Leerboek metabolisme 978-90-368-0619-0, 978-90-368-0620-6 [PDF]

Zitiervorschau

Leerboek metabolisme Tweede, herziene druk

F.C. Schuit

Frans C. Schuit Leerboek metabolisme

Aan ieder exemplaar van Leerboek metabolisme is een unieke activeringscode toegekend die gratis en onbeperkt toegang geeft tot de online versie van dit boek, meer dan 300 toetsvragen en verdiepingsstof. Hoe krijg ik online toegang tot het boek op Mijn BSL? Ga naar  www.bsl.nl/activatie en volg de stappen om toegang te krijgen tot uw online product en vul onderstaande activeringscode in.

Uw unieke activeringscode:

Code al geactiveerd? Log direct in op www.mijn.bsl.nl Technische ondersteuning nodig? Heeft u problemen met inloggen of andere technische problemen? Neem dan contact op met: [email protected]

Frans C. Schuit

Leerboek metabolisme

ISBN 978-90-368-0619-0    © 2015 Bohn Stafleu van Loghum, onderdeel van Springer Media BV Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën of opnamen, hetzij op enige andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever. Voor zover het maken van kopieën uit deze uitgave is toegestaan op grond van artikel 16b Auteurswet j° het Besluit van 20 juni 1974, Stb. 351, zoals gewijzigd bij het Besluit van 23 augustus 1985, Stb. 471 en artikel 17 Auteurswet, dient men de daarvoor wettelijk verschuldigde vergoedingen te voldoen aan de Stichting Reprorecht (Postbus 3060, 2130 KB Hoofddorp). Voor het overnemen van (een) gedeelte(n) uit deze uitgave in bloemlezingen, readers en andere compilatiewerken (artikel 16 Auteurswet) dient men zich tot de uitgever te wenden. Samensteller(s) en uitgever zijn zich volledig bewust van hun taak een betrouwbare uitgave te verzorgen. Niettemin kunnen zij geen aansprakelijkheid aanvaarden voor drukfouten en andere onjuistheden die eventueel in deze uitgave voorkomen. NUR 870 Ontwerp omslag: Studio Bassa, Culemborg Ontwerp binnenwerk: TEFF (7 www.teff.nl) Automatische opmaak: Crest Premedia Solutions (P) Ltd., Pune, India Eerste druk: 2010 Tweede druk, geheel herziene druk: 2015 Bohn Stafleu van Loghum Het Spoor 2 Postbus 246 3990 GA Houten www.bsl.nl

V

Voorwerk Drie gradaties van wijsheid: 55 De kennis dat je iets weet 55 De kennis dat je over iets bepaalde dingen nog niet weet 55 De kennis dat je over iets bepaalde dingen nog niet weet die alle andere mensen ook niet weten wetenschappelijk te onderbouwen.

Ipse se nihil scire id unum sciat. Cicero in Academica I.15-16 over Socrates: …wijzer dan iedereen … ‘omdat hij één ding weet: dat hij zoveel niet weet’.

VII

Voorwoord Dit boek gaat over metabolisme, een bijzonder complex chemisch gebeuren dat essentieel is voor alles wat leeft. Hierdoor is een normaal werkend metabolisme ook van vitaal belang voor de gezondheid van de mens. De kennis van het metabolisme is de afgelopen honderd jaar op verbazingwekkende wijze toegenomen. Met de beperkte tijd die beschikbaar is voor het onderwijs van de basiswetenschappen is binnen de opleidingen Arts, Tandarts, Apotheker en Biomedische Wetenschappen de uitdaging ontstaan om uit te leggen wat het metabolisme is en wat het betekent voor gezondheid en ziekte. Dit boek dient om deze uitdaging te ondersteunen. Dit boek is ontstaan als vervolg op Medische Biochemie (Bohn Stafleu van Loghum 2000), waarin het metabolisme een van de grote onderdelen was. In tegenstelling tot de overige delen van Medische Biochemie (Moleculaire Biologie en Signaaltransductie), bestaan er voor metabolisme weinig tekstboeken met een duidelijke medische oriëntatie. Door de enorme omvang van het onderwerp moeten voor een boek van ‘slechts’ vierhonderd pagina’s keuzes worden gemaakt. Het gespecialiseerde metabolisme van prokaryoten, fungi en planten (fotosynthese, bacteriële celwand) wordt in dit boek bijvoorbeeld niet behandeld. Aan de student wordt een tweesporentraject aangeboden met enerzijds de kernleerstof en anderzijds meer diepgaande informatie. Om deze twee sporen van elkaar te onderscheiden, zijn de verdiepingsteksten gevat in kaders, verdeeld over vier thema’s: pioniers (de mensen achter baanbrekende ontdekkingen), evolutie (evolutionaire aspecten van het metabolisme), toepassing (medische bruikbaarheid van kennis) en horizon (grenzen van de wetenschap). Het tweede spoor in dit boek biedt tevens ruim zeshonderd verwijzingen naar de recente wetenschappelijke literatuur. Hierdoor ontstaan mogelijkheden tot meer diepgaande analyse en zelfstudie, die kunnen bijdragen tot het uitwerken van een ‘eigen’ studietraject dat gedreven wordt door persoonlijke interesse. Voor elk van de twaalf hoofdstukken van dit boek werd een schatting gemaakt van de tijd die nodig is om de kernleerstof te bestuderen. Deze getallen zijn een indicatie van een gemiddelde waarde en moeten met de nodige voorzichtigheid worden geïnterpreteerd naar één persoon toe. In de ruim 260 figuren, die grotendeels dienen ter ondersteuning van de kernleerstof, werd gezocht naar eenvoud en samenhang in schema’s en in de chemische structuren, waarin het accent ligt op de verandering die ontstaat door de metabole reactie. Voor de foto’s van de pioniers van het onderzoek is de auteur dank verschuldigd aan de Nobel Foundation (Stockholm, Zweden), die een prachtige website ter beschikking stelt voor ieder die meer wil weten over de Nobel-laureaten van 1900 tot nu (7 http://nobelprize.org/ nobel_prizes/medicine/laureates/). Lezing van de wetenschappelijke voordrachten van deze pioniers is verhelderend over de stand van de kennis in die tijd, de gestelde vragen en de weg die werd afgelegd om tot een nieuw inzicht te komen. Dank aan Anne Dondertman van de Universiteit van Toronto, Canada voor de foto’s in verband met de ontdekking van insuline, naar Rumiko Yamamoto van de Kyoto Encyclopedia of Genomes and Genes voor reproductie van de metabole kaart, aan Alain Ktorza (Servier, Parijs) voor de reproductie van getekende organen, en naar Arnold Reuser en Ans van der Ploeg van het Pompe Center van ErasmusMC Rotterdam (7  www.pompecenter.nl) voor de microscopische opname van het spierbiopt. Mijn oprechte dank gaat uit naar collega’s en medewerkers die delen van het boek hebben gelezen en voorzien van waardevol commentaar: Sarah Debray, Prof. ­Etienne

VIII

Voorwoord

Waelkens, Dr. Katleen Lemaire, Prof. Peter in ’t Veld, Prof. Daniel Brasseur, Prof. M. Bollen en Prof. Myriam Baes. Dank ook aan de ‘proeflezers’ van delen van het manuscript: Suzanna Pauwels, Robert De Smet, Kris Van De Woestijne, Leontine Grozema, Evelien De Decker, Caroline Gillis, Kyra Smets, Sofie Dietvorst, Gert-Jan Eerdekens, Valérie Lobé, Levi Jannis, Benjamin Heymans, Lisa Moenaert, Freya Peeters, Lukas Marcelis, Anaïs De Landtsheer, Charlotte Vanwesemael en Ad Vandermeulen. Hulde aan Petra Rijntjes, Shirley Janssen, Gina Doedens, Fred Spek, Bart van Zenderen en Marie-José Spreeuwenberg voor de verzorgde uitgave van dit boek. Ten slotte gaat mijn dank naar Heidi, Isabelle, Thibault en Stephanie voor hun steun en begrip voor het tijdrovende aspect van het schrijven en tekenen van dit boek. Ik hoop dat dit boek werkt als een gids tijdens wat zal worden ervaren als een boeiende reis vol ontdekkingen en nieuwe perspectieven. Mogelijkerwijze zal de eerste verkenning van de kernleerstof in de opeenvolgende twaalf hoofdstukken studenten terugbrengen naar het beginpunt van een tweede lezing, waarin bepaalde van de aanvullingen dieper worden bestudeerd. Het boek kan gebruikt worden als een cyclus waarin de lezer ergens binnentreedt en door talrijke verwijzingen naar andere hoofdstukken een voor haar of hem logische weg zoekt. Studeren aan de universiteit is immers zich een eigen weg zoeken naar het onafhankelijk en kritisch nadenken over een gesteld proleem, met als doelstelling een oplossing te vinden die ondersteund wordt door wetenschappelijke evidentie. Welke weg je ook kiest, beste lezer, ik wens je veel genoegen met het bestuderen van metabolisme! Frans C. Schuit

