sod  =   superoxide dismutase = unieke anti-oxidant

home

29 april 1993, NRC Handelsblad,
Als radicalen al te vrij worden, superoxide-dismutase beschermt.

Familiair bepaald

Superoxide-dismutase beschermt het lichaam tegen de schadelijke werking van vrije zuurstofradicalen. Die ontstaan bij allerlei chemische reacties in ons lichaam. Elk zuurstofatoom of -molecuul met in de buitenste atoomschillen een ongepaard elektron is een vrije radicaal. Door dat eenzame elektron heeft zo'n molecuul een buitengewoon grote neiging om een elektron weg te trekken van een ander molecuul. Dat molecuul wordt dan weer een nieuwe radicaal. Zo kan één radicaal een hele keten van reacties opwekken.

Anti-oxidantia

Radicalen zijn dus noodzakelijk voor de afweer. Radicalen ontstaan bovendien onontkoombaar op plaatsen in het lichaam waar zuurstof wordt verbruikt, en dat is vrijwel overal waar energie wordt verbruikt. Om de schade door kettingreacties van radicalen te verhinderen gebruiken levende wezens een heel scala aan anti-oxidantia die radicalen wegvangen. Daartoe behoren vitamine C en vitamine E en verder een stof als glutathion. Er zijn ook enzymen die als anti-oxidant werken, zoals het bovengenoemde superoxide-dismutase (SOD). SOD zorgt voor de verwijdering van het superoxide-radicaal (O2 -.).

 

Wikipedia:

Superoxide dismutase is een essentieel enzym dat zuurstofradicalen in organismen 'opruimt'. De reactie die het enzym versnelt is voor zover bekend de allersnelste in de biochemie. Superoxide dismutase is een klasse van enzymen, welke een aantal verschillende metaalkernen kunnen hebben als actief centrum. Dit kan ijzer, koper/zink, mangaan of nikkel zijn. Het is afhankelijk van het gebruikte metaal welke ligand omgeving er is. De koper/zink variant is het effectiefst voor zover bekend. De koper/zink superoxide dismutase versnelt de volgende reactie:

 Cu^{2+} + 2O_2^\bullet\ \!\! ^- + 2H^+ \longrightarrow Cu^{2+} + O_2 + H_2 \! O_2
 

De overall-reactie bestaat in feite uit de volgende twee reacties:

 M^{n+1} + O_2^\bullet\ \!\! ^- \longrightarrow M^{n} + O_2
 M^{n} + O_2^\bullet\ \!\! ^- + 2H^+ \longrightarrow M^{n+1} + H_2 \! O_2

Opvallend hierbij is dat het enzym zowel Cu (I) als Cu(II) laat reageren met superoxide, het zuurstofradicaal. Hierdoor kan het enzym altijd actief zijn, zowel met een eenwaardig als met een tweewaardig koperatoom gebonden in het enzym. Hierdoor kan de reactie zo supersnel plaatsvinden. H2O2 wordt vervolgens "opgeruimd" door katalase, een enzym dat grofweg een factor 1000 langzamer werkt als superoxide dismutase.

Het is overigens ook niet voor niets dat superoxide dismutase zo snel reageert. Superoxide behoort namelijk tot de reactiefste moleculen, en zou praktisch met alles reageren wat het aan moleculen tegenkomt, dus ook met bijvoorbeeld DNA. Het snel opruimen van de radicalen is dan ook noodzakelijk. De radicalen komen zo nu en dan vrij als "ongeluk" bij diverse reacties.

 

 

Universiteit Leiden
  contact   print   zoeken
 
       
 
 
   
 

Metaalarbeider op de gevoelige toer


Bron: Nieuwsbrief Universiteit Leiden 5 juli 2005

 
 

Koperman
Biochemicus Armand Tepper is, zoals hij zelf zegt, een ‘koperman’. Hij hoort bij de onderzoeksgroep van prof. Gerard Canters, waarin wordt gewerkt aan metaaleiwitten. Dat zijn eiwitten waaraan metaal-ionen gebonden zijn. Het metaal maakt dat het eiwit in een levende cel een hele reeks van functies kan uitvoeren, die voor eiwitten zonder metaal meestal te hoog gegrepen zijn. Haemoglobine in het bloed is een bekend voorbeeld van een metaaleiwit, maar ook het fotosynthetische systeem zit vol met metalen. Ook bij het proces dat energie uit suikers haalt zijn veel metaaleiwitten betrokken. 

