Dit jaar delen Peter Agre en Roderick MacKinnon de Nobelprijs voor de scheikunde. Agre krijgt de prijs voor het ontdekken en ophelderen van de structuur van waterkanalen in celmembranen. MacKinnon heeft als eerste de structuur en het schakelmechanisme van een kaliumkanaal in zo’n membraan beschreven
Membraaneiwitten bevinden zich in de lipide bilaag die de cel afsluit van de buitenwereld. Ze zorgen voor de uitwisseling van ionen, water en zelfs eiwitten met het omringende medium. Een op de drie genen in de mens codeert voor een membraaneiwit. Voor alle organismen is er een recht evenredig verband tussen de lengte van hun DNA en het percentage eiwitten dat voor membraaneiwitten codeert. Het idee is dat hoe ingewikkelder het diertje is, hoe meer verschillende compartimenten er nodig zijn, en hoe meer die onderling moeten kunnen communiceren.
Aquaporine
Professor Ben de Kruijff is hoogleraar biomembranen in Utrecht en goed bekend met beide Nobelprijswinnaars en hun werk.
“Het was al heel lang bekend dat, hoewel het membraan van binnen eigenlijk een laagje olie is, water er heel makkelijk doorheen gaat. Maar omdat het watertransport vanzelf ging maakte niemand zich daar veel zorgen om. Vijfentwintig jaar geleden was de opvallende waarneming dat als je kwik toevoegde aan rode bloedcellen, het watertransport gehinderd werd. Bij toevoeging van kwik aan een niet-biologische lipide dubbellaag veranderde er niks. Dat was een aanwijzing dat eiwitten een rol moesten spelen bij het watertransport. Daarbij kwam dat de activeringsenergie om een watermolecuul door de bilaag te krijgen lager was in het biologische systeem.”
De Amerikaan Peter Agre (54) van de John Hopkins universiteit isoleerde in 1988 een eiwit, CHIP28, uit het membraan van rode bloedcellen van 28kDa. Agre bewees in de jaren daarna dat CHIP28, inmiddels omgedoopt tot aquaporine 1, een waterkanaal was. Aquaporine is geen waterpomp maar een echt kanaal dat echter wel open en dicht kan. De mens alleen al heeft elf verschillende aquaporine-eiwitten. De bekende modelplant de zandraket heeft maar liefst vijfendertig verschillende waterkanalen. Overal in de natuur waar de druk gereguleerd moet worden of waar cellen in veelvuldig contact met water zijn, zoals in de nieren of de wortels van planten vindt je veel waterkanalen. Het bijzondere van de waterkanalen is dat deze geen protonen mogen doorlaten. Het blijkt dat er één streng watermoleculen door het waterkanaal loopt. In het midden is een vernauwing waar een watermolecuul moet omklappen. Het tegengestelde dipoolmoment voorkomt dat protonen door het kanaal kunnen hoppen terwijl watermoleculen er met tot 109 moleculen per seconde doorheen fietsen. Het niet-functioneren van de waterkanalen is dan ook geassocieerd met allerlei ziektebeelden als suikerziekte en hartkwalen.
Peter Agre heeft na het winnen van de Nobelprijs gezegd dat hij zijn deel van de 1,3 miljoen dollar gedeeltelijk wil besteden aan het helpen van wetenschappers in nood. Ook liet hij zich kritisch uit over de beperkingen die wetenschappers ondervinden als gevolg van de maatregelen die de Amerikaanse overheid neemt om terrorisme te bestrijden.
Ionkanalen.
Roderick MacKinnon (47) heeft de Nobelprijs gekregen voor zijn werk aan kaliumkanalen. Op de vraag waarom je weinig hoort over kanalen voor negatief geladen ionen antwoordt De Kruijff: “Omdat we daar de structuur nog niet goed van kennen. Ze zijn wel ontzettend belangrijk. Denk aan de rode bloedcellen, waar bij ademhaling CO2 vrijkomt dat carbonaat geeft dat de cel ruilt tegen chloride-ionen. Opvallend genoeg heeft MacKinnon ook als eerste de structuur van een chloridekanaal bepaald. Deze was strijdig met alle dogma’s die we hebben over de opbouw van een membraaneiwit. Maar daar heeft hij niet de Nobelprijs voor gekregen.”
Veel mensen werkten begin jaren negentig aan eukaryotische kaliumkanalen. “Maar die zijn ontzettend ingewikkeld”, aldus de Kruijff.