Leuven, 28 februari 2010

IX

Voorwoord bij de tweede druk Na iets meer dan vier jaar verschijnt in een eerste herdruk het Leerboek Metabolisme. Gebleven is het tweesporentraject dat verband houdt met de eeuwenoude filosofie over weten en niet weten. Examens gaan over dingen die je moet weten en de eerste laag van het boek biedt houvast bij het aanleren en verwerken van examenleerstof. De tweede laag relativeert eigenlijk de eerste en dient voor het besef niet te weten, of maar een klein deel te weten. Dit wordt almaar belangrijker, omdat examenleerstof een steeds nietiger deel uitmaakt van de exponentieel groeiende medisch-wetenschappelijke literatuur. Het besef dat die enorme collectieve kennis grenzen heeft (waarover goede vragen gesteld kunnen worden) is een derde gradatie van wijsheid, die we als opleider binnen een academische opleiding zo graag zien wortelen bij de meeste studenten om bij sommigen uit te groeien tot meesterschap. De opleiding stelt eisen voor de doelgerichte student die zich goed moet thuisvoelen in een creditsysteem met zijn corset van diplomaruimte en studielast. Dezelfde opleiding mag niet voorbijgaan aan de deuropening waardoor een wetenschappelijke nieuwsgierige student voor eigen plezier en eigen rekening binnengaat om iets verder uit te zoeken dan voor het examen ‘moet’. Het Leerboek Metabolisme probeert deze twee gezichten van de academische opleiding in één opzet te verenigen. Er zijn ook punten veranderd in de tweede druk. Het studeren van afgebakende pakketten leerstof wordt vanaf nu ondersteund door online zelftoetsen, niet alleen van elk hoofdstuk, maar ook via drie geïntegreerde toetsen over de eerste laag van het hele boek. Dit maakt het studenten gemakkelijker om tijdens het jaar na te gaan of zij dingen weten. Het openen van deuren naar de wetenschappelijke horizon werd verder versterkt door talrijke nieuwe verwijzingen naar wetenschappelijke literatuur van de laatste 5-10 jaar. Bovendien werd een systematische verbinding gemaakt tussen de aangeboden leerstof en de steeds sneller uitbreidende en publiek toegankelijke informatie in verband met het menselijk genoom. Dit werd gedaan door de in een leerboek gebruikelijke namen van de enzymen van het metabolisme aan te vullen met de korte gennaam van het coderende menselijke gen. Eenvoudige zoekopdrachten op internet laten zo toe om aanknopingspunten te vinden tussen de informatie in het boek en het menselijke genoom. In de toekomst zouden dergelijke verbindingen alledaagser kunnen worden dan nu. Wie weet is een behandelend arts van 2040 vooral een coach die zijn of haar patiënten door kennis en inzicht kan begeleiden in het voorkomen (of uitstellen) van ziekte. De auteur hoopt dat het boek met aangebrachte veranderingen en verbeteringen kan bijdragen tot dit toekomstgerichte beeld van de medicus. De tweede druk had er niet gekomen zonder de hulp en waardevolle feedback van anderen. Dank aan Bart van Zenderen, Marije Roefs en Fenna Dunning van Bohn Stafleu van Loghum voor de lange weg tussen een getypt manuscript en een echt boek. Ook dank aan collega’s voor hun zeer geapprecieerde mening over de inhoud: Chistophe Matthys, Etienne Waelkens, Mathieu Bollen, Chantal Mathieu, Bart Van der Auwera, Frans Gorus, Danny Pipeleers en Zeger Debyser. Ten slotte dank aan studenten van de bachelor’s opleiding geneeskunde van de KU Leuven die delen van het bewerkte boek hebben gelezen en voorzien van waardevol commentaar: Anne-Cathérine Kempeneers, Marguerite De Peuter, Stijn Swinnen, Grégoire Coppens en Simon Buelens. Frans C. Schuit

Leuven, 15 november 2014

XI

Inhoud 1  Biomoleculen �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������    1 1.1  Inleiding ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������    3 1.2  Koolhydraten (suikers) �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������    3 1.2.1 Monosachariden en disachariden �����������������������������������������������������������������������������������������������������������    4 1.2.2 Polysachariden�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������    7 1.2.3 Glycosaminoglycanen���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������    9 1.2.4 Complexe suikers van de celmembraan�������������������������������������������������������������������������������������������������   10 1.3  Lipiden (vetten)�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������   11 1.3.1 Vetzuren maken esterbindingen �������������������������������������������������������������������������������������������������������������   13 1.3.2 Glycolipiden ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������   15 1.3.3 Overige lipiden����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������   19 1.4  Aminozuren, peptiden en proteïnen (eiwitten)�����������������������������������������������������������������������������   20 1.4.1 Polaire en apolaire zijketens����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������   21 1.4.2 Peptidebinding ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������   22 1.4.3 Primaire eiwitstuctuur en structuurhomologie�����������������������������������������������������������������������������������   23 1.5  Basen, nucleotiden en nucleïnezuren������������������������������������������������������������������������������������������������   29 1.5.1 Dubbele helixstructuur�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������   31 1.6  Enzymen zijn de katalysatoren van het metabolisme�����������������������������������������������������������������   34 1.7  Classificatie van enzymen�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������   37 Literatuur �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������   39 2  Wat is metabolisme?�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������   41 2.1  Inleiding ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������   43 2.2  Wat is metabolisme? ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������   44 2.3  Metabolisme is een groot actieterrein�����������������������������������������������������������������������������������������������   47 2.4  Metabole paden�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������   48 2.5  Metabole flux �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������   48 Anabole en katabole wegen�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������   51 2.6  2.6.1 Katabolisme ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������   51 2.6.2 Anabolisme�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������   53 2.7  Ribonucleotiden als metabole dragers ���������������������������������������������������������������������������������������������   54 2.7.1 ATP���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������   56 2.7.2 NADH, NADPHen FADH2�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������   59 2.7.3 Co-enzym A�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������   60 2.7.4 Andere dragers�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������   61 2.8  Het metabolisme wordt intensief geregeld�������������������������������������������������������������������������������������   62 2.8.1 Regeling van de hoeveelheid parallel werkende enzymmoleculen ���������������������������������������������   63 2.8.2 Regeling van de enzymactiviteit �������������������������������������������������������������������������������������������������������������   63 2.8.3 Regeling van de toegankelijkheid van het enzym voor het substraat�����������������������������������������   65 2.8.4 Beperken van diffusieafstanden en ongewenste reacties ���������������������������������������������������������������   65 2.8.5 Verdeling van metabole paden over celcompartimenten���������������������������������������������������������������   66 2.9  Stofwisselingsziekten �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������   68 2.10  Metabool onderzoek���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������   71 2.11  Metabolisme op het internet�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������   73 Literatuur �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������   75

