University of Groningen. Interfacial action of phospholipase A2 Meulenhoff, Peter

Transcriptie

1 University of Groningen Interfacial action of phospholipase A2 Meulenhoff, Peter IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below. Document Version Publisher's PDF, also known as Version of record Publication date: 1999 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): Meulenhoff, P. (1999). Interfacial action of phospholipase A2: a molecular dynamics study. [Groningen]: University of Groningen. Copyright Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Take-down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum. Download date:

2 Chapter 6 Samenvatting De hoofdrolspeler in dit proefschrift is het eiwit fosfolipase A 2 (afgekort PLA 2 ). Eiwitten zijn de fabrieken van de natuur. Een groot verschil is echter wel dat ze veel efficienter werken. Dit is dan ook een reden waarom onderzoek naar de functie van eiwitten zeer interessant is. Eiwitten zijn zeer complexe en grote moleculen opgebouwd uit minstens enkele duizenden atomen (een water molecuul bestaat uit slechts drie atomen). De atomen van een eiwit zitten gegroepeerd in enkele honderden aminozuren (residuen) die als een soort kralenketting aan elkaar zijn geregen (zie figuur 1.4 op pagina 11) waardoor een unieke structuur wordt gevormd. Deze structuur bepaalt in grote mate de functie van het eiwit. De functie van PLA 2 is het versnellen van de afbraakreactie van fosfolipiden. Fosfolipiden zijn moleculen die onderdeel zijn van bijvoorbeeld celwanden, het beschermende laagje van de celinhoud. PLA 2 wordt bij mensen en andere zoogdieren gemaakt in de alvleesklier, en helpt bij de afbraak van voedsel (dat vaak veel celwanden bevat). Het eiwit komt tevens voor in slangen- en bijengif. PLA 2 breekt niet alleen fosfolipiden af die samengepakt zitten in een celwand, maar ook de fosfolipiden die niet samengepakt in een celwand zitten. De afbraaksnelheid is echter alleen veel groter als PLA 2 fosfolipiden uit een celwand afbreekt (zie figuur 1.6 op pagina 15). Dit verschil kan bijvoorbeeld veroorzaakt worden door een verandering in de ruimtelijke structuur van PLA 2 onder invloed van de celwand. Deze structuurverandering zou dan de functie van het eiwit zo veranderen dat de afbraaksnelheid veel groter wordt. Iets dergelijks komt namelijk voor bij een verwante groep van eiwitten, de lipases. Deze eiwitten, die lipiden afbreken, hebben een soort klep die open en dicht kan. Zodra het eiwit aan een celwand bindt gaat de klep open, en vindt de afbraakreactie plaats. Normaal zit de klep dicht en vindt er geen afbraak plaats. Dit is schematisch weergegeven in figuur 6.1.

3 Samenvatting 118 Lipase Lipase Celwand Figure 6.1: Schematische weergave van de werking van de lipases. In de linker figuur is de vorm van een lipase weergegeven voor de inactieve vorm. De klep van het eiwit is hier gesloten. In de rechter figuur is het eiwit gebonden aan een lipidelaag (een klein stukje celwand). De klep is hier onder invloed van de lipidelaag geopend, en lipiden kunnen gemakkelijk vanuit de lipidelaag door het eiwit worden afgebroken. Het pijltje geeft de kant aan waar de lipiden door het eiwit worden afgebroken. PLA 2 lijkt niet, zoals bij de lipases het geval is, over een dergelijke klep te beschikken. Uit andere onderzoeken is evenwel gebleken dat er wel degelijk een structuurverandering plaatsvindt als het eiwit aan een celwand bindt. Het doel van ons onderzoek was dan ook om in eerste instantie meer inzicht te verkrijgen in de structuurveranderingen van het eiwit onder invloed van een fosfolipidelaag (een klein stukje celwand). Daarnaast is het ook interessant om wat meer te weten te komen over de manier waarop de binding tussen fosfolipiden aan PLA 2 plaatsvindt. Het onderzoek werd uitgevoerd met behulp van de Moleculaire Dynamica (afgekort MD) simulatiemethode. Deze methode, uitgevoerd op een beperkt aantal moleculen die als het ware zijn opgesloten in een zgn. simulatiedoos, berekent aan de hand van de wisselwerkingen tussen alle atomen de beweging (dynamica) van moleculen. Deze berekeningen zijn uiterst gecompliceerd en kunnen praktisch alleen worden uitgevoerd met snelle computers waarmee zonodig enkele maanden achter elkaar kan worden gerekend. De gesimuleerde dynamica vindt echter plaats in een miljardste fractie van een seconde. Het resultaat van de berekeningen is te beschouwen als een serie fotografische opnamen van de moleculen in de simulatiedoos, die, snel achter elkaar vertoond, een filmbeeld van de bewegende moleculen opleveren. Om de invloed van de celwand op de structuur van het eiwit te onderzoeken zijn twee simulaties opgezet. De eerste simulatie (A) bevat alleen het eiwit en water (4000 moleculen), terwijl het andere systeem (B) het eiwit en water (4000 moleculen) bevat, samen met twee lipidelagen, die ieder 42 moleculen fosfolipide bevatten. Deze systemen zijn afgebeeld in figuur 6.2. Zoals te zien, is bij systeem B de bek van het eiwit, de instulping aan de onderzijde, in de richting de lipidelaag geplaatst. Dit is erg belangrijk omdat het draaien van het eiwit zo lang duurt dat de simulatie voorbij is

