Hoofdpagina van Kristallografie. Samenvatting
Een van de eigenschappen die moleculen behorend tot een levend organisme
met elkaar gemeenhebben is de mogelijkheid om een beschutte omgeving te scheppen
die de chaotische buitenwereld uitsluit. Die beschutting is vaak noodzakelijk
om bepaalde chemische reacties te laten plaats vinden. De schuilhut is bovendien
uitgerust met alle mogelijke gereedschap om een reactie zo snel mogelijk
te laten verlopen. Die uitrusting is vaak zo goed, dat de reacties veel specifieker,
economischer en sneller verlopen dan in de elementen die de buitenwereld
domineren: lucht, water en bodem.
Dit proefschrift handelt over een molecuul dat alcohol kan produceren en afbreken. Het maakt ook deel uit van de hormonale huishouding, want het kan steroiden zoals testosteron (de-)activeren.Bovendien is onlangs gebleken dat het mogelijk een rol speelt in de embryonale ontwikkeling, want het reguleert de productie van vitamine A.
Het molecuul mag gerust een macromolecuul genoemd worden want het bevat zo'n 5500 atomen verdeeld over twee identieke submoleculen. De meeste van deze atomen schijnen geen andere functie te hebben dan het afschermen van het reactievat. Voor de eigenlijke reactie is het macromolecuul afhankelijk van externe factoren, te weten zink en nicotinamide adenine dinucleotide (NAD). Het macromolecuul zelf wordt niet van samenstelling of vorm veranderd bij de reactie. Het functioneert als katalysator en wordt daarom een enzym genoemd.
De chemische reactie die plaatsvindt wanneer een alcohol molecuul gevangen wordt in het reactievat leidt tot de overdracht van een hydride ion (twee electronen en een proton) van het alcohol molecuul naar NAD. Daarnaast wordt een proton aan de omgeving afgedragen. De naam van het enzym komt van de populairste stof die het bewerkt en het ion dat eraan wordt onttrokken: alcohol dehydrogenase.
Het is fascinerend te bedenken dat het enzym de gerichte overdracht van
zoiets kleins als
een hydride ion kan sturen zonder dat het ion uitlekt naar de omgeving. Het
enzym is in de
cel omringd door water en dat neemt makkelijk een hydride ion op. De moleculen
die deelnemen
aan de reactie moeten dus inderdaad goed worden afgeschermd.
De mogelijkheid dat een water molecuul actief deelneemt aan de reactie
gaat dan tegen de intuitie
in. Het reactie mechanisme dat in de handboeken staat gaat er vanuit dat
al het water uit het
reactievat verdwenen is alvorens de reactie plaatsvindt. Dit idee is gebaseerd
of
kristalstructuren met een gematigd oplossend vermogen waarin het niet mogelijk
is de
individuele atomen te zien. Experimenten die andere methoden gebruiken wijzen
echter op
de aanwezigheid van een water molecuul tijdens de reactie.
In dit proefschrift worden kristalstructuren van alcohol dehydrogenase
gepresenteerd die
een zo goed oplossend vermogen hebben dat de individuele atomen zichtbaar
worden.
De structuren geven met name inzicht in de omgekeerde reactie die leidt tot
de productie van alcohol.
In een aantal van deze structuren is een water molecuul in het reactievat
aangetroffen.
Het water molecuul was niet zichtbaar in de vorige structuren omdat het een
minder goed gelocaliseerde
positie heeft. Het beweegt tussen het NAD en het alcohol molecuul.
De gedetailleerde kristalstructuren maakten het mogelijk een quantum chemische
berekening
op te zetten waarmee de rol van het water molecuul in het reactie mechanisme
kon worden vastgesteld.
Het blijkt dat het water molecuul niet direct bij de overdracht van het hydride
ion is betrokken.
Door de binding aan een zink ion wordt de ladingsverdeling in het NAD molecuul
beinvloedt. Deze
polarisatie leidt ertoe dat het NAD molecuul wordt geactiveerd en zodoende
het hydride ion
overdraagt. Het enzym kan de reactie controleren door de geprotoneerde staat
van het water
molecuul te beinvloeden. Het wordt niet helemaal duidelijk hoe het enzym
dit doet. De hoop is
dat nadere experimenten en theoretische berekeningen de precieze toedracht
kunnen
bepalen.
Het overdragen van een hydride ion leidt in feite tot energieoverdracht.
Het NAD molecuul wordt veel gebruikt in de cel om energie over te dragen
omdat het op
zich heel stabiel is. Er zijn een groot aantal
enzymen die zo'n overdracht verzorgen. Het mechanisme waarmee zo'n enzym
het NAD molecuul
dwingt tot afgave van een hydride ion is vaak onderbelicht. Er wordt meestal
alleen gekeken hoe
het NAD molecuul een hydride kan opnemen.
Het activeringsmechanisme dat in dit proefschrift wordt gepresenteerd kan
hopelijk leiden tot
een herwaardering van de enzymatische activering van NAD in het algemeen.
Het lijkt erop dat een eenvoudige regel for hydride overdracht kan worden
opgesteld die luidt als
volgt: \emph{hydride overdracht vereist dat de hydride donor wordt gepolariseerd.}
Als NAD de hydride donor is moet het enzym in kwestie dus een mechanisme hebben
om het te
activeren.
Een van de belangrijkste redenen waarom zoveel onderzoek naar enzymen wordt
gedaan is de
wens om ooit in staat te zijn zelf moleculen in elkaar te zetten die een
specifieke
reactie uitvoeren op dezelfde effectieve manier.
Om zover te komen moeten bestaande enzymen uitvoerig worden onderzocht.
Dit proefschrift kan als voorbeeld dienen hoe een uitvoerig bestudeerd enzym
ons nog
steeds voor verrassingen kan stellen. Hoewel het al veertig jaar wordt bestudeerd
is
het nog steeds niet precies duidelijk hoe alcohol dehydrogenase functioneert.
Overzicht proefschriften kristallografie Amsterdam.
Hoofdpagina van Kristallografie.