XII

Inhoud

3  Glycolyse �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  77 3.1  Inleiding ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  78 3.2  Een oude heirbaan afgelijnd met wetenschappelijke mijlpalen���������������������������������������������  78 3.3  Overzicht van de glycolyse ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  81 3.3.1 Glucoseopname in de cel���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  82 3.3.2 Het chemisch mechanisme van de glycolyse���������������������������������������������������������������������������������������  85 3.3.3 De verdere metabole bestemming van pyruvaat�������������������������������������������������������������������������������  92 3.4  Regeling van de glycolyse�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  97 3.4.1 Regeling van bestaande enzymen�����������������������������������������������������������������������������������������������������������  97 3.4.2 Regeling door aanmaak van nieuwe enzymen �����������������������������������������������������������������������������������  99 3.5  Metabolisme van fructose en galactose ������������������������������������������������������������������������������������������� 101 3.5.1 Gevolgen van toegenomen sucrosegebruik����������������������������������������������������������������������������������������� 102 3.5.2 Lactose is de voedingssuiker van zoogdierenmelk ��������������������������������������������������������������������������� 103 Literatuur ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 105 4  Mitochondriale koolstofverbranding��������������������������������������������������������������������������������������� 107 4.1  Mitochondriën ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 110 4.2  Oxidatieve decarboxylering������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 113 4.2.1 Het pyruvaatdehydrogenasecomplex���������������������������������������������������������������������������������������������������� 113 4.2.2 Regeling van het pyruvaatdehydrogenasecomplex��������������������������������������������������������������������������� 116 4.3  Citroenzuurcyclus��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 116 4.3.1 Algemeen ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 116 4.3.2 Regeling van de flux van de citroenzuurcyclus����������������������������������������������������������������������������������� 120 4.3.3 Biosynthetische functies van de citroenzuurcyclus: anaplerose����������������������������������������������������� 121 4.4  Bèta-oxidatie van vetzuren��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 122 4.4.1 Vetzuuropname, vetzuuractivering en vetzuurimport in de mitochondriale matrix��������������� 124 4.4.2 De eigenlijke bèta-oxidatie ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 126 4.4.3 Ketonlichamen����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 129 4.4.4 Peroxisomale vetzuuroxidatie������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 131 4.5  Aminozuuroxidatie������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 133 Literatuur ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 135 5  Oxidatieve fosforylering ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 137 5.1  Inleiding ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 138 5.2  Overzicht van de oxidatieve fosforylering��������������������������������������������������������������������������������������� 138 5.3  Energetica van redoxreacties����������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 140 5.4  Overzicht van de elektronentransportketen����������������������������������������������������������������������������������� 143 5.5  Eiwitcomplexen van de elektronentransportketen ��������������������������������������������������������������������� 144 5.6  Mitochondriale ATP-synthase ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 148 5.7  Maximaal rendement van de oxidatieve fosforylering��������������������������������������������������������������� 149 5.8  Respiratoire ontkoppeling ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 153 5.9  Zuurstof is een potentieel gevaarlijk molecuul ����������������������������������������������������������������������������� 154 5.10  Shuttles voor cytoplasmatisch NADH������������������������������������������������������������������������������������������������� 156 5.11  Mitochondriale ziekten����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 156 Literatuur ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 160 6  Glycogeenmetabolisme, gluconeogenese en pentosefosfaatweg ����������������������� 161 6.1  Inleiding ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 163

Inhoud

XIII

6.2  Glycogeenmetabolisme��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 165 6.3  Glycogenolyse ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 166 6.4  Glucose-1-fosfaat in lever en spieren ������������������������������������������������������������������������������������������������� 168 6.5  Glycogeensynthese ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 169 6.6  Regeling van het glycogeenmetabolisme ��������������������������������������������������������������������������������������� 171 6.7  Gluconeogenese ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 174 6.7.1 Drie bijzondere reacties������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 174 6.7.2 Eiwit- en vetreserve leveren belangrijke substraten��������������������������������������������������������������������������� 177 6.8  Reciproke regeling van gluconeogenese en glycolyse ��������������������������������������������������������������� 178 6.9  Glycogenosen����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 182 6.10  Pentosefosfaatweg������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 185 6.10.1 Inleiding����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 185 6.10.2 De oxidatieve fase����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 186 6.10.3 Interconversie tussen pentosefosfaten��������������������������������������������������������������������������������������������������� 187 6.10.4 Transketolase en transaldolase sluiten de pentosefosfaten aan op de glycolyse��������������������� 187 6.10.5 Vier verschillende modaliteiten van werking van de pentosefosfaatweg����������������������������������� 189 Literatuur ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 193 7  Vetzuur- en cholesterolsynthese������������������������������������������������������������������������������������������������� 195 7.1  Inleiding ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 197 7.2  Vetzuursynthese ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 197 7.2.1 Inleiding����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 197 7.2.2 Vetzuursynthese is niet het omgekeerde van bèta-oxidatie����������������������������������������������������������� 198 7.2.3 Drie fasen van de vetzuursynthese ��������������������������������������������������������������������������������������������������������� 198 7.2.4 Vetzuursynthase maakt palmitaat����������������������������������������������������������������������������������������������������������� 202 7.2.5 Vetzuurelongatie en -desaturatie������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 205 7.2.6 Reciproke regeling van vetzuursynthese en bèta-oxidatie van vetzuren ����������������������������������� 209 7.2.7 Van vetzuren naar triglyceriden en terug ��������������������������������������������������������������������������������������������� 209 7.3  De novo cholesterolsynthese����������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 213 7.3.1 Inleiding����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 213 7.3.2 Drie fasen in de de novo synthese van cholesterol����������������������������������������������������������������������������� 215 7.3.3 Synthese van IPPP, de geactiveerde bouwsteen��������������������������������������������������������������������������������� 215 7.3.4 Polymerisatie van IPPP tot squaleen (C30) ������������������������������������������������������������������������������������������� 216 7.3.5 Ringvorming en zijketenmodificaties����������������������������������������������������������������������������������������������������� 217 7.3.6 Synthese van andere isoprenoïden��������������������������������������������������������������������������������������������������������� 218 7.4  Afstemming van de flux van de novo cholesterolsynthese op opnamemogelijkheid van exogeen cholesterol����������������������������������������������������������������������������� 219 7.4.1 Verdeling van voedings- en de novo cholesterol over het lichaam door lipoproteïnen��������� 219 7.4.2 Relatie tussen de novo synthese en aanvoer van voedingscholesterol��������������������������������������� 224 7.4.3 Cholesterolopstapeling in de vaatwand veroorzaakt atherosclerose������������������������������������������� 227 7.4.4 Statinen remmen de enzymatische flux van HMG-CoA-reductase ����������������������������������������������� 230 Literatuur ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 231 8  Vetzuur- en cholesterolafgeleiden��������������������������������������������������������������������������������������������� 235 8.1  Van vetzuren afgeleide membraanlipiden��������������������������������������������������������������������������������������� 237 8.1.1 Glycerolipiden ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 237 8.1.2 Sfingolipiden ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 242 8.2  Lipid messengers���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 243

XIV

Inhoud

8.3  Eicosanoïden������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 245 8.3.1 Prostaglandinen��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 246 8.3.2 Leukotriënen��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 249 8.4  Het cytochroom-P450-systeem��������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 251 8.4.1 Een veel gebruikte chemische reactie ��������������������������������������������������������������������������������������������������� 252 8.4.2 Een grote genenfamilie������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 252 8.5  Van cholesterol afgeleide biomoleculen������������������������������������������������������������������������������������������� 254 8.5.1 Galzouten�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 254 8.5.2 Steroïdhormonen����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 255 8.5.3 Vitamine D en hiervan afgeleide stoffen����������������������������������������������������������������������������������������������� 265 Literatuur ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 268 9  Aminozuurmetabolisme ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 271 9.1  Inleiding ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 273 9.2  Essentiële en niet-essentiële aminozuren ��������������������������������������������������������������������������������������� 274 9.2.1 Inleiding����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 274 9.2.2 De novo synthese van niet-essentiële aminozuren ��������������������������������������������������������������������������� 276 9.3  Aminozuurkatabolisme ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 280 9.3.1 Afbraak van het koolstofskelet van aminozuren��������������������������������������������������������������������������������� 280 9.3.2 Stikstof van aminozuurdegradatie wordt geëlimineerd als ureum����������������������������������������������� 284 9.4  Van aminozuren afgeleide stoffen������������������������������������������������������������������������������������������������������� 289 9.4.1 Inleiding����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 289 9.4.2 Creatine, carnitine en carnosine��������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 289 9.4.3 Heemsynthese����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 291 9.4.4 Afbraak van heem����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 294 9.4.5 Polyaminen����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 297 9.4.6 Stikstofmonoxide (∙NO)������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 298 9.4.7 Catecholaminen��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 300 9.4.8 Melanine ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 302 9.4.9 Serotonine en melatonine������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 304 9.4.10 Glutamine, glutamaat en GABA ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 307 9.4.11 Thyroxine��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 308 9.4.12 Histamine��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 309 Literatuur ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 310 10  Nucleotidenmetabolisme����������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 315 10.1  Homeostase van ribo- en desoxyribonucleotiden ����������������������������������������������������������������������� 316 10.2  Purinesynthese��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 318 10.2.1 De novo purinesynthese����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 318 10.2.2 Salvageweg van purinesynthese ������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 323 10.2.3 Antimetabolieten van de purinesynthese��������������������������������������������������������������������������������������������� 324 10.3  Pyrimidinesynthese����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 326 10.4  Synthese van DNA-bouwstenen����������������������������������������������������������������������������������������������������������� 328 10.4.1 Reductie van ribose ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 328 10.4.2 Synthese van dTMP��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 330 10.4.3 Antimetabolieten van pyrimidininesynthese��������������������������������������������������������������������������������������� 331 10.5  Katabolisme van nucleotiden ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 332

