Wetenschap - 1 januari 1970

Gevouwen eiwitslinger gebruikt molecuul als klapdeurtje

Gevouwen eiwitslinger gebruikt molecuul als klapdeurtje

Gevouwen eiwitslinger gebruikt molecuul als klapdeurtje

Biochemici bestuderen werking eiwitmachientje

Het leven op aarde wordt geregeerd door oneindig veel piepkleine, in elkaar grijpende en bewegende machientjes: de enzymen, die organische stoffen afbreken en opbouwen. Promovendus Michiel Eppink nam zo'n machientje onder de loep en stelde vast waar het hulpmolecuul NADPH in het enzym zijn werk doet


Wie anno 1999 nog een nieuwe diersoort wil vinden, moet van goeden huize komen. Meer kans op succes geeft het zoeken naar een nieuw eiwit. Eiwitten zijn lange, opgevouwen slingers van bouwstenen. Een nieuw eiwit wil dan zeggen: een eiwit met een vouwing erin die nog niet eerder is gepubliceerd. Of een eiwit met bekende vouwingen, maar in onverwachte combinaties of in onverwacht grote aantallen

Toch is het vinden van een nieuw eiwit ook al niet zo makkelijk meer. Inmiddels zitten er zo'n tienduizend driedimensionale eiwitstructuren in de databank en zijn er al tientallen eiwitfamilies onderscheiden met samen zo'n dertig verschillende vouwingen. Echt nieuwe verrassingen zijn nu te verwachten in het onderzoek naar de werking van enzymen, speciale eiwitten die een bepaalde organische stof omzetten

De laatste jaren blijkt dat je enzymen kunt beschouwen als voortdurend bewegende machientjes met min of meer vaste, herkenbare machineonderdelen: de vouwingen. Sommige vouwingen zorgen voor een afgesloten holte om het substraat in om te zetten, andere vouwingen verankeren het enzym in een celmembraan en weer andere grijpen zusterenzymen vast die het omgezette substraat moeten opnemen. Enzymen krijgen daarbij vaak hulp van kleine ringvormige moleculen. Deze kunnen aan het enzym zijn gebonden of ze kunnen freelance arbeid verrichten en steeds voor korte tijd aanhaken

Promovendus Michiel Eppink van de leerstoelgroep Biochemie wilde weten hoe de machineonderdelen samenwerken in het enzym para-hydroxybenzoaat hydroxylase. Dit eiwit, geïsoleerd uit een algemeen voorkomende bodembacterie, is betrokken bij de afbraak van plantmateriaal. Het zet aan plantstoffen zoals 4-hydroxybenzoaat een extra zogeheten OH-groep. Het enzym krijgt hierbij hulp van het honingraatvormig molecuul FAD, dat stevig is gebonden aan een speciale vouwing van het enzym, de Rossman fold. En het krijgt hulp van een tweede molecuul, het NADPH. Het NADPH zit niet vast maar flitst tijdens de reactie alleen even langs om elektronen over te dragen aan FAD

Mysterie

In ons eiwit is de plaats waar het NADPH contact maakt met het FAD al twintig jaar een mysterie, vertelt Eppink. De eiwitfamilie waartoe zijn para-hydroxybenzoaat hydroxylase behoort, mist namelijk de speciale NADPH-bindende vouwing die zo kenmerkend is voor de andere eiwitfamilies die hulp krijgen van NADPH. Al sinds 1979, toen Groningse onderzoekers de driedimensionale structuur van het enzym publiceerden, wordt naar de plaats van NADPH in het enzym gezocht

Eppink begon met het veranderen van de aminozuren, de bouwstenen van eiwitten. In het eiwitgebied waar hij dacht dat NADPH contact zou kunnen maken met FAD, veranderde hij steeds een paar aminozuren. Vervolgens berekende hij de driedimensionale structuur van het veranderde enzym, en bepaalde hij hoe snel het nog reageert met substraat, met zuurstof, met FAD en met NADPH. Het intensieve onderzoek leverde een antwoord op: NADPH bleek onder het actieve centrum contact te maken met het eiwit

Directe toepassing van deze vondst voor de industrie is er niet, maar de promovendus stootte wel op een verrassing. Als hij de vijf aminozuren veranderde die essentieel zijn om NADPH te herkennen, reageerde het enzym weliswaar niet meer met NADPH, maar wel met het verwante hulpmolecuul NADH. Dit zou interessant kunnen zijn voor de industrie, zegt co-promotor Willem van Berkel. Als ze ons enzym zouden willen gebruiken om bijvoorbeeld gifstoffen om te zetten of antibiotica te maken, kunnen ze het enzym zo veranderen dat het NADH gebruikt; NADH is tien keer goedkoper dan NADPH. Maar de groep heeft op de verandering van de aminozuren geen patent aangevraagd. Een toepassing acht ze te ver weg omdat het gebruik van haar enzym vooralsnog veel te duur voor de industrie is

Poortje

De vondst van Eppink past in het plaatje waar de onderzoeksgroep van Van Berkel in 1994 wetenschappelijk mee scoorde. De opgehelderde kristalstructuur had geleerd dat het actieve centrum in het enzym - dit is de afgeschermde holte waarbinnen de plantstof wordt omgezet - te klein moest zijn voor en de om te zetten stof en de twee hulpmoleculen. Veel andere eiwitten lossen dit probleem op door zelf, met hun eigen loops, de holte op het juiste moment even groter te maken. Maar para-hydroxybenzoaat hydroxylase doet het op een subtielere manier. De FAD-ring beweegt als een poortje heen en weer, vertelt Van Berkel. Als de FAD-ring naar buiten klapt, kan het substraat naar binnen. Dan komt de NADPH-ring eraan om elektronen over te dragen aan de FAD-ring. De gereduceerde FAD-ring klapt naar binnen en reageert daar met zuurstof en substraat. Vervolgens klapt het FAD weer naar buiten en vliegt het product uit de holte.

Twee maanden nadat de Wageningers in Biochemistry het vermoeden publiceerden dat de onbeweeglijk geachte FAD-ring zich als een klapdeurtje gedraagt, publiceerde hun enige concurrent op dit gebied dezelfde hypothese in Science. Nu, vijf jaar later, zijn er geen concurrenten meer. Van Berkel: We bestuderen inmiddels zo'n detail van het enzym dat we beter kunnen samenwerken. Dit zijn toch geen vragen die een normaal mens zich stelt.

Re:ageer