Eiwitmoleculen zijn lange ketens van aminozuren. Gewoonlijk zijn die ketens netjes 'opgevouwen' tot goed gedefinieerde, compacte structuren. Alleen in deze compacte vorm zijn eiwitten biologisch actief. Soms ontvouwen bepaalde eiwitten spontaan. Dit speelt een belangrijke rol in veel ziekten. Het vermoeden bestaat dat zulk spontaan ontvouwen de eerste stap is in het ontstaan van ouderdomsziekten als Alzheimer en Parkinson.

Om het effect van het ontvouwen te onderzoeken gebruiken biochemisch onderzoekers vaak guanidiniumchloride (genoemd naar guano, vogelpoep, waaruit deze stof in de 19e eeuw voor het eerst werd bereid). Guanidinium-ionen (geladen deeltjes) blijken namelijk heel efficiënt eiwitmoleculen te kunnen ontvouwen.

Tot nu toe was onbekend hoe guanidinium-ionen dit precies doen. ERC-promovenda Heleen Meuzelaar en FOM-promovendus Matthijs Panman (inmiddels postdoc in Götenborg) hebben daar nu verandering in gebracht. Ze ontdekten dat de guanidinium-ionen andere positief geladen atomen verdringen die betrokken zijn bij het stabiliseren van de eiwitvouwing. De vondst is van belang voor een beter begrip van de krachten die een eiwit beschermen tegen spontaan ontvouwen. 

Zoutbrug

De compacte structuur van eiwitten wordt door verschillende krachten bij elkaar gehouden. Een daarvan is elektrische kracht: in de aminozuurketens van de meeste eiwitten zitten hier en daar positief en negatief geladen atomen en wel op zo'n manier dat in de opgevouwen toestand paartjes van positieve en negatieve ladingen tegen elkaar aan zitten. De elektrische aantrekkingskracht tussen de tegengestelde ladingen in zo'n paartje houdt het eiwit stevig in de opgevouwen positie. Een dergelijk elektrisch contact tussen twee tegengestelde ladingen in een eiwit wordt een zoutbrug genoemd. Ook zoutkristallen worden immers op deze manier bij elkaar gehouden: denk aan de tegengesteld geladen natrium- en chloride-ionen in keukenzout.

Meuzelaar en Panman onderzochten het effect van guanidinium op deze zoutbruggen. Eerst keken ze in een reeks biochemische experimenten naar het effect van guanidinium op een serie van peptiden, een soort mini-eiwitten. Ze vergeleken telkens peptiden die identiek waren qua samenstelling en grootte, maar waarin de plek van de tegengesteld geladen atomen in de keten anders was. Een kleine verandering van de plek van de geladen atomen in de keten bleek een gigantisch effect te hebben op hoe goed het guanidinium de peptiden ontvouwde. In sommige peptiden  bevorderde guanidinium het vouwen zelfs.

Ionen nemen plaats in van positieve atomen 

Met infrarode lasertechnieken konden de onderzoekers zien wat guanidinium precies met de zoutbruggen doet. Het blijkt dat de postief geladen guandinium-ionen de plaats innemen van de positieve atomen in de zoutbruggen. Ze verdringen de positieve atomen, waardoor de zoutbruggen breken en het eiwit ontvouwt. Er ontstaat dan een nieuwe zoutbrug: niet meer tussen de twee tegengesteld geladen atomen van het eiwit, maar tussen het positief geladen guanidinium en het negatief geladen atoom van het eiwit.

Publicatie

Meuzelaar, H., Panman, M. R. and Woutersen, S. (2015), Guanidinium-Induced Denaturation by Breaking of Salt Bridges. Angew. Chem. Int. Ed., 54: 15255–15259. doi:10.1002/anie.201508601