Inhoud

XV

10.5.1 Oorzaak en gevolg van jicht����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 335 Literatuur ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 338 11  Voeding��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 341 11.1  Inleiding ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 343 11.2  Voedingsgewoonten��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 345 11.3  Ondervoeding (malnutritie)������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 346 11.4  Essentiële en niet-essentiële voedingsstoffen ������������������������������������������������������������������������������� 348 11.5  Aanbevolen hoeveelheden��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 350 11.5.1 Algemeen ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 350 11.5.2 Dagelijkse waterbehoefte��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 355 11.5.3 Dagelijkse energiebehoefte����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 355 11.6  Macronutriënten����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 358 11.6.1 Koolhydraten ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 358 11.6.2 Vetten (lipiden) ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 360 11.6.3 Eiwitten������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 364 11.7  Micronutriënten������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 370 11.7.1 Mineralen��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 370 11.7.2 Calcium������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 371 11.7.3 Fosfor ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 371 11.7.4 Zink ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 372 11.7.5 IJzer������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 373 11.7.6 Jodium ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 376 11.7.7 Fluor ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 376 11.7.8 Koper����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 377 11.7.9 Selenium ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 377 11.7.10 Natrium en chloor����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 380 11.7.11 Kalium��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 380 11.7.12 Magnesium����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 380 11.7.13 Toxische metalen������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 381 11.7.14 Vitaminen��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 382 11.7.15 Vetoplosbare vitaminen ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 384 11.7.16 Wateroplosbare vitaminen������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 389 Literatuur ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 396 12  Lichaamsmetabolisme ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 403 12.1  Inleiding ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 405 12.2  Energiebehoefte van organen en weefsels ������������������������������������������������������������������������������������� 406 12.3  De glucosehomeostase����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 407 12.3.1 Inleiding����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 407 12.3.2 Postprandiale fase����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 408 12.3.3 Tussen de maaltijden����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 410 12.4  Homeostase van de triglyceridenvoorraad ������������������������������������������������������������������������������������� 413 12.5  Interacties tussen glucose- en triglyceridenhomeostase����������������������������������������������������������� 414 12.6  Metabole adaptaties aan mechanische arbeid������������������������������������������������������������������������������� 419 12.7  Diabetes is een toestand van gestoorde glucosehomeostase������������������������������������������������� 422 12.7.1 Criteria voor de diagnose van diabetes ������������������������������������������������������������������������������������������������� 424

XVI

Inhoud

12.7.2 Type-1-diabetes��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 426 12.7.3 Type-2-diabetes��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 430 12.7.4 Diabetescomplicaties����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 432 12.7.5 Monogene vormen van diabetes������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 434 12.8  Obesitas als afgeweken triglyceridenhomeostase ����������������������������������������������������������������������� 435 12.8.1 Prevalentie van obesitas en overgewicht ��������������������������������������������������������������������������������������������� 435 12.8.2 De vetcel als mogelijk doelwit in het behandelen van obesitas����������������������������������������������������� 436 12.8.3 Obesitas: erfelijke bepaalde factoren interageren met omgevingsfactoren ����������������������������� 439 Literatuur ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 440  Register��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 447

1

Biomoleculen Samenvatting Hoofdstuk 1 bespreekt de structuur en functie van de belangrijkste biomoleculen. Eerst bekijken we de koolhydraten (suikers), die brandstof zijn in het energiemetabolisme maar ook uitblinken als structuurgevende moleculen. De tweede groep zijn de lipiden (vetten), die met hun apolaire groepen grenzen vormen in een ‘levende waterwereld’ (biologische membranen). Vetten vormen met triglyceriden ook een uitmuntende vorm van strategische brandstof. De derde groep biomoleculen bestaat uit proteïnen (eiwitten), die opgebouwd zijn als een ketting van twintig soorten aminozuren. Proteïnen staan centraal in het uitvoeren van metabole functies: we denken hierbij aan de vele enzymen die chemische reacties katalyseren en vele hormonen die regelaars zijn van het metabolisme. De vierde groep biomoleculen bestaat uit informatiedragende nucleïnezuren RNA (ribonucleïnezuur) en DNA (desoxyribonucleïnezuur). DNA bevat de erfelijke informatie die de eiwitten coderen om een mens te laten functioneren; RNA is de vanuit DNA afgeschreven informatie die een interface maakt tussen DNA en eiwitten.

1.1 Inleiding – 3 1.2 Koolhydraten (suikers) – 3 1.2.1 Monosachariden en disachariden – 4 1.2.2 Polysachariden – 7 1.2.3 Glycosaminoglycanen – 9 1.2.4 Complexe suikers van de celmembraan – 10

1.3 Lipiden (vetten) – 11 1.3.1 Vetzuren maken esterbindingen – 13 1.3.2 Glycolipiden – 15 1.3.3 Overige lipiden – 19

1.4 Aminozuren, peptiden en proteïnen (eiwitten) – 20 1.4.1 Polaire en apolaire zijketens – 21 1.4.2 Peptidebinding – 22 1.4.3 Primaire eiwitstuctuur en structuurhomologie – 23 F. C. Schuit, Leerboek metabolisme, DOI 10.1007/978-90-368-0620-6_1, © 2015 Bohn Stafleu van Loghum, onderdeel van Springer Media BV

1

1.5 Basen, nucleotiden en nucleïnezuren – 29 1.5.1 Dubbele helixstructuur – 31

1.6 Enzymen zijn de katalysatoren van het metabolisme – 34 1.7 Classificatie van enzymen – 37 Literatuur – 39

1.2 • Koolhydraten (suikers)

3

1.1 Inleiding

Metabolisme of stofwisseling is de verzamelnaam voor alle chemische reacties die het leven nodig heeft om zichzelf in stand te houden, te groeien, zich als soort te verdedigen en nakomelingen te produceren. In dit hoofdstuk zullen we dieper ingaan op dit begrip en de eerste globale schets van het metabolisme maken. In de tien hoofdstukken die daarop volgen, werken we onderdelen van deze schets verder uit. Het laatste hoofdstuk (7 H. 12) integreert de onderdelen weer tot één geheel. In het eerste hoofdstuk van dit boek zullen we de biochemische basis bekijken die nodig is voor het begrijpen van alle andere hoofdstukken. We zullen beginnen met het bespreken van de belangrijke soorten biomoleculen die betrokken zijn in het metabolisme, zowel in het uitvoeren als het regelen van dit proces. De eerste groep bestaat uit de suikers (koolhydraten), die niet alleen een sleutelrol spelen in het energiemetabolisme maar ook uitblinken in de natuur als structuurgevende moleculen. Ten tweede wordt de structuur van vetten kort samengevat. Hier treedt het verschil op de voorgrond tussen polaire en apolaire groepen in de intermoleculaire interacties in een ‘waterwereld’. Dit gegeven bepaalt de vorming van biologische membranen, die het leven afbakenen in microscopisch kleine compartimenten. Vervolgens bekijken we de eiwitten, polymeren die zijn opgebouwd uit twintig verschillende soorten aminozuren en betrokken zijn bij ongeveer alles wat in levende materie gebeurt. We bekijken hierbij de (evolutionair bepaalde) gelijkenissen tussen leden van eiwitfamilies (paralogen) en de gelijkenissen tussen hetzelfde type eiwit in verschillende diersoorten (orthologen). Ten vierde bekijken we de nucleïnezuren en nucleotiden, die onder meer cruciaal zijn als informatiedragende moleculen. Het laatste deel van dit hoofdstuk geeft een korte inleiding over enzymen. Het gaat hier om zeer krachtige maar ook reactiespecifieke en regelbare katalysatoren, die absoluut noodzakelijk zijn om de reacties van het metabolisme met de gewenste snelheid te laten verlopen. Leerdoelen 55 structuur en functie van de grote groepen biomoleculen kunnen plaatsen; 55 het verschil tussen orthologe en paraloge verwantschap tussen eiwitten begrijpen; 55 inzicht hebben in het principe van de katalytische werking van enzymen.

