Wanordelijke eiwitten

biochemie

Het staat in alle biochemieleerboeken: een eiwit werkt pas als het een vaste vorm heeft. Maar het is niet waar. Een derde van alle eiwitten heeft geen vaste vorm en werkt uitstekend.

Huup Dassen

Een dogma in de biochemie is omgevallen. Eiwitten, allemaal opgebouwd uit ketens aminozuren, moesten een vaste driedimensionale structuur hebben om te kunnen werken. Inmiddels is duidelijk dat het dogma ontstond door een selectieve blik. Er bestonden alleen technieken om eiwitten met zo’n vaste vorm te onderzoeken. De afgelopen 15 jaar kwamen er nieuwe technieken. Nu blijkt dat een derde van alle eiwitten helemaal geen vaste structuur heeft. De leerboeken worden herschreven.

Afbeeldingen van de driedimensionale structuur van eiwitten roepen altijd verwondering op. Op die plaatjes bestaan eiwitten uit ketens aminozuurketens die zijn opgevouwen en gewonden tot grillige structuren, waarin op het eerste gezicht alleen de kokervormige helices opvallen. Geen vorm lijkt op voorhand uitgesloten.

Die vormen zijn bekend door metingen van de verstrooiing van röntgenstralen aan eiwitkristallen (röntgenkristallografie), uit NMR-spectra of van beelden van speciale microscopen.

Lang is gedacht dat alle eiwitten zulke structuren hadden. En dat een eiwit dat zijn vaste structuur verliest snel wordt afgebroken door eiwitsplitsende enzymen (wat ook weer eiwitten zijn). Maar de afgelopen jaren werd duidelijk dat er eiwitten zijn waarvan slechts een deel van de keten een vaste structuur heeft. Andere hebben soms een vaste structuur en weer andere nooit. En toch functioneren ze normaal.

Eiwitten werken vaak als enzym. Dat wil zeggen dat ze katalysator zijn van de duizenden biochemische reacties die in de cel verlopen. Eiwitten kunnen ook bouwsteen voor weefsels zijn. Of ‘receptor’. Dan binden er signaalstoffen aan, waarna het eiwit binnen de cel een signaal doorgeeft. Of ze transporteren stoffen de cel in en uit.

Eiwitchemici kunnen aan de hand van de aminozuursamenstelling en kennis over de structuur ‘zien’ wat een eiwit in de cel doet. Niet heel precies, maar bij benadering. Als de precieze driedimensionale structuur bekend is (van een klein deel van alle eiwitten) dan kunnen ze zien hoe en waar andere moleculen aan het eiwit binden en waarom bijvoorbeeld natriumkanalen alleen natriumionen doorlaten. Bij eiwitten die geen vaste ruimtelijke structuur hebben is dat onmogelijk. Er is veel aan gerekend, maar aan de hand van alleen de aminozuurketen is nog steeds niet vast te stellen wat de ruimtelijke structuur is.

Driedimensionale structuur

Het idee dat eiwitten een vaste driedimensionale structuur hebben is al in 1894 geopperd door de Duitse chemicus Emil Fischer. Fischer wist dat eiwitten als enzym kunnen werken. En dat ze maar één reactie katalyseren. Ze binden één ander molecuul en zetten dat om in een andere stof. Fischer kon dat alleen verklaren door aan te nemen dat het molecuul als een sleutel op een slot past. En dat een eiwit, zoals een slot, een vaste structuur moest hebben.

Een halve eeuw later lieten röntgenkristallografen de eerste eiwitstructuren zien. Ieder eiwit had zijn eigen, unieke structuur. Ze leken Fischers idee alleen maar te bevestigen.

En daar ging het mis, want de röntgenkristallografen hadden een selectieve blik. Niet zo vreemd, vindt dr. Frans Mulder, leider van de NMR-groep van het Groninger Instituut voor Biomoleculaire Wetenschappen en Biotechnologie, want voor röntgenkristallografie is een kristal nodig. En de meeste eiwitten kristalleren moeilijk. Mulder: “Bij veel eiwitten is het nooit gelukt. Nu blijkt dat de eiwitten die het best kristalliseren die met een vaste ruimtelijke structuur zijn.” Daardoor konden onderzoekers die zich met eiwitstructuren bezighouden decennialang een hele categorie eiwitten over het hoofd zien: dat waren de eiwitten zonder vaste structuur.