4 Samenvatting 119 Systeem A Systeem B Lucht Lipidelaag Water Water PLA 2 PLA 2 Lipidelaag Lucht Figure 6.2: Schematische weergave van de systemen voor het simuleren van de structuurveranderingen van PLA 2 onder invloed van een lipidelaag. Systeem A (links) bevat het eiwit en water. Systeem B (rechts) bevat het eiwit en twee lipidelagen. voordat het eiwit zich in een optimale orientatie ten opzichte van de lipidelaag heeft gedraaid. Deze orientatie is daarom van te voren met behulp van enkele vereenvoudigde simulaties berekend. Het resultaat van deze simulaties was dat er inderdaad een structuurverandering optreedt bij de aanwezigheid van een lipidelaag. Terwijl in simulatie A (eiwit en water) eigenlijk niets gebeurt, beweegt het eiwit in simulatie B (eiwit, water en lipidelaag) zich in de richting van de lipidelaag, en vormt daarmee een stevige binding. De plaats in het eiwit waar de structuurveranderingen optreden is vergelijkbaar met die gevonden in experimenten van anderen. De veranderingen vinden plaats aan de kant waar het eiwit de lipidelaag bindt, maar er is geen grote beweging zoals een klep die open gaat. Alleen de vorm van de opening van het eiwit verandert. Nu het eiwit stevig aan de lipidelaag zit gebonden, kan de volgende stap gezet worden. Deze volgende stap in de functie van PLA 2 is de binding van een fosfolipidemolecuul uit de lipidelaag. Dat proces zou in principe te volgen zijn door het systeem net zo lang te simuleren totdat er spontaan een fosfolipide vanuit de lipidelaag zich in de opening van het eiwit begeeft. Helaas verloopt dit proces zo traag dat het ongeveer jaar aan computersimulaties zou kosten voordat deze reactie plaats vindt. Dit probleem is opgelost door het fosfolipide een handje te helpen. Omdat het hier computersimulaties betreffen is het mogelijk om de natuur daarbij een beetje te veranderen. Er is tussen één fosfolipde en de bek van PLA 2 een touwtje gespannen.

5 Samenvatting 120 Tijdens een simulatie wordt dit touwtje langzaam ingehaald, en het lipide beweegt in de richting van het eiwit. Deze methode is te vergelijken met die van een visser (het eiwit) die een vis (het fosfolipide) binnenhaalt (zie figuur 4.5 op pagina 87). Nu is het alleen nog een kwestie van hard genoeg trekken om het fosfolipide in het eiwit te krijgen. Op deze manier was het mogelijk om in een relatief korte tijd het fosfolipide in de bek van het eiwit te trekken en het daar te laten binden. De simulatie waarin een fosfolipide naar binnen werd getrokken, werd voortgezet op het punt waar het fosfolipide in het eiwit zat maar de extra-kracht werd nu weggelaten. Hierbij bleek dat de structuur van het fosfolipide dezelfde is als te verwachten was op grond van experimenten van anderen. Het fosfolipide zat als het ware goed vastgeklemd tussen de kaken van het eiwit, dat op het punt stond om de nek van het lipide door te bijten. Tenslotte is uitgerekend hoeveel fosfolipide-moleculen een PLA 2 molecuul per seconde kan afbreken. Dit kan worden afgeleid door onder andere de kracht die nodig is om het fosfolipide het eiwit in te trekken te meten. Als dit nauwkeurig genoeg kan, dan zou het mogelijk moeten zijn om de reactieconstante van dit proces te bepalen. De simulatie waarbij het fosfolipide het eiwit wordt ingetrokken levert hiervoor geen goede informatie omdat dat proces veel te snel verloopt. Daarom is op verschillende punten van dit traject een nieuwe simulatie gestart waarbij de afstand tussen het fosfolipide en het eiwit constant gehouden wordt. Het is nu mogelijk om over een langere tijd de kracht tussen het eiwit en het fosfolipide te meten, en te middelen waardoor het resultaat nauwkeuriger wordt. Uit de berekeningen kwam als resultaat dat er maximaal ongeveer 100 fosfolipide moleculen per seconde door één eiwit PLA 2 kunnen worden afgebroken. Dit komt goed overeen met de experimentele waarde van 140 fosfolipide moleculen per seconde. Dit resultaat is erg mooi, maar om deze methode in de toekomst algemeen en betrouwbaar toepasbaar te maken zou deze ook op andere eiwitten moeten worden toegepast. Als de methode inderdaad algemeen betrouwbaar kan worden toegepast, zou in de toekomst de binding van bijvoorbeeld geneesmiddelen aan eiwitten nauwkeuriger kunnen worden voorspeld. Dit zou het mogelijk kunnen maken dat onderzoek naar nieuwe geneesmiddelen sneller en goedkoper kan worden uitgevoerd.