Studeeraanwijzing Voorkennis van elementaire scheikunde, natuurkunde, biologie en wiskunde is noodzakelijk. Met deze voorkennis wordt de tijdsbesteding aan de kernleerstof van dit hoofdstuk geschat op 8 uur.

1.2 Koolhydraten (suikers)

De eerste belangrijke groep biomoleculen is die van de suikers (koolhydraten). . Tabel 1.1 geeft een overzicht van een aantal belangrijke suikers. Men onderscheidt monosachariden (enkelvoudige suikers) van di-, oligo- en polysachariden (meervoudige suikers). De belangrijkste monosachariden, met zes koolstofatomen (hexosen), zijn glucose, fructose, mannose en galactose; deze spelen een bijzondere rol als metabolieten, dit zijn stoffen die deelnemen aan reacties in metabole paden. Twee monosachariden met vijf koolstofatomen zijn ribose en desoxyribose: deze suikers maken deel uit van nucleïnezuren. De kleinste monosachariden met drie koolstofatomen zijn glyceraldehyde en dihydroxyaceton. Samen vertegenwoordigen koolhydraten het grootste deel van de biomassa op aarde, dit vooral vanwege cellulose en chitine.

1

4

1

Hoofdstuk 1 • Biomoleculen

. Tabel 1.1  De belangrijkste koolhydraten. Soort

Functie(s)

Monosachariden glyceraldehyde en dihydroxyaceton

metabolisme (als fosfaatderivaten)

ribose, desoxyribose

bouwstenen van RNA, DNA en nucleotiden

glucose, galactose, fructose

belangrijke brandstoffen voor het metabolisme

disachariden sucrose, lactose

voedingsstoffen (tafelsuiker, melksuiker)

maltose

splitsingsproduct van zetmeel

Oligosachariden eenheden (residuen) van o.a. mannose, fucose, siaalzuur, glucuronzuur, N-acetylgalactose, N-acetylglucosamine zijn gebonden aan bepaalde serine-, threonine- of asparaginezijketens van eiwitten (glycoproteïnen) of aan ceramide (glycolipiden);

talrijke functies

Polysachariden glycogeen/zetmeel

glucosepolymeer (reserve in dieren/planten)

cellulose/chitine

celwand (planten)/exoskelet (insecten/schaaldieren)

glycosaminoglycanen (heparine, chondroïtinesulfaat, kerataansulfaat, dermataansulfaat, hyaluronzuur – onderdeel van proteoglycanen)

talrijke functies in extracellulaire matrix

Belangrijke functies van koolhydraten zijn onder meer: 55 Metabool: enkelvoudige suikers, disachariden, glycogeen en zetmeel zijn bijzonder belangrijk voor het energiemetabolisme, zoals besproken wordt in de hoofdstukken 2 tot en met 6. 55 Structureel: zeer grote koolhydraten vormen vezelachtige structuren die planten, insecten en schaaldieren een skelet geven. Ribose en desoxyribose zijn structuurgevende elementen van de ruggengraat van RNA en DNA. Glycosaminoglycanen zijn geladen suikerpolymeren die zeer veel water binden en vorm geven aan de intercellulaire matrix. 55 Cel-celinteracties: een nog maar ten dele begrepen functie wordt waargenomen door vertakte oligosachariden die deel uitmaken van membraanglycoproteïnen en -glycolipiden. De koolhydraten van deze moleculen zijn verantwoordelijk voor onder andere cel-celinteracties. 55 Diverse functies, zoals het bepalen van de levensduur van een in het bloed circulerend eiwit, de eiwitadressering, het voorkomen van bloedstolling en het moleculair ‘smeren’ van gewrichten, worden ook waargenomen door complexe suikers. 1.2.1 Monosachariden en disachariden

De naam koolhydraten is afgeleid van de vereenvoudigde stoichiometrie (CH2O)n van deze moleculen, die te verklaren is door het feit dat koolhydraten bij benadering op elk koolstofatoom één alcoholgroep en één H-atoom dragen. Dit is echter een te simpele voorstelling van de structuur.

1.2 • Koolhydraten (suikers)

5

. Figuur 1.1  Fischer-projectie van monosachariden. Linksboven: glyceraldehyde heeft één chiraal centrum (blauw C-atoom) waarvan twee ruimtelijke spiegelbeelden bestaan. Links onder: Fischer-projectie van deze spiegelbeelden. Rechts: de aldohexosen D-glucose, D-mannose en D-galactose hebben de absolute ruimtelijke formatie van D-glyceraldehyde ter hoogte van het vijfde koolstofatoom. Deze suikers bezitten drie extra chirale groepen (C2, C3 en C4). D-mannose is de C2-epimeer D-glucose en D-galactose de C4-epimeer. In het midden een foto van Emil Fischer, de wetenschapper die de chirale centra van suikers ontdekte.

. Figuur 1.2  Haworth-projectie van glucose, galactose en mannose. Links staat de herschikking van de openketenstructuur van D-glucose tot een zesring, met nadruk op de hemi-acetaalbinding. Hierdoor wordt C1 een nieuw chiraal centrum en bestaan alfa- en bèta-anomeren van D-glucose. Daarnaast het ruimtevullende (Van der Waals) en stoelmodel van bèta-D-glucose. De foto toont Norman Haworth die de ringstructuur van suikers en vitamine C bedacht. Rechts de Haworth-projectie van de bèta-anomeren van D-galactose en Dmannose. De blauwe pijltjes wijzen op de bèta-configuratie van de OH-groep.

Zoals te zien is in de Fischer-projectie, genoemd naar de chemicus Emil Fischer (.  figuur 1.1), is de structuur van suikers inderdaad veel ingewikkelder door ruimtelijke centra van asymmetrie die ontstaan wanneer vier verschillende groepen aan een koolstofatoom vastzitten. Bovendien kan het eerste koolstofatoom zijn aldehydegroep herschikken tot een alcoholgroep en een covalente binding aangaan met de zuurstof van de voorlaatste OH-groep (.  figuur 1.2). Hierdoor ontstaan een hemi-acetaalbinding en een pyraanachtige zesring, het D-glucopyranose. De nieuwe C1-structuur is een bijkomend chiraal (asymmetrisch) centrum geworden, waarvan twee ruimtelijke isomeren bestaan, het zogeheten alfa- en bèta-anomeer. Deze structuren zijn ruimtelijk voorgesteld in de Haworth-projectie, genoemd naar de Britse pionier die voor het eerst een theorie ontwikkelde over de ringvormige structuren van suikers (. figuur 1.2).

1

6

Hoofdstuk 1 • Biomoleculen

1

. Figuur 1.3  D-fructose. Deze ketohexose vormt vooral vijfringen (furanose), waarbij weer alfa- en bètaanomeren bestaan.

. Figuur 1.4  Disachariden worden gekenmerkt door de aard van de suikerbouwstenen en het type glycosidebinding. In sucrose zijn de twee anomerische C-atomen betrokken. Maltose bezit een alfa-1,4-glycosidebinding, terwijl lactose een bèta-1,4-glycosidebinding vertoont.

Haworth voorspelde ook dat D-fructose, een ketohexose, via hetzelfde principe twee op furaan lijkende vijfringen kan vormen: alfa- en bèta-fructofuranose (.  figuur 1.3). Ten slotte leverde het werk van Haworth de basis voor de glycosidebinding (.  figuur 1.4). Dit is een chemische binding tussen twee OH-groepen van een furanose en pyranose (zoals in sucrose), of van een pyranose met een andere pyranose (zoals in lactose). Via hetzelfde principe kunnen met extra glycosidebindingen meer suikers covalent worden vastgehecht. Zo ontstaan oligo- en polysachariden.

