial cells, involved in important processes, such as maintenance of the turgor pressure, pH homeostasis, membrane voltage and enzyme activation, E. coli comprises a set of different specialized potassium transport systems. Under K+-limiting conditions, the high affinity KdpFABC complex is expressed to sustain K+ uptake. KdpFABC is a member of the P-type ATPase family with a unique subunit composition. It consists of four subunits, and the sites of ATP hydrolysis and ion transport are well-separated on two different subunits. Only the KdpB subunit exhibits an explicit homology to other P-type ATPases and represents the catalytic subunit performing ATP hydrolysis, whereas the KdpA subunit binds and transports K+ ions and shows similarities to KcsA-like K+-channel proteins. It was demonstrated that KdpFABC, like other P-type ATPases, undergoes a reaction cycle with large conformation changes, generally represented by a so-called Post-Albers cycle. A general feature is that the ion pump toggle between two main conformational states, E1 and E2, in which the ion-binding sites alternatingly face one of both membrane sides.


The aim of this work was to investigate the mechanistic aspect of the KdpFABC transport process, which would give more information about the coupling mechanism of energy-releasing ATP hydrolysis and the energy-consuming ion transport across membranes. For this purpose a fluorescence technique was employed that is based on the voltage-sensitive dye RH421, which enables a monitoring of ion movements in the membrane domain of ion-transport proteins. Based on this method, the electrogenicity of ion-binding partial reactions of the pump cycle of the detergent-solubilized KdpFABC was investigated. After finding the most appropriate detergent that preserves a functional complex, the apparent binding affinities for K+ and H+ were determined in both conformations, E1 and E2-P, and further analysis of mutual interference of K+ and H+ revealed a mixed inhibition. Binding of both K+ and H+ was found to be electrogenic. To compare transport and enzyme activity, the dependence of ATP hydrolysis on the proton concentration was measured. Furthermore, small ATPase activity was induced with Na+ and H+ in the absence of K+, supporting previous conclusion that both ion species act as weak congeners of K+. K+-binding titrations were carried out under different conditions to examine the effect of Mg2+ concentration in the electrolyte. It was found that the amount of positive charge to be bound to the membrane domain increases with the Mg2+ concentrations. This effect was assigned to the Gouy-Chapman effect.


The second set of experiments was performed with the reconstituted KdpFABC in E. coli lipid vesicles, using the membrane potential indicator DiSC3(V), that allows monitoring of the electrogenic pump activity. ATP-driven K+ export across the vesicle membrane performed by the inside-out oriented KdpFABC pumps was electrogenic and confirmed that K+ is transported out of the vesicles. The experiments performed in the absence of K+ indicated an unexpected H+ translocation opposite to the well-established K+ transport, although to a significantly lower extent. The DiSC3(V) dye was used to investigate effects of different ions on the pump activity, such as H+, Mg2+, and K+. The inhibition mechanism of ADP, inorganic phosphate and o-vanadate was studied, and compared to the results reported for the Na+,K+-ATPase. Experiments on the temperature-dependence of the ATPase and pump activities were used to determine the activation energies of the respective processes.


Time-resolved experiments with detergent-solubilized KdpFABC in Aminoxide WS-35 were used to analyze the kinetics of the involved processes, in the presence of different K+, H+ and ATP concentrations. These results are supportive of the proposal that the K+-binding step occurs after the phosphorylation and conformation transition reaction steps, and therefore, it has to be assigned to the dephosphorylation partial reaction.


Three pump cycles derived from the general Post-Albers scheme of P-type ATPases have been introduced and discussed, with the ultimate goal to propose a possible molecular pump cycle, supported by the obtained experimental evidence. A more reliable assignment to the pump cycle of the KdpFABC requires more detailed investigation, and especially highly resolved structural information that will allow a definitive mapping of the ion-binding sites and their occupation.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Kaliumionen sind für Bakterienzellen lebensnotwendig, da sie an wichtigen Prozessen wie dem Erhalt des Turgors, der pH-Homöostase, dem Membranpotential und der Enzymaktivierung beteiligt sind. E. coli besitzt mehrere verschiedene und spezialisierte Kalium-Transportsysteme. Unter der Bedingung von Kaliummangel wird der hochaffine KdpFABC Komplex exprimiert, mit dem die Kaliumaufnahme auch im mikromolaren Bereich aufrechterhalten werden kann. KdpFABC gehört zu der Familie der P-Typ ATPasen, weist jedoch eine einzigartige Zusammensetzung von verschiedenen Untereinheiten auf. Insgesamt besteht das Protein aus vier Untereinheiten, wobei die ATP-Hydrolyse und der Ionentransport auf zwei unterschiedlichen Untereinheiten stattfinden. Nur die KdpB-Untereinheit, welche für die katalytische ATP-Hydrolyse verantwortlich ist, weist eine signifikante Homologie zu anderen ATPasen des P-Typs auf. Die KdpA-Untereinheit, welche für die Bindung und den Transport der Kaliumionen zuständig ist, zeigt Ähnlichkeiten mit Proteinen der KcsA Kalium-Kanal Klasse auf. Es wurde gezeigt, dass der KdpFABC Komplex, analog zu anderen P-Typ ATPasen, einen Reaktionszyklus, den sogenannten Post-Albert Zyklus, hat, der mit großen Konformationsveränderungen verbunden ist. Das wichtigste Merkmal dabei ist, dass die Ionenpumpe zwischen zwei unterschiedlichen Konformationen E1 und E2 hin- und herwechselt, in denen die Ionenbindungsstellen alternierend den beiden Membranseiten zugewandt ist.