Armand Tepper
Armand Tepper

 

Helderblauw
Metaaleiwitten zijn niet alleen van levens-belang in een organisme, maar maken ook het leven van een wetenschapper gemak-kelijker. Met gebruik van metaaleiwitten kun je namelijk een hele reeks spectroscopische technieken toepassen die met gewone eiwitten niet mogelijk zijn, zoals speciale variaties op NMR.  Een voordeel is alleen al dat metaaleiwitten een mooie kleur hebben, waardoor ze goed te onderscheiden zijn. ‘Wij zien de mooiste kleuren’, zegt Tepper. ‘Vooral koper en ijzer zijn heel mooi. Hae-moglobine is diep rood. En bepaalde koper-eiwitten hebben een prachtige helderblauwe kleur.‘ 

Links nitriet reductase en rechts pseudoazurine, beide kopereiwi
Metaaleiwitten hebben vaak een kleur.
Links nitriet reductase en rechts pseudoazurine, beide kopereiwitten

  
Bionanotechnologie
Met die spectroscopische technieken kunnen onderzoekers meer te weten komen over de functie van het metaal in het eiwit. Heel precies op atomair niveau kunnen ze tegenwoordig de mechanismen van eiwitten ontrafelen. Tepper: ‘Eiwitten zijn grote en zeer complexe moleculen. Maar we zijn nu zover dat we een beetje begrijpen hoe het werkt, en dat we die kennis ook kunnen toepassen. Dan zit je op het terrein van de bionanotechnologie.’

Elektronenverkeer
Een van de eigenschappen van metaaleiwitten is dat ze elektronenverkeer mogelijk maken als ze reageren met andere stoffen: ze nemen elektronen op of staan ze af. Dat gebeurt tijdens de zogenoemde redox-processen. ‘Redox’ is een samentrekking van reductie en oxidatie. Het molecuul dat een elektron afstaat heet geoxideerd, en het molecuul dat er een elektron bij krijgt heet gereduceerd.

Biosensor
Tepper zelf gaat kopereiwitten inzetten als hulpmiddel om een radicaal nieuwe procedure te testen voor het maken van een biosensor. Daarbij maakt hij gebruik van die redox-processen. Een biosensor is een sensor waarin biologische elementen zijn geïntegreerd. Biosensoren zijn handig, want biologische moleculen zijn heel specifiek. Tepper: ‘Neem de bekendste, de glucosesensor, waarmee glucose gemeten kan worden in het bloed. Die is gebaseerd op een gespecialiseerd eiwit dat in het lichaam glucose metaboliseert. Zo’n eiwit heeft dus als enige target dat glucosemolecuul. Een biosensor op basis van dat eiwit is daarom een heel gerichte detector, die allerlei ballast buiten beschouwing laat.’


Elektrisch stroompje
Er is op het ogenblik veel belangstelling voor metaaleiwitten als component van een biosensor, juist vanwege die elektronen-overdracht bij chemische reacties. Die maakt namelijk heel eenvoudige detectiemethoden mogelijk, zegt Tepper. ‘Elektronenoverdracht betekent: een elektrisch stroompje. En een elektrisch stroompje kun je vrij gemakkelijk meten.’ Om een biosensor te maken immobiliseert Tepper een kopereiwit op een vaste drager. Naar dat eiwit stuurt hij elektronen toe met behulp van een elektrode. Met die elektroneninjectie lokt hij een chemische reactie uit van het eiwit met het molecuul dat hij wil detecteren. In zijn geval is dat nitriet.

Het principe achter een biosensor gebaseerd op redoxeiwitten
Het principe achter een biosensor gebaseerd op redoxeiwitten

   
Nitriet
Nitriet, bekend van voedselindustrie en afvalwater, is een klein maar belangrijk molecuul in levende cellen. Het bestaat uit één stikstofatoom en twee zuur-stofatomen. Nitriet wordt spontaan gevormd bij de afbraak van NO, stikstof-monoxide. De nitrietconcentratie is dus een maat voor de hoeveelheid afgebroken NO. En NO is het molecuul waar het Tepper eigenlijk om te doen is.