1.2 • Koolhydraten (suikers)

7

Pioniers Fischer en Haworth Emil Fischer en Norman Haworth hebben beiden baanbrekend onderzoek gedaan in het domein van de structuur van suikers en werden voor hun bijdragen bekroond met de Nobelprijs voor Chemie (Fischer in 1902 en Haworth in 1937). Fischer bouwde op eerder pionierswerk van Louis Pasteur (de ontdekker van stereochemie) en was de eerste die de stereochemie van suikers bestudeerde. De ruimtelijke structuur is relevant, want het metabolisme ‘aanvaardt’ alleen D-glucose, om de eenvoudige reden dat L-glucose niet in cellen kan worden opgenomen. Dit betekent dat de eiwitkanaaltjes die glucose voor het transport door de celmembraan als substraat herkennen (7 par. 3.3.1), alleen de D-enantiomeer doorlaten. Fischer was ook de eerste die de structuur van purinen bepaalde en hij had ook interesse voor aminozuren. Haworth heeft een grote bijdrage geleverd aan het begrijpen van de driedimensionale structuur van suikers; dit bleek belangrijk om in te zien hoe oligo- en polysachariden in elkaar zitten. Vooral het doorgronden van de alfa- en bèta-glycosidebindingen tussen de ringvormige suikerresiduen was belangrijk. Ook dit heeft praktische relevantie want, in tegenstelling tot de alfa-glycosidebindingen van zetmeel, kunnen de bèta-glycosidebindingen van cellulose niet verteerd worden door onze spijsverteringsenzymen. Haworth bepaalde ook de structuur van vitamine C. De persoonlijke achtergrond van beide wetenschappers is het vermelden waard. Fischers vader was industrieel en vond zijn zoon ‘te dom voor de zakenwereld’, dus moest hij maar scheikunde gaan studeren (Bonn, 1871, later Straatsburg en München). Haworth daarentegen, moest op zijn veertiende van school om zijn vader te helpen met de zaak (linoleum vloerbedekking). Door eigen inzet en wilskracht vond Haworth zelf de weg naar de universiteit, waar hij als twintigjarige begon en al snel een uitblinker bleek te zijn. De invloed van beide onderzoekers is merkbaar in alle leerboeken over suikers of suikermetabolieten, omdat de wijze waarop de suikerstructuur is afgebeeld, evenals het onderscheid tussen structuurisomeren, het resultaat is van hun speurwerk.

1.2.2 Polysachariden

De structuurgevende polysachariden cellulose en chitine hebben een zeer gelijksoortige opbouw (.  figuur  1.5), met bèta-1,4-glycosidebindingen tussen de bouwstenen en extra verstevigende H-bruggen. Cellulose is veruit het meest voorkomende biomolecuul op aarde, met een biomassa van vele triljoenen tonnen en een jaarlijkse productie/afbraak van meer dan 1015 kilogram. De mens is echter (net als de termiet) zeer hongerig naar cellulose, want het is het hoofdbestanddeel van hout. Papier is een vrij zuivere vorm van cellulose, die wordt gezuiverd uit houtpulp. Cellulose vormt een belangrijke component van de celwand van vele plantaardige cellen en geeft deze cellen hun mechanische stevigheid. De vezels van het polysacharide worden stevig bijeengehouden door hemicellulose, een complex mengsel van andere structuurpolysachariden, dat optreedt als een soort moleculair cement. Chitine (. figuur 1.5) is de structuurpolysacharide van het exoskelet van insecten en schaaldieren. In deze laatste diergroep is het polysacharide op bepaalde posities sterk gemineraliseerd. Een vergelijking is hier te maken met sommige typen collageenvezels in gewervelde dieren, die in botten gemineraliseerd worden met calcium. Na cellulose is chitine het meest voorkomende biomolecuul op aarde.

1

8

Hoofdstuk 1 • Biomoleculen

1

. Figuur 1.5  Gelijkenis tussen cellulose en chitine. Deze twee structuurgevende polysachariden zijn opgebouwd uit bèta-1,4-glycosidebindingen. De stijfheid van de vezelige polymeer is te danken aan H-bruggen tussen de 3’-OH groep en de ringzuurstof. Het verschil tussen beide moleculen is dat de 2’-OH-groep van cellulose is vervangen door de N-acetylgroep in chitine. De bouwsteen is daarom N-acetylglucosamine.

. Figuur 1.6  Amylopectine van zetmeel is net als glycogeen (7 H. 6) een vertakte structuur die is opgebouwd uit alfa-D-glucopyranose-eenheden. Let op de aard van de bindingen, die totaal anders is dan in cellulose.

Levende wezens, van bacterie tot mens, gebruiken homopolymeren van D-glucose ook als opslagplaats voor energie. Deze reserve wordt opgebouwd in tijden van metabole overvloed en weer afgebroken op momenten van schaarste aan directe brandstoffen. Bacteriën gebruiken voor dit doel dextranen, planten zetmeel en dieren glycogeen. De dextranen zijn voor de mens belangrijk omdat ze een bestanddeel vormen van de tandplaque. Zetmeel komt voor als grote korrels in het cytoplasma van plantaardige cellen, in het bijzonder in graankorrels en knollen. Het polysacharide bestaat – net als cellulose – uitsluitend uit D-glucose, maar dit polymeer heeft een zeer verschillende ruimtelijke structuur. Zetmeel bevat moleculair twee componenten: het vertakte amylopectine en het onvertakte amylose. Amylose is een lineair polymeer met uitsluitend alfa-1,4-bindingen tussen de glucoseresiduen. Ruimtelijk vormt de keten een losse helix, de amylosehelix. In amylopectine worden glucoseketens gevormd via alfa-1,4-bindingen en vertakkingen via alfa-1,6-bindingen (.  figuur 1.6). De lengte van en het aantal takken per molecuul zetmeel varieert tussen verschillende soorten planten. De helicale structuur van de ketens en de vertakkingen zorgt ervoor dat amylopectine bolvormig is.

1.2 • Koolhydraten (suikers)

9

. Figuur 1.7  Structuur van twee glycosaminoglycanen. Let op de repeterende disachariden (waarin aminosuikers) en op de negatieve ladingen van de bouwstenen. In hyaluronzuur is de negatieve lading te danken aan de carboxylgroepen van glucuronzuur. In heparine zijn drie repeats getoond: de suikers zijn veresterd met negatief geladen sulfaatgroepen (–SO3– gesymboliseerd als gele S in een paarse bol).

De mens bezit spijsverteringsenzymen (speekselamylase en pancreatisch amylase) om de alfa-1,4-glycosidebindingen van zetmeel te hydrolyseren. Hierdoor ontstaat onder andere maltose (.  figuur 1.4), dat verder afgebroken wordt tot D-glucose. De mens bezit echter geen enzymen om de bèta-1,4-bindingen van cellulose door hydrolyse te verbreken. Hierdoor wordt cellulose in de dunnedarmholte niet verteerd, maar komt het als onverteerbare ‘vezels’ in de dikke darm terecht. Daar zullen micro-organismen een deel van de vezels fermenteren tot korteketenvetzuren. Zo vormen ze een waardevolle brandstof voor menselijke cellen van het colonslijmvlies: een symbiose tussen microben en menselijke cellen. Een voldoende hoeveelheid onverteerbare vezels in het voedsel vergemakkelijkt bovendien de passage van de inhoud van de dikke darm. Bepaalde eencelligen (protozoa en bacteriën) en zwammen (fungi) kunnen cellulose wel hydrolyseren, omdat ze cellulase bezitten. Dergelijke protozoa en bacteriën leven in symbiose in de darmtractus van termieten (Tokuda & Watanabe, 2007). In grasetende herkauwers leven symbiotische bacteriën in de gespecialiseerde maag (Wang et al., 2009). Dierlijk glycogeen (7 par. 6.2) is een vertakte glucosepolymeer, die lijkt op amylopectine. 1.2.3 Glycosaminoglycanen

Bij de mens spelen proteoglycanen een belangrijke rol in de intercellulaire matrix, waar ze zorgen voor hydratatie, structuur, cel-cel-signalling en regeling van groei en differentiatie. Deze stoffen bestaan voor 95% uit suikers en voor 5% uit eiwit, zijn sterk negatief geladen, binden daardoor veel water en kationen en vormen de basis van de extracellulaire matrix. Het suikergedeelte (glycosaminoglycaan) bestaat uit repeterende disachariden, waaronder minstens één aminosuiker (. figuur 1.7). Deze suikers zijn negatief geladen door een carboxylgroep of door sulfatering van een amino- of alcoholgroep. De ladingen zorgen voor binding van watermantels en de interactie met positieve ladingen van andere macromoleculen. Voorbeelden van dergelijke glycosaminoglycanen zijn hyaluronzuur, heparine, heparaansulfaat, chondroïtinesulfaat en kerataansulfaat.