Het dogma van de vaste structuur ging wankelen toen de eiwitkristallografen zagen dat bij sommige eiwitten maar een deel van het molecuul scherp in beeld kwam en de rest nooit. Pas in de jaren negentig lieten onderzoekers met NMR-spectroscopie dat er eiwitten zijn die gedeeltelijk een vaste vorm hebben (die kristalliseert) maar dat een deel van de aminozuurketen als een wapperende staart in oplossing is. Mulder: “Voor structuurbepaling met NMR heb je namelijk geen eiwitkristallen nodig. De eiwitten kunnen gewoon in oplossing blijven.”

Wanordelijke structuur

Het was Richard Kriwacki van het Scripps Research Institute in La Jolla die voor het eerst de wanordelijke structuur van een heel eiwit liet zien. In 1996 maakte hij NMR-spectra van het eiwit p21. Het eiwit speelt een centrale rol bij de regulatie van de celdeling en een foutje in het eiwit is vaak mede de oorzaak van het ontstaan van kanker. Uit de NMR-spectra leidde Kriwacki af dat de aminozuren weliswaar keurig in een keten aan elkaar blijven zitten, maar verder vrij door de oplossing bewegen. Niettemin doet p21 zijn werk.

Het leek er dus op dat een vaste driedimensionale structuur helemaal niet essentieel is. Sterker nog, dat sommige eiwitten intrinsiek wanordelijk zijn.

Sindsdien is van honderden eiwitten vast komen te staan dat ze op de een of andere manier wanordelijk zijn. Inmiddels onderscheiden de eiwitkenners gradaties van wanorde. Het eiwit p53 bijvoorbeeld is een belangrijke tumorsuppressor. In cellen waarin het DNA beschadigd is, zet het een rem op de celdeling. Als dat niet helpt zorgt het ervoor dat de cellen zichzelf vernietigen (in apoptose gaan). Inmiddels is gebleken dat een deel van de p53-keten een vaste structuur heeft, maar dat de keten daarnaast een aantal wanordelijke segmenten kent, die passen bij de verschillende functies van dit eiwit.

Andere eiwitten zijn slechts onder bepaalde omstandigheden wanordelijk. Mulder: “Eiwitten die ionen kunnen binden zijn bijvoorbeeld vaak behoorlijk wanordelijk als die ionen in het medium ontbreken. Voegen we ze toe, dan verandert dat meteen.”

Kriwacki en Keith Dunker, een andere pionier op dit gebied, denken dat er een verband bestaat tussen de mate van gestructureerdheid van een eiwit en zijn functie. Eiwitten met een meer rigide structuur zouden vooral een structurele functie hebben, of als enzym werken. Flexibele eiwitten zijn in hun ogen bij uitstek geschikt als regulatoren van celprocessen, en om in te spelen op externe invloeden. Een zekere flexibiliteit in de structuur zou ze dan juist beter in staat stellen om hun functies te vervullen.

Sommige eiwitten mogen dan flexibele structuren hebben, maar een eiwit dat een vaste vorm moet hebben, moet daar niet te veel van afwijken. De ziekten van Alzheimer, Parkinson, Huntington en ook de gekkekoeienziekte ontstaan wanneer verkeerd gevouwen eiwitten samenklonteren en plaques vormen die het functioneren van zenuwcellen verstoren. Cellen beschikken zelfs over een soort kwaliteitscontrolesysteem dat verkeerd gevouwen eiwitten opspoort en desnoods afbreekt. Plaques ontstaan pas als dit systeem de problemen niet meer aankan.

De groep van Mulder onderzoekt onder andere het verschil tussen ‘toegestane’ en ‘verboden’ ruimtelijke structuren. “Wij gaan ervan uit dat de ketens van eiwitten die de neiging hebben om samen te klonteren bepaalde stukken bevatten die als kiem kunnen functioneren. Ongeveer zoals je een kern van plaksneeuw nodig hebt om een sneeuwpop te kunnen bouwen. Iets wat met stuifsneeuw niet lukt. Dergelijke kiemen zouden dan in van nature ongevouwen of variabel gevouwen eiwitten niet voorkomen of op de een of andere manier afgeschermd worden.”