Ziel dieser Arbeit war es, die mechanistischen Aspekte des KdpFABC-vermittelten Ionen¬transports zu untersuchen, um mehr Informationen über den Mechanismus der Kopplung von energiefreisetzender ATP-Hydrolyse und energieverbrauchendem Ionentransport durch Membranen zu lernen. Um dies zu erreichen, wurde eine Fluoreszenzmethode verwendet, die auf dem potential¬empfindlichen Fluoreszenzfarbstoff RH421 basiert. Diese ermöglicht den Nachweis von Ionenbe¬wegungen in den Membrandomänen von ionentransportierenden Proteinen. Mit Hilfe dieser Methode wurde die Elektrogenizität der ionenbindenden Teilreaktionen des Pumpzyklus von detergenssolubilisierten KdpFABC-Präparationen untersucht. Nachdem ein für die Funktion des Proteins geeigneten Detergens gefunden worden war, wurden die Bindungsaffinitäten für Kaliumionen und Protonen in beiden Konformationen E1 und E2-P bestimmt. Weitere Untersuchungen zur Wechselwirkung von Kaliumionen und Protonen ergaben eine wechselseitige Inhibition. Die Bindung von Kaliumionen und Protonen ist elektrogen. Um die Beziehung von Transport und Enzymaktivität zu bestimmen, wurde die Abhängigkeit der ATP-Hydrolyse von der Protonenkonzentration gemessen. Auch in der Abwesenheit von Kaliumionen konnte eine geringe ATPase-Aktivität in der Gegenwart von Natriumionen und Protonen beobachtet werden, was eine frühere Annahme stützt, dass Natriumionen und Protonen als Kongenere der Kaliumionen wirken. Weitere Kaliumtitrationen wurden durchgeführt, um den Einfluss der Magnesiumkonzentration im Elektrolyt zu untersuchen. Die Abnahme der positiven Nettoladung der Membrandomäne mit steigender Magnesiumkonzentration wurde dem Gouy-Chapman-Effekt zugewiesen.


Der zweite Satz von Experimenten wurde mit Präparationen durchgeführt, bei denen der KdpFABC-Komplex in Lipidvesikeln mit E. coli-Lipiden rekonstituiert wurde. Dabei wurde die Fluoreszenzfarbstoff DiSC3(V) verwendet, der als Indikator des Membranpotentials die Ermittlung der elektrogenen Pumpaktivität ermöglicht. Der ATP-getriebene Kaliumtransport durch die Vesikelmembran wurde mit inside-out orientierten KdpFABC-Pumpen durchgeführt und bewies die Elektrogenizität der Pumpfunktion. Es wurde bestätigt, dass Kaliumionen aus den Vesikeln heraustransportiert wurden. Experimente, die in Abwesenheit von Kaliumionen durchgeführt wurden, ergaben eine unerwartete Protonentranslokation, die in Gegenrichtung zu dem etablierten Kaliumtransport steht, jedoch mit einer signifikant geringeren Pumprate. Der DiSC3(V)-Farbstoff wurde auch dazu verwendet, die Effekte verschiedener Ionen wie Protonen, Magnesium- und Kaliumionen auf die Pumpaktivität zu untersuchen. Hemmmechanismen von ADP, anorganischem Phosphat und ortho-Vanadat wurden untersucht und mit publizierten Ergebnissen der Na+, K+-ATPase verglichen. Experimente zur Temperaturabhängigkeit der ATPase- und Pumpaktivität wurden für die Ermittlung der jeweiligen Aktivierungsenergien verwendet.


Zeitaufgelöste Experimente mit dem Detergens-solubilisierten KdpFABC-Komplex wurden dazu verwendet, um die Kinetik der beteiligten Prozesse in Anwesen¬heit von verschiedenen Protonen-, ATP- und Kaliumionen-Konzentrationen zu analysieren. Die erhaltenen Ergebnisse stützen die Annahme, dass die Kaliumbindung erst nach der Phosphorylie¬rung und dem Konformationsübergang in den P-E2-Zustand geschieht. Daher ist der Kalium¬transport dem Halbzyklus mit der Dephosphorylierung zuzuordnen.


Drei mögliche Pump-Zyklen, die sich von dem allgemeinen Post-Albers Schema der P-Typ ATPasen ableiten lassen, wurden vorgeschlagen und diskutiert. Dies erlaubte, die möglichen Pump-Zyklen mit Hilfe der vorgelegten experimentellen Daten einzuschränken. Um jedoch einen eindeutigen Pumpzyklus für den KdpFABC-Komplex zu erhalten, müssen noch weitere und detailliertere Untersuchungen durchgeführt werden. Insbesondere kann Information aus einer hochaufgelösten Struktur eine definitive Zuordnung der Ionenbindungsstellen und deren Besetzung ermöglichen.

Fachgebiet (DDC)
500 Naturwissenschaften

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ISO 690DAMNJANOVIC, Bojana, 2013. Mechanistic analysis of the pump cycle of the P-type ATPase KdpFABC [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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December 17, 2013
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