1

10

Hoofdstuk 1 • Biomoleculen

1

. Figuur 1.8  O-gebonden (links) en N-gebonden (rechts) oligosachariden op respectievelijk een serine/threonine- en een asparagineresidu van de glycoproteïne. De suikerbouwstenen zitten met specifieke glycosidebindingen aan elkaar. GalNAc = N-acetylgalactosamine; GlcNAc = N-acetylglucosamine.

Hyaluronzuur is een polymeer van glucuronzuur en N-acetylglucosamine (.  figuur  1.7). Het komt als vrij polysacharide veel voor in de synoviale vloeistof (gewrichten), in het glasachtig lichaam van het oog en in de geleiachtige structuur in de navelstreng. Het verhoogt door de langgerekte vorm de viscositeit van deze vochten en smeert de gewrichten. Bovendien vormt hyaluronzuur een onderdeel van een gigantisch proteoglycaan in kraakbeen. Heparine is een belangrijk glycosaminoglycaan in verband met de bloedcirculatie. Het polysacharide is aanwezig in de suikerrijke bekleding van de endotheelcellen, die de bloedvatwanden vormen. Heparine bindt sterk aan een eiwit van de bloedbaan, het antitrombine III. Het complex tussen beide macromoleculen voorkomt de bloedstolling omdat het de geactiveerde trombine verhindert om in te werken op fibrinogeen. Op deze wijze zal de bloedstolling in principe alleen starten op plaatsen waar de vaatwand beschadigd is, bijvoorbeeld na een verwonding. Vanwege deze werking wordt heparine in de geneeskunde veel gebruikt als antistollingsmiddel. 1.2.4 Complexe suikers van de celmembraan

In de celmembraan van dierlijke cellen bevinden zich vaak complexe suikers die een nog onvolledig opgehelderde rol spelen in de biologie en pathologie van cellen. De suikers zitten aan de buitenkant van de membraan in de vorm van vertakte oligosachariden, die covalent verbonden zijn met serine-/threonine- of asparaginezijketens van glycoproteïnen. De eerste groep (links in .  figuur 1.8) zijn de O-gebonden oligosachariden; deze zitten ook vast aan het ceramidegedeelte van glycolipiden. De tweede groep zijn de N-gebonden oligosachariden. Het aantal verschillende oligosachariden is enorm en dit heeft twee redenen: a. een vrij groot aantal chemische bouwstenen (. figuur 1.8 toont er slechts een deel van); b. elk suikerresidu kan op verschillende manieren (alfa- en bèta-; 1→2, 1→3, 1→4, 1→6) aan een ander suikerresidu vastzitten. De chemische ‘informatica’ van de complexe oligosachariden is dan ook moeilijker te achterhalen dan de beter begrepen informatica van eiwitten en nucleïnezuren.

1.3 • Lipiden (vetten)

11

. Figuur 1.9  Water (H2O) interageert sterk met zichzelf (A), met natriumionen (B) of met polaire stoffen, zoals D-glucose (C). Dit is te verklaren door dipool-dipoolinteracties en waterstofbruggen. Watermoleculen omhullen daardoor een ion door elektrostatische aantrekking met de dipolen (solvatie van ionen). Het polaire glucose heeft talrijke mogelijkheden voor het aangaan van waterstofbruggen met watermoleculen. In (D) is een hydrofoob effect van apolaire vetzuren te zien. Links: twee vetzuurmoleculen, die elk zwak interageren met watermoleculen (veel zwakker dan watermoleculen onderling doen). Rechts: door de vetzuurmoleculen bijeen te drijven, komen er watermoleculen bij (in blauwe kaders) die sterk met andere watermoleculen interageren. Het bijeendrijven van vetzuren en het scheiden van water en vet is dus een exergonisch proces dat spontaan optreedt. Tussen de vetzuurstaarten bestaat door zeer dichte toenadering tot de molecuuloppervlakte wederzijdse vanderwaalse aantrekkingskracht.

1.3 Lipiden (vetten)

Anders dan suikers zijn lipiden (vetten), die overwegend uit koolstof en waterstof zijn opgebouwd en daarom apolaire groepen bevatten. Ondanks grote verschillen in chemische structuur, worden de lipiden onder één noemer geplaatst, dankzij sterke niet-covalente interacties tussen moleculen die aanwezig zijn in de ‘waterige wereld’ van levende materie (. figuur 1.9). Vet- of olieachtige substanties hebben inderdaad als eigenschap dat ze ‘waterafstotend’ zijn. Water, het hoofdbestanddeel van cellen en van de lichaamsvloeistoffen, kan sterke elektrostatische krachten (polaire bindingen, waterstofbruggen) aangaan met zichzelf en met andere polaire groepen, bijvoorbeeld de alcoholgroepen van een suiker (. figuur 1.9c). Deze niet-covalente interacties ontbreken echter bijna volledig tussen water en vetten (. figuur 1.9d). Vandaar dat water veel liever met zichzelf interageert dan met de vetmoleculen, die spontaan in een exergonisch proces (er komt meer energie vrij dan nodig is) worden ‘weggedreven’ van de watermoleculen en ‘bijeengedreven’ tot een vetdruppel. Dit noemt men het hydrofobe (‘watervrezende’) effect van

1

12

Hoofdstuk 1 • Biomoleculen

1

. Figuur 1.10  Vetzuren bestaan uit een koolwaterstofstaart en een carboxylgroep die kan ioniseren of veresteren met een alcohol. Boven: ruimtelijk vanderwaalsmodel van een C14-verzadigd vetzuur en een C18-onverzadigd vetzuur. De dubbele binding is cis en veroorzaakt een ‘knik’ in het verloop van de koolwaterstofstaart.

vetten (. figuur 1.9d). Een tweede bijdrage tot het hydrofobe effect is toename van entropie: aan het contactoppervlak tussen watermoleculen en vetzuurmoleculen, de zogenoemde ‘kooien’, zijn de watermoleculen namelijk sterk geordend. Bij het bijeendrijven van vetzuurmoleculen neemt het aantal van deze kooien af en daarmee ook het aantal sterk geordende watermoleculen. Lipiden zijn dus slecht oplosbaar in water, maar goed oplosbaar in apolaire organische solventen, zoals benzeen, ether of chloroform. Deze hydrofobiciteit is het gevolg van de koolwaterstofstructuur die in vetten overheerst. De zwakke interacties tussen de vetzuurstaarten bestaan uit wederzijds aantrekkende vanderwaalskrachten, die alleen betekenis hebben bij zeer dichte toenadering tot de oppervlakte van de moleculen. In .  figuur 1.10 worden twee vetzuren vergeleken. Het molecuul links heeft een verzadigde koolwaterstofstaart die uitsluitend bestaat uit enkelvoudige bindingen tussen C-atomen. Het molecuul rechts is oleaat, een C18-mono-onverzadigd vetzuur met één cis-dubbele binding tussen C8 en C9. Het vanderwaalsmodel laat duidelijk zien dat de koolwaterstofstaart in het verzadigd verzuur ‘rechtdoor’ gaat, terwijl de onverzadigde koolwaterstofstaart een ‘knik’ maakt (. figuur 1.10). Dit heeft invloed op de mogelijkheid van toenadering tussen vetzuren (. figuur 1.11). Pioniers Van der Waals Het vanderwaalsmodel van molecuulstructuren, dat vaak wordt gebruikt voor de precieze contouren van biomoleculen, is genoemd naar de Nederlandse geleerde Johannes Diderik van der Waals (1837-1923). Hij won in 1910 de Nobelprijs voor Fysica voor zijn baanbrekende onderzoek aan de Universiteit van Amsterdam. Van der Waals onderzocht de beweging van moleculen in gassen en vloeistoffen en was een van de grondleggers van de thermodynamica.

