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Potentials of Mean Force and Permeabilities for Carbon Dioxide, Ammonia, and Water Flux across a Rhesus Protein Channel and Lipid Membranes

化学 二氧化碳 焊剂(冶金) 生物物理学 化学物理 色谱法 化学工程 环境化学 生物化学 有机化学 工程类 生物
作者
Jochen S. Hub,Fritz K. Winkler,Mike Merrick,Bert L. de Groot
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:132 (38): 13251-13263 被引量:87
标识
DOI:10.1021/ja102133x
摘要

As a member of the ubiquitous ammonium transporter/methylamine permease/Rhesus (Amt/MEP/Rh) family of membrane protein channels, the 50 kDa Rhesus channel (Rh50) has been implicated in ammonia (NH(3)) and, more recently, also in carbon dioxide (CO(2)) transport. Here we present molecular dynamics simulations of spontaneous full permeation events of ammonia and carbon dioxide across Rh50 from Nitrosomonas europaea. The simulations show that Rh50 is functional in its crystallographic conformation, without the requirement for a major conformational change or the action of a protein partner. To assess the physiological relevance of NH(3) and CO(2) permeation across Rh50, we have computed potentials of mean force (PMFs) and permeabilities for NH(3) and CO(2) flux across Rh50 and compare them to permeation through a wide range of lipid membranes, either composed of pure lipids or composed of lipids plus an increasing cholesterol content. According to the PMFs, Rh50 is expected to enhance NH(3) flux across dense membranes, such as membranes with a substantial cholesterol content. Although cholesterol reduces the intrinsic CO(2) permeability of lipid membranes, the CO(2) permeabilities of all membranes studied here are too high to allow significant Rh50-mediated CO(2) flux. The increased barrier in the PMF for water permeation across Rh50 shows that Rh50 discriminates 40-fold between water and NH(3). Thus, Rh50 channels complement aquaporins, allowing the cell to regulate water and NH(3) flux independently. The PMFs for methylamine and NH(3) are virtually identical, suggesting that methylamine provides an excellent model for NH(3) in functional experiments.

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