Mystery Molecule
Werd stikstofmonoxide (NO) vroeger uitsluitend gezien als een giftig uitlaatgas, sinds de tweede helft van de jaren ‘80 is bekend dat dit gas een signaalfunctie heeft bij heel veel cruciale fysiologische processen. Het reguleert bijvoorbeeld de bloeddruk, en speelt daarom een belangrijke rol in het onderzoek. Al deze ontdekkingen hebben geleid tot een ware NO-hype in het onderzoek, culminerend in een Nobelprijs in 1998. Het probleem met deze ‘mystery molecule’ is dat hij binnen tien seconden wordt afgebroken in het bloed. Maar daarbij komt dus het nitriet vrij dat Tepper graag wil meten. Het gespecialiseerde kopereiwit dat hij in zijn biosensor gebruikt is nitriet reductase, dat in de natuur betrokken is bij de omzetting van nitriet.

Isolator
Maar als dit het enige was zou Tepper zijn Veni-subsidie helemaal niet nodig hebben. Er is echter een probleem: het metaalcentrum zit heel diep in het eiwit opgeborgen. In de natuur heeft dat een functie: de eiwitlaag wordt benut ten behoeve van de specificiteit, bijvoorbeeld voor de herkenning van een ander eiwit. Of om alleen dát molecuul aan het metaal te laten binden dat moet worden omgezet. Elektronoverdracht is zo alleen mogelijk door interactie met specifieke partnermoleculen, terwijl onbedoelde processen worden voorkomen. Maar voor een wetenschapper is het daardoor heel moeilijk om een stroom elektronen te laten lopen van de elektrode naar het metaal in het eiwit; het eiwit werkt als een isolator. Dit principiële probleem, zegt Tepper, heeft een vertragende werking gehad op de ontwikkeling van biosensoren die gebaseerd zijn op redox-eiwitten. Wat hij dus gaat doen is een radicaal nieuwe methode testen om dat probleem aan te pakken.

Patent
Hoe hij die eiwit-weerstand denkt te gaan overwinnen kan hij op dit moment nog niet zeggen, hoewel hij er alle vertrouwen in heeft dat het gaat lukken. Beter gezegd: juist omdat hij daar alle vertrouwen in heeft.

Interdisciplinair
Na een onderzoeksperiode in Napels is Tepper terug in de metaaleiwittengroep van Gerard Canters, bij wie hij in maart promoveerde op een ander kopereiwit. In die groep voelt hij zich thuis. Er zijn in Nederland niet zoveel groepen die gespecialiseerd zijn in metaaleiwitten. Het is daarbij een heel goede groep, vindt hij. Juist op het gebied van die kopereiwitten. Met zijn onderzoek komt Tepper steeds meer in interdisciplinair vaarwater terecht, wat hij als pure winst beschouwt. Vooral de bionanotechnologie ziet hij als zijn tweede vaderland. ‘Al heel lang voel ik de behoefte om meer toegepast onderzoek te doen. Ik denk heel erg technisch, en ik houd van het oplossen van technologische problemen.’

 
3D
Ook in zijn vrije tijd is Armand Tepper met scheikunde bezig, maar dan op een artis-tieke manier. Hij heeft altijd veel geschilderd, en raakte gaandeweg geïnteresseerd in het maken van driedimensionale beelden op de computer: fotorealistische afbeeldingen van moleculen. ‘Je kunt wetenschap zo artistiek maken als je wilt’, vindt hij. Het was gewoon een hobby, maar van het een kwam het ander, en steeds vaker weten belangstel-lenden hem te vinden. Hij werkt nu samen met zijn vriending die grafisch vormgever is.
Zie voor meer artistiek werk:
www.phantatomix.com/whatwedo.htm 

 Artistieke impressie van het actieve centrum van het enzym CuZn superoxide dismutase
Artistieke impressie van het actieve centrum van het enzym CuZn superoxide dismutase

 
     
 
Bron: Bart Meijer van Putten.

.