“Alle cellen hebben binnenin een hoge kaliumconcentratie terwijl buiten de cel de concentratie veel lager is. Er moet dus continu kalium naar binnen gepompt worden. Soms moet echter tijdelijk de kaliumconcentratie snel naar beneden. Daar zijn de kaliumkanalen voor, maar die moeten wel van een goede schakelaar voorzien zijn. MacKinnon heeft zowel de structuur als het schakelmechanisme opgehelderd. In dit geval is dat spanning; bij een te hoge spanning sluit het kanaal. Zonder de opheldering van het schakelmechanisme denk ik niet dat MacKinnon de Nobelprijs had gekregen.”
In 1995 ontdekte Hilgund Schrempf uit Osnabrück stomtoevallig een kaliumkanaal in een in de aarde levende bacterie, Streptomyces Lividans. Dit kaliumkanaal is relatief eenvoudig. Inmiddels is gebleken dat de structuur hiervan de basis vormt voor de eukaryotische kaliumkanalen. MacKinnon was als biofysicus net werkzaam aan de Rockefeller universiteit en wist nog nauwelijks iets van structuuropheldering met röntgenstraling. Hij is er meteen bovenop gesprongen. Het lukte hem kristallen te krijgen zodat hij in 1998 als eerste de structuur van een prokaryotisch kaliumkanaal kon publiceren. Dat haalde de voorkant van Science”, vertelt De Kruijff.
“De structuur van het kanaal is heel inzichtelijk. Het eiwit bestaat uit een tetrameer van elk twee hydrofobe helices. Eén daarvan staat in contact met de vetstaarten in de bilaag maar de andere zorgt ervoor dat de watermoleculen in het kanaal niet aan de wand plakken. De specificiteit wordt ook heel mooi geregeld. In het begin van het kanaal zitten groepen (carbonylen en tryptofanen vooral) die de hydratatie van het water overnemen. Hier past alleen kalium in. Door met antilichamen te werken die specifiek binden aan de afsluitklep van het kanaal kon MacKinnon aantonen hoe het kanaal opent en sluit bij veranderende spanning. Een ander opvallend chemisch detail is dat lipiden een essentieel onderdeel van het kanaal vormen. Ze fungeren als een soort vouwingsfactor, lijkt het.”
“Het grappige is dat MacKinnon in een vakantiehuisje in Cape Cod zat toen zijn secretaresse belde met de mededeling dat hij de Nobelprijs had gewonnen” vertelt De Kruijff. “Hij vertrouwde het niet en zocht bevestiging dus zocht hij op internet met Google maar kon in de gauwigheid niks vinden. MacKinnon was pas overtuigd toen een tweede telefoontje van de universiteit kwam.”
MacKinnon komt hoogstwaarschijnlijk in maart 2004 naar Utrecht. Vóór zijn Nobelprijs was in Utrecht al besloten om hem de Bijvoet-medaille te geven. “Het bijzondere aan MacKinnon is dat hij zowel veel weet van structuuropheldering, als dat hij heel geïnteresseerd is in het systeem zelf, de achterliggende functie en biologie. Daarnaast stelt hij het probleem centraal en leert zichzelf die technieken die nodig zijn om tot een oplossing te komen. Daarbij is MacKinnon razendsnel.”
Anesthetica
De Kruijff verwacht niet dat met drie Nobelprijzen voor membraaneiwitten de koek op is. “Het zijn zulke fascinerende structuren waarvan we er slechts twintig kennen. Het is nog niet gepubliceerd maar Tom Rapoport van Harvard Medical School heeft recentelijk de structuur opgehelderd van een kanaal dat hele eiwitten selectief doorlaat. Deze eiwittranslocator kan ook eiwitten in het membraan plaatsen!
In de groep van De Kruijff richt men zich nu op de vorming van kaliumkanalen en de werking van anesthetica. Hoewel niemand nog weet hoe deze precies werken is het idee toch dat deze ingrijpen op de werking van ionkanalen. Een overmaat anesthetica bijvoorbeeld zorgt zelfs voor een complete desintegratie van het kaliumkanaal. “Je hebt ook de vreemde observatie dat als je een bak met kikkervisjes neemt en daar bijvoorbeeld ether aan toevoegt alle diertjes daardoor verdoofd worden. Verhoog je de druk, dan worden ze allemaal weer wakker. Dit betekent dat de anesthetica via de lipiden werken op de kanalen. Bij hogere druk wordt het anestheticum uit het membraam weggedrukt. Wellicht ligt hier de sleutel om de werking van anesthetica te begrijpen.”
www.nobel.se/chemistry/laureates/2003/public.html
www.nobel.se/chemistry/laureates/2003/index.html
Nog geen opmerkingen