Stadsdrukte in de cel

Stel je een druk stadscentrum voor. Je zit in een vrachtwagen en moet een pakketje ophalen. Daarvoor moet je de vrachtwagen precies in een laadsluis rijden aan de achterzijde van een winkel. Het centrum krioelt van voetgangers, fietsers, auto’s en andere vrachtwagens. Je rijdt rond en… hebt totaal geen idee waar je heen moet. Wat is de kans dat het pakketje wordt opgehaald?

Dit is ongeveer de situatie in de cel. Waarin de vrachtwagen een groot eiwit voorstelt dat ergens aan een receptor – de laadsluis van de winkel – moet koppelen om daar een binding met een signaalmolecuul – het pakketje – aan te gaan. Bovendien is het eiwit bijna niet vooruit te branden doordat het continu botst met andere moleculen: het ‘verkeer op straat’.

Alles behalve vloeibaar

Tot wel 40 procent van het volume van een cel wordt ingenomen door eiwitten en dat beïnvloedt de vloeibaarheid van het inwendige van de cel sterk; het is eerder een stroperige brij dan een vloeibare massa. Die drukte zorgt voor een fenomeen dat in het Engels ‘crowding’ wordt genoemd. Zo op het eerste gezicht lijkt dit een enorm probleem voor de logistiek binnen een cel. Geen economie zou ook maar één cent winst maken als alle vrachtwagens willekeurig door het drukbevolkte omgeving gingen rijden, in de hoop op de juiste plek uit te komen. En toch werkt de cel zo; maar hoe?

“Nou, misschien zou de cel zelfs niet eens kunnen werken zonder het fenomeen crowding”, zegt Wilhelm Huck, hoogleraar Fysisch Organische Chemie van de Radboud Universiteit in Nijmegen. “Neem een andere vergelijking, precies het tegenovergestelde van een drukke stad: een astronaut die werkzaamheden verricht aan de buitenkant van een ruimtestation. Stel hij raakt los van het station, dan is de kans dat hij vanzelf weer terugkomt om zijn werkzaamheden af te kunnen maken bijna nul. Hij zweeft weg van zijn doel, het lege universum in. In een vloeibaar medium gebeurt in feite hetzelfde. Als een eiwit los raakt van zijn doel, is de kans dat hij nogmaals zijn doel treft klein. In een drukke omgeving is de kans dat een eiwit weer gewoon terug komt op de plek waar hij begon juist erg groot.”

Een voordeel dus, dat crowding. Maar wel één waar de cel rekening mee moet houden. “Waarschijnlijk doet de cel dat door componenten die later een reactie met elkaar moeten aangaan, bij elkaar in de buurt te fabriceren”, zegt Huck. Je hoeft dan niet met je vrachtwagen het hele stadscentrum door te ploeteren, maar je kunt gewoon naar de buurman rijden. Mocht een eiwit dan echt nodig zijn aan de andere kant van de cel, dan heeft de cel altijd nog een actief transportnetwerk tot zijn beschikking [red: meer daarover in het volgende deel van deze artikelreeks].

Crowding heeft echter nog meer voordelen. Wetenschappers ontdekten bijvoorbeeld dat de vouwing van eiwitten naar hun functionele vorm sneller gaat als botsende buren een handje helpen. Hetzelfde geldt voor het binden van twee moleculen, vaak de langzaamste stap in een chemische reactie, dat over het algemeen sterk versneld wordt in een crowded omgeving.

Experimenteren met verdunningen

“Toch vreemd dat crowding al 30 jaar bekend is, maar dat wetenschappers er nauwelijks rekening mee houden in experimenten”, zegt Huck. Vrijwel alle kennis van eiwitreacties is gebaseerd op verdunde oplossingen. Wetenschappers onderzoeken normaalgesproken eigenschappen van eiwitreacties in reageerbuizen, waar de celreacties in een verdunde, niet-crowded omgeving worden overgedaan. En aangezien crowding zo’n grote invloed kan hebben op het gedrag van eiwitten is dat op z’n minst gezegd opmerkelijk. Daarentegen ook wel weer logisch, want het is veel te duur om eiwitten in zo’n grote hoeveelheid te maken dat de concentratie overeenkomt met die in het celinterieur.