Je leest:

Ureum neemt watermoleculen in de klem

Ureum neemt watermoleculen in de klem

Urine bestaat vooral uit water met ureum, een afbraakproduct van eiwitten. Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) hebben ontdekt dat tussen die twee componenten een bijzondere wisselwerking bestaat.

Een deel van de watermoleculen blijkt door ureum in een krachtige ‘omhelzing’ te worden geïmmobiliseerd. De rest van het water wordt volstrekt ongemoeid gelaten. Met deze nieuwe kennis wordt duidelijk dat de denaturerende werking van ureum op eiwitten niet is terug te voeren op een verstoring van het waternetwerk, maar op een directe wisselwerking tussen ureum en eiwitten.

Eiwitmoleculen bestaan uit lange ketens van aminozuren. Ze worden biologisch actief als ze zich opvouwen tot een specifieke driedimensionale structuur. De interacties tussen het eiwit en watermoleculen spelen hierbij een belangrijke rol.

Bij de afbraak van eiwitten wordt in ons lichaam voortdurend in grote hoeveelheden ureum gevormd. Het is daarbij zaak dat het ureum snel via de urine het lichaam verlaat want bij een te hoge concentratie ureum gaan eiwitten zich spontaan ontvouwen (denatureren). Bij eiwitonderzoek in biochemische laboratoria maken onderzoekers hier al decennia lang gebruik van, maar in het menselijk lichaam is het ontvouwen van eiwitten desastreus. Het eiwit verliest dan immers zijn functie.

Waternetwerk

Het mechanisme waarmee ureum eiwitten denatureert is nog een groot vraagteken. Onderzoekers dachten altijd dat er sprake was van een indirect mechanisme, waarbij ureum het netwerk van watermoleculen (door waterstofbruggen bij elkaar gehouden) verstoort. Dit zou leiden tot veranderingen in de wisselwerking tussen water en het eiwit, dat vervolgens zou ontvouwen.

Yves Rezus en Huib Bakker van AMOLF hebben nu laten zien dat dit mechanisme onwaarschijnlijk is. Ze namen de invloed van ureum op water onder de loep met ultrasnelle lasertechnieken en keken daarbij met name naar de starheid van het waternetwerk als functie van de ureumconcentratie. Een goede maat voor de starheid van het waternetwerk is de beweeglijkheid (reoriëntatie) van de watermoleculen: in een star netwerk kan een watermolecuul minder makkelijk bewegen dan in een flexibel netwerk.

Zwaar water

Om de watermoleculen in ureumoplossingen te kunnen bestuderen, voegden de onderzoekers een kleine hoeveelheid zwaar water (D2O) toe aan de ureumoplossingen. Daarbij verandert een deel van de watermoleculen in HDO moleculen, dat zijn watermoleculen met een normaal waterstofatoom (H) en een deuterium atoom (D). Deuterium is een isotoop van waterstof met in de atoomkern een neutron en een proton, in plaats van alleen maar een proton. Chemisch gezien is HDO heel ‘normaal’ water, maar de HDO moleculen hebben het voordeel dat ze met behulp van ultrasnelle mid-infrarood laserspectroscopie te volgen zijn.

In het AMOLF experiment worden de ureumoplossingen gedurende hele korte tijdsperioden van 100 femtoseconde (1 femtoseconde = 10-15 s) beschenen met mid-infrarood pulsen met een golflengte van 4 micrometer. De absorptie van de lichtpuls leidt daarbij tot een trilling van het D-atoom. Met een tweede, iets vertraagde lichtpuls wordt vervolgens vastgesteld over welke hoek de trillende OD-groep gedraaid is in de tijd tussen de twee lichtpulsen. Door de tijd tussen de twee lichtpulsen te variëren kan men de draaiing van de moleculen real-time volgen.

In de klem

Rezus en Bakker ontdekten dat het grootste deel van de moleculen geen enkele invloed van het ureum ondervindt. Ze vertonen precies hetzelfde draai- en reoriëntatiegedrag als de moleculen van zuiver water. Tot hun grote verrassing blijkt dit zelfs het geval bij zeer hoge ureumconcentraties, waar alle watermoleculen in direct contact staan met tenminste één ureummolecuul. Het is alsof de afzonderlijke watermoleculen niet ‘weten’ of ze zich in zuiver water bevinden of in een geconcentreerde ureumoplossing.

Een klein deel van de watermoleculen bleek zich echter volstrekt anders te gedragen. Deze moleculen vertoonden een uiterst trage reoriëntatie die volgens Rezus en Bakker het gevolg is van immobilisatie door ureum. Ze leidden uit hun meetgegevens af dat ieder ureummolecuul ongeveer één watermolecuul immobiliseert en concluderen dat er sprake is van een bijzondere binding aan ureum. De watermoleculen worden daarbij als het ware in de klem genomen: ureum houdt het watermolecuul met 2 waterstofbruggen stevig vast waardoor het niet meer kan draaien.

Moleculaire ‘omhelzing’ van een ureum- en een watermolecuul. Het watermolecuul is door twee waterstofbruggen (stippellijnen) gebonden aan het ureummolecuul. In deze figuur zijn de waterstofatomen in het wit aangegeven, de zuurstofatomen in het rood, de stikstofatomen in het blauw en het koolstofatoom in het zwart. Beeld: www.fom.nl

Directe wisselwerking

De resultaten van dit onderzoek tonen aan dat ureum het waternetwerk helemaal niet verstoort en dat de denaturerende werking van ureum op eiwitten daar dus niet op terug te voeren is. Dit betekent volgens de onderzoekers dat er bij het denatureren sprake moet zijn van een directe wisselwerkingen tussen ureum en eiwitten die ertoe leiden dat eiwitten ontvouwen. Hierbij valt op te merken dat het ureummolecuul dezelfde N-C=O ruggengraat heeft als de aminozuren die de bouwstenen vormen van eiwitten. Het is dus heel goed mogelijk dat ureum bepaalde aminozuren op een soortgelijke manier in een houdgreep kan nemen als het met een watermolecuul doet.

De onderzoekers publiceerden hun resultaten vorige week online bij het wetenschappelijke tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS). Het artikel is getiteld : ‘The effect of urea on the structural dynamics of water’. (10.1073/pnas.0606538103) De auteurs zijn: Yves Rezus en Huib Bakker.

Dit artikel is een publicatie van Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).
© Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 30 november 2006

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.