Wageningen Universiteit en Researchcentrum

Onderzoekers ontdekken moleculaire poortwachter in enzym

12 feb 2009

Onderdeel: Wageningen Universiteit
Nummer: P009

Onderzoekers van Wageningen Universiteit hebben met collega's van de Rijksuniversiteit Groningen en de Universiteit van Pavia (I) het mechanisme ontrafeld dat een rol speelt bij de natuurlijke aanmaak van vitamine C. Daarin verspert een moleculaire poortwachter de toegang tot het reactiecentrum van een cruciaal enzym. Het artikel waarin het team zijn vondst meldt is door het Journal of Biological Chemistry uitgeroepen tot Paper of the Week, een eer die slechts één op de honderd artikelen ten deel valt.

De biologische aanmaak van vitamine C in planten, schimmels en veel dieren is een ingewikkeld proces waarbij enzymen zijn betrokken. Een grote groep van deze reactieversnellers hebben zuurstof nodig om goed te kunnen functioneren. In planten vervult een vervangende stof, cytochroom C, de functie van zuurstof. Cytochroom C of zuurstof zorgt ervoor dat in het actiecentrum van het enzym de hulpstof flavine na reactie weer in de oorspronkelijke staat wordt teruggebracht. Door die opknapbeurt is het enzym klaar voor een nieuwe reactie.

Het onderzoeksteam vroeg zich af waarom de ene groep enzymen met zuurstof reageert en de andere, nauw verwante groep niet. Hoe bereikt die zuurstof het centrum van het enzym dat bestaat uit zo'n vijfhonderd aaneengeschakelde bouwstenen, aminozuren, van verschillende grootte en vorm. Die reeks bouwstenen zijn als het ware opgefrommeld tot een kluitje met daartussen 'gaten, spelonken en tunnels'. Zuurstof moet daar doorheen zien te sijpelen of zich een weg banen door de kluwen van aminozuren om tot het verscholen flavine in het centrum door te dringen.

Stel, zo zeiden de onderzoekers, dat zuurstof bij sommige enzymen via tunnels en gaten het centrum van het enzym kan bereiken, dan moet je de route aan de hand van de structuur kunnen ontdekken. Helaas was er geen kristalstructuur van het onderhavige enzym voorhanden. Er was echter nog een mogelijkheid. Door alle individuele bouwstenen van de enzymen die wel met zuurstof reageren en de enzymen die niet met zuurstof reageren naast elkaar te leggen zouden de verschillen duidelijk moeten worden.

De vergelijking van beide analyses bracht een subtiel verschil aan het licht. Slechts één bouwsteen, nummer 113, op het eind van een mogelijke route bleek iets te verschillen. Het betreft het aminozuur alanine. Wanneer alanine op die plek werd vervangen door de kleinere bouwsteen glycine bleek het enzym plotseling zuurstofdoorlatend. En niet een beetje. Het verschil is zo groot alsof er een dam breekt: een factor vierhonderd.

Hoe is het mogelijk dat één bouwsteen in een constructie van vijfhonderd stenen zoveel effect sorteert? De onderzoekers hangen de tunneltheorie aan: de bouwsteen alanine heeft vier verschillende uitstulpingen, glycine één minder. De extra uitstulping bij alanine, een zgn. methylgroep, blokkeert de tunnel en belet zo dat zuurstof tot het centrum kan doordringen. Alanine op die locatie werkt als een poortwachter en die houdt de deur stevig dicht.

Maar waarom staat die poort niet gewoon open? Kennelijk biedt het voordelen om een strenge poortwachter te hebben. Het blijkt dat bij de reactie met zuurstof het agressieve stofje waterstofperoxide ('bleekwater') ontstaat, dat veroudering van cellen versnelt en daar is een plant, die heel veel vitamine C maakt, niet mee gediend.

De weg is nu vrij om op natuurlijke wijze vitamine C te bereiden. Maar de chemische route bestaat al, is goedkoop en levert een identiek product op. Het ontrafelde mechanisme is echter ook van toepassing op vergelijkbare biochemische reacties, bijvoorbeeld voor de bereiding van vanille. Daarnaast kan het ontrafelde proces een stap voorwaarts betekenen in de synthetische biologie waarbij op natuurlijke wijze producten kunnen worden gemaakt die niet of nauwelijks in de natuur voorkomen.

Foto: Impressie van de driedimensionale structuur van het enzym (oranje). De poortwachter (blauw) kwam tevoorschijn door de volgorde van de bouwstenen van het enzym te vergelijken (achtergrond).