Enzym verandert van vorm tijdens katalytische reactie

Kort & bondig

Enzymen zijn gevouwen eiwitten met een complexe driedimensionale structuur. RUG-onderzoekers hebben nu ontdekt dat enzymen van vorm veranderen tijdens het uitvoeren van chemische reacties. De onderzoekers zetten een enkel enzym vast in een heel kleine trechtervormige porie en maten vervolgens de stroom van geladen deeltjes (ionen) door de porie. Die stroom verandert met de vorm van het enzym, net zoals de luchtstroom over een auto in een windtunnel verandert als er een deur open gaat. Het onderzoek laat zien dat het onderzochte enzym vier verschillende vormen kan aannemen. Door verschillen moleculen aan zich te binden verandert de vorm, wat belangrijk is voor de werking van het enzym. Dit onderzoek kan helpen bij het ontwerpen van nieuwe enzymen, of het vinden van geneesmiddelen die de werking van specifieke enzymen remmen.

RUG-wetenschappers hebben het gedrag van één enkel enzym onderzocht met behulp van een nanoporie. Hieruit bleek dat het molecuul in vier verschillend gevouwen toestanden (conformaties) kan bestaan, die een rol hebben in het reactiemechanisme van het enzym. De resultaten zijn belangrijk voor het ontwerp van nieuwe enzymen en voor de ontwikkeling van enzymremmers. Het onderzoek is op 6 april gepubliceerd in Nature Chemistry.

Enzymen zijn eiwitten die op een specifieke manier gevouwen zijn. Hierdoor ontstaat een driedimensionale structuur, het actief centrum, een specifieke reactie versneld kan plaatsvinden. Hierbij wordt een stof (het substraat) omgezet in een ander product. De laatste jaren is gebleken dat enzymen geen stijve structuren zijn, maar dat de gevouwen eiwitten verschillende conformaties kunnen aannemen, allemaal variaties van een centrale, stabiele grondvorm.

Windtunnel

Om de overgang tussen verschillende conformaties te kunnen volgen moet je één enkel eiwitmolecuul bestuderen, en dat gedurende langere tijd. Dit is een hele uitdaging. Giovanni Maglia, assistent-hoogleraar Chemische Biologie aan de RUG, heeft trechtervormige nanoporiën ontwikkeld waarin hij eiwitten kan vangen en bestuderen. Hij meet daarvoor de ionenstroom door een porie die in een kunstmatige lipide-membraan zit, vergelijkbaar met een natuurlijke celmembraan.

Hiermee kan hij vormveranderingen van het enzym waarnemen, legt hij uit: ‘Je kunt het vergelijken met het bestuderen van een auto in een windtunnel. Als je een raam of een deur opent, verandert dat de luchtstroom om de auto heen.’ De ionenstroom door de porie reageert net zo op vormveranderingen van het enzym.

Maglia gebruikte zijn nanoporie systeem om dihydrofolaat-reductase (DHFR) te onderzoeken, een enzym dat dihydrofolaat omzet in tetrahydrofloride. ‘We hebben dit enzym uitgekozen omdat het al ruim dertig jaar gebruikt is als model voor onderzoek naar enzym-dynamiek, met allerlei verschillende technieken. Daarnaast zijn remmers van dit enzym, zoals methotrexaat, in gebruik als geneesmiddel bij de behandeling van kanker.’

Vormveranderingen

Metingen met DHFR lieten zien dat het enzym in vier verschillende conformaties kan bestaan, elk met verschillende affiniteit voor het substraat. Maglia: ‘De overgang tussen de vier vormen verloopt erg traag. Je kunt ze daarom alleen zien wanneer je langdurig één enkel enzym observeert, zoals wij deden.’

Maar wanneer Maglia methotrexaat toevoegde, dat zich bindt aan het enzym, ontstond er een snelle verandering tussen conformaties en veranderde de affiniteit van het enzym. ‘Onze conclusie is dat de reactie van het enzym met verschillende stoffen de vrije energie levert die nodig is voor de vormveranderingen’, zegt Maglia. Dat klinkt logisch, aangezien het enzym twee substraten moet binden en die – nadat de reactie heeft plaatsgevonden – allebei moet loslaten. ‘Omdat het substraat en het eindproduct sterk op elkaar lijken, moet het enzym wel een andere affiniteit krijgen om het eindproduct efficiënt los te kunnen laten.’

Toestanden

Op basis van zijn onderzoek denkt Maglia dat het enzym tussen twee toestanden schakelt: na binding van het substraat veroorzaakt de cofactor NADPH de reactie die de vorm van het enzym verandert en daardoor de affiniteit. Vervolgens bindt er een nieuw substraatmolecuul waardoor het enzym terugkeert in de uitgangspositie. ‘Dit verklaart twee van de vier conformaties die we hebben waargenomen; we weten nog niet wat de rol van de andere twee is’, geeft Maglia toe. Het is namelijk niet mogelijk informatie over de exacte structuur af te leiden uit de metingen.

Verder laat dit onderzoek zien hoe krachtig de nanoporie methode is om veranderingen in de vorm van eiwitten te bestuderen. ‘We weten nu ook dat dit eiwit vier verschillende grondvormen heeft en tussen vormen moet schakelen om te kunnen functioneren.’ Dat betekent wel een extra uitdaging voor wetenschappers die nieuwe enzymen ontwerpen. Zij moeten niet alleen een actief centrum maken, maar ook voldoende flexibiliteit inbouwen om vormveranderingen toe te laten. Maglia: ‘Dit kan verklaren waarom kunstmatige enzymen vaak niet zo efficiënt werken als natuurlijke enzymen.’ Tot slot zal het onderzoek wetenschappers helpen bij het ontwikkelen van nieuwe geneesmiddelen die de werking van DHFR remmen, door er sterker aan te binden dan methotrexaat.

Referentie: Nicole Stéphanie Galenkamp, Annemie Biesemans and Giovanni Maglia: Directional conformer exchange in dihydrofolate reductase revealed by single-molecule nanopore recordings. Nature Chemistry 6 April 2020