Negentig procent van alle geneesmiddelen wordt afgebroken door
één type enzym: de cytochroom P450 enzymen. Maar het is nog een
raadsel hoe geneesmiddelen in dat enzym terechtkomen. De holte
waarin reacties plaatsvinden zit diep in het enzym, maar
niemand heeft nog een opening kunnen vinden waardoor stoffen
erin of eruit kunnen. Peter Keizers gaat met een Veni-subsidie
uitzoeken hoe de plaats van actie wordt bereikt.
Afbeelding
Peter Keizers: `Het zou natuurlijk het allerleukste zijn als je
de hele omzetting kunt volgen, bijvoorbeeld in een
reageerbuis.'
Warme belangstelling
P450's zijn veelzijdige enzymen: ze breken niet alleen
medicijnen en andere vreemde stoffen af, maar helpen ook
cholesterol, geslachtshormonen en galzuren vormen. Ze hebben de
warme belangstelling van de farmaceutische industrie. Wie een
medicijn op de markt brengt wil immers dat het een bepaalde
tijd in het menselijk lichaam aanwezig is. P450 breekt de
meeste medicijnen af, zodat je ze via de urine kwijt kunt
raken. Als je dat proces kunt beïnvloeden kun je misschien ook
de werkzaamheid van een medicijn beïnvloeden.
Geen ingang
De kristalstructuur van P450s is bekend, maar daarin is geen
ingang te zien waardoor stoffen naar binnen kunnen. Hoe bereikt
een geneesmiddel of andere stof dan de plaats van actie: de
holte in het enzym waar de reactie plaatsvindt?
Afbeelding: In de kristalstructuur van P450 is geen gat te zien
waardoor een geneesmiddel naar binnen kan.
Spectroscopie
Tot nog toe zijn P450's vooral bestudeerd door te bepalen welke
stoffen erin worden omgezet, en waarin die stoffen worden
omgezet. Bijvoorbeeld door aan een reageerbuisje met
rattenlevercellen een medicijn toe te voegen en met
massaspectroscopie te kijken wat voor moleculen dan
geproduceerd worden. Maar die studies zeggen niet veel over hoe
die omzetting gebeurt. Ook is een gedeelte van het enzym, de
ijzerhoudende haemgroep plus directe omgeving, bestudeerd met
spectroscopie, juist omdat die haemgroep gemakkelijk te zien is
door het ijzeratoom. De haemgroep is ook een interessant deel,
omdat daar de omzettingen plaats moeten vinden - maar het enzym
is veel groter dan de haemgroep, en men vermoedt dat de rest
van het enzym ook een belangrijke rol kan spelen bij
interacties tussen geneesmiddelen of het bepalen welke stoffen
wel of niet worden omgezet. Maar die delen zijn juist niet
bestudeerd omdat ze zo moeilijk te meten zijn.
Rondtollen
Veni-winnaar Keizers kiest voor een andere aanpak: hij gaat
naar het begin van de enzymreactie kijken met behulp van
paramagnetische NMR. Paramagnetische NMR werkt net als gewone
NMR, je meet het rondtollen van atoomkernen in een magneetveld,
maar je zet een paramagnetisch atoom in de buurt van het
molecuul of eiwit dat je wilt meten. Een paramagnetisch atoom
produceert een relatief sterk eigen magneetveldje als het in
een groter magneetveld (zoals dat van het NMR-apparaat) wordt
gestopt, waardoor de atomen in de buurt andere signalen
afgeven. Door de signalen vóór de toevoeging van het
paramagnetisch atoom te vergelijken met de signalen daarna, kun
je zien waar de atomen zich bevinden ten opzichte van het
paramagnetisch atoom.
Afbeelding: Als de kooi met het metaalion wordt vastgezet aan
het enzym, beïnvloedt het magneetveld een deel van het eiwit.
Signalen
Keizers: `Dat wil zeggen dat we een speciaal atoom of ion op
het enzym plakken, dat de signalen van alle atomen in de buurt
daarvan verschuift. Die signalen vangen we op. We willen dit
vooral doen met lanthaniden, dat zijn zeldzame metalen zoals
europium en gadolinium. Hoe dichter bij het lanthanide, hoe
sterker de signalen van een atoom. Zo kun je een nauwkeuriger
beeld krijgen van de structuur van het eiwit, en bovendien kun
je volgen wat er gebeurt als er een molecuul in het P450 enzym
wordt opgenomen.'
Kooien
Keizers heeft al complexen gemaakt, kooien genoemd, waarin hij
die metalen vastzet. `De volgende stap is dat we het enzym
muteren op de plaatsen die we willen bestuderen, zodat er
speciale reactieve aminozuren op die plek op het oppervlak
komen, waaraan de kooi gekoppeld kan worden. Omdat een
lanthanide niet het hele eiwit goed kan `scannen' zullen we
verschillende experimenten doen waarbij we het complex op
verschillende plaatsen op het eiwitoppervlak aanbrengen, zodat
we een totaalbeeld krijgen.'
Pad
Een tweede methode die Keizers wil gaan toepassen is het volgen
van het medicijn zelf, door het eveneens paramagnetisch te
maken. `Dat kan helaas niet met diezelfde lanthaniden, omdat
het metaalion met kooi waarschijnlijk zo groot is dat het
medicijn niet meer in de holte kan komen. Maar wel is het
mogelijk een zogenoemd stabiel radicaal aan het medicijn vast
te maken. De signalen van de atomen van het eiwit waar die
groep langskomt op weg naar de holte worden zwakker. Zo wordt
duidelijk welk pad het medicijn heeft genomen.'
Mal
Keizers hoopt met zijn experimenten een paar kwesties op te
lossen. Allereerst zijn er veel interacties tussen
geneesmiddelen onderling, op die P450's. Een aantal daarvan zou
veroorzaakt kunnen worden doordat er naast het geneesmiddel in
de holte waar de omzetting plaatsvindt, een tweede geneesmiddel
bindt dat de omzetting van het eerste kan beïnvloeden. Maar
waar bindt dat dan? Op wat voor plaatsen kan dat? Ook worden
enzymen vaak beschouwd als een soort mal waar precies één
molecuul in past, als een sleutel in een slot; maar de
katalytische holte van P450's is erg groot, misschien omdat ze
zoveel verschillende stoffen moeten omzetten. Maar toch worden
sommige stoffen wel, en andere niet omgezet. Zou het kunnen dat
het onbekende ingangskanaal, dat het enzym kennelijk kan openen
om stoffen binnen te laten, selecteert welke stoffen wel of
niet in het katalytische holte kunnen komen om te worden
omgezet?
Hele omzetting
Er is dus voorlopig nog genoeg te doen om te achter te komen
wat er nou eigenlijk gebeurt als een medicijn of andere stof
een P450 ontmoet. Maar als het pad eenmaal is uitgestippeld,
wat wil Keizers dan doen? `Wat ik nu doe is naar het begin van
de enzymreactie kijken hoe het medicijn in de holte komt.
Vervolgens vindt er een omzetting plaats, en het zou natuurlijk
het allerleukste zijn als je de hele omzetting kunt volgen,
bijvoorbeeld in een reageerbuis.'
(14 oktober 2008/Eric-Wubbo Lameijer)
14/10/2008
Universiteit Leiden