Verzadigde vetzuren kunnen elkaar ter hoogte van de koolwaterstofstaarten dicht benaderen (vanderwaalsstralen die H-atomen net niet raken). Deze mogelijkheid tot toenadering van twee oppervlakten is echter sterk verminderd als er cis-dubbele bindingen aanwezig zijn. Er is dus minder energie nodig om onverzadigde vetzuren ten opzichte van elkaar te laten bewegen dan verzadigde. Dit feit komt duidelijk tot uiting in het smeltpunt van vetzuren (.  tabel 1.2). Deze tabel toont duidelijk dat het smeltpunt toeneemt met stijgende ketenlengte (meer vanderwaals contactoppervlak) en daalt bij het introduceren van cis-dubbele bindingen. In de

13

1.3 • Lipiden (vetten)

. Figuur 1.11  Het vanderwaals contactoppervlak tussen de koolwaterstofstaarten van verzadigde vetzuren is veel groter dan tussen een verzadigd en een onverzadigd vetzuur met een cis-dubbele binding. Daarom veroorzaken deze cis-dubbele bindingen een verlaging van het smeltpunt van vetzuren.

. Tabel 1.2  Enkele belangrijke vetzuren. Structuur (geïoniseerd)

Lengte

Systematische naam

Smeltpunt (°C)

CH3(CH2)12COO–

C14

tetradecanoaat (myristaat)

54

COO–

C16

hexadecanoaat (palmitaat)

63

CH3(CH2)16

COO–

C18

octadecanoaat (stearaat)

70

CH3(CH2)18

COO–

C20

eicosanoaat (arachidaat)

77

COO–

C22

docosanoaat (behenaat)

82

CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7COO–

C16

cis-9-hexadecanoaat (palmitoleaat)

0

CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COO–

C18

cis-9-octadecanoaat (oleaat)

16

CH3(CH2)4(CH=CHCH2)2(CH2)6COO–

C18

cis,cis-9,12-octadecadiënaat*

5

CH3CH2(CH=CHCH2)3(CH2)6COO–

C18

all-cis-9,12,15-octadecatriënaat**

–11

CH3(CH2)4(CH=CHCH2)4(CH2)2COO–

C20

all-cis-5,8,11,14-eicosatetraenaat***

–50

Verzadigde vetzuren

CH3(CH2)14

CH3(CH2)20

Onverzadigde vetzuren

* = linoleaat; ** = linolenaat; *** = arachidonaat

keuken kennen we dit feit door het gegeven dat dierlijke vetten (veel verzadigde vetzuren) in de koelkast hard zijn (boter), terwijl plantaardige oliën (veel onverzadigde vetzuren, waaronder meervoudig onverzadigde) bij dezelfde temperatuur vloeibaar blijven. In de hoofdstukken 7 en 11 zal worden teruggekomen op de betekenis van specifieke vetzuren in het metabolisme en in de voeding. Onverzadigde vetzuren hebben dus een lager smeltpunt en zijn vloeibaarder dan verzadigde vetzuren. Dit heeft belangrijke gevolgen voor de fluïditeit van biologische membranen. Om dit uit te leggen, moeten we eerst stilstaan bij de chemische opbouw van een lipidendubbellaag. 1.3.1 Vetzuren maken esterbindingen

Vetzuren kunnen via een esterbinding met hun carboxylgroep covalent verbonden worden met een alcoholgroep. Wanneer drie vetzuren veresterd zijn met glycerol, ontstaat een triacylglycerol of triglyceride (. figuur 1.12). De gemiddelde volwassen en goed gevoede mens draagt ongeveer

1

14

Hoofdstuk 1 • Biomoleculen

1

. Figuur 1.12  Een triacylglycerol (triglyceride) ontstaat door het maken van drie esterbindingen (rood) tussen de carboxylgroepen van drie vetzuren en de drie alcoholgroepen van glycerol.

. Tabel 1.3  Vetsamenstelling (massa%) van enkele lipidenmembranen. Membraanlipide

Celmembraan rode bloedcel

Myelineschede Schwann-cel

Binnenste mitochondriale membraan

fosfatidylcholine

19

10

38

fosfatidylethanolamine

18

20

27

fosfatidylserine

8

8

1

fosfatidylinositol

1

1

7

sfingomyeline

18

9

0

glycolipiden

10

26

0

cholesterol

25

26

3

andere lipiden

1

1

24*

* Vooral cardiolipine (7 par. 5.5).

10 tot 15 kilogram van deze stof met zich mee; dit is de strategische brandstofvoorraad van het lichaam die opgeslagen ligt in de vetcellen (7 par. 7.2.6 en 7 par. 12.8.2). Een flink deel van de membraanlipiden in menselijke en dierlijke cellen bestaat uit esters tussen een glycerolafgeleide en twee vetzuren (. tabel 1.3). Deze zogeheten glycerolipiden kunnen worden onderverdeeld op basis van verschillen in de polaire kop en de aard van de veresterde vetzuren. Een in de natuur veelvoorkomend voorbeeld is fosfatidylcholine (.  figuur 1.13 Andere glycerolipiden zijn fosfatidylethanolamine, fosfatidylserine en fosfatidylinositol. Omdat de polaire kop steeds een fosfaatester bevat, spreekt men ook wel van fosfolipiden. De polaire kop bestaat uit een geladen fosfocholinegroep, die heel duidelijk gescheiden is van de apolaire vetzuurstaarten. Een variant op dit thema is aanwezig in sfingomyeline, waarbij glycerol en een van de vetzuuresters zijn vervangen door de aminoalcohol sfingosine (. figuur 1.14). Hierdoor ontstaan de zogeheten sfingolipiden. In zowel het voorbeeld van de glycero- als van de sfingolipiden ontstaat een amfifatisch molecuul met een apolaire en een polaire kant (symbool =O), dat bijzonder geschikt is om in

1.3 • Lipiden (vetten)

15

. Figuur 1.13  Fosfatidylcholine, een membraanglycerolipide, ontstaat door dat de derde esterbinding met glycerol niet met een vetzuur gebeurt, maar met een geladen fosfocholinegroep. Hierdoor ontstaat een amfifatisch molecuul met een polaire en een apolaire kant.

. Figuur 1.14  Sfingomyeline ontstaat door verestering van de aminoalcohol sfingosine met één vetzuur en het geladen fosfocholine. De structuur lijkt op die van fosfatidylcholine.

twee dimensies te ‘stapelen’ tot een één molecuul dikke laag. Wanneer twee van zulke lagen op elkaar worden gezet met de apolaire oppervlakte naar elkaar toe, ontstaat de lipidendubbellaag die de basisstructuur is van een biologische membraan (. figuur 1.15). 1.3.2 Glycolipiden

Sommige sfingolipiden dragen geen fosfaat, maar wel een suikergroep als polaire kop: dergelijke stoffen heten daarom glycolipiden. De eenvoudigste glycolipiden zijn de cerebrosiden: deze bevatten glucose of galactose als monosacharide. Gangliosiden zijn complexer en dragen op sfingosine vertakte oligosachariden die bestaan uit tot zeven suikers van diverse soorten, zoals N-acetylgalactosamine, galactose, siaalzuur en fucose (.  figuur  1.16). Het is opvallend dat deze glycolipiden uitsluitend in de buitenste laag van de celmembraan (plasmamembraan) voorkomen, waarbij de suikers in de extracellulaire ruimte steken en de polaire interacties met de waterfase enorm vergroten. Cellen hebben als het ware aan hun oppervlakte een suikerlaag, die nog verder vergroot wordt door de N- en O-gebonden suikers op membraanglycoproteïnen (.  figuur  1.8) De functie van al deze suikers wordt nog onvolledig begrepen, maar er zijn argumenten voor een rol in weefselherkenning en cel-celinteracties. Ook het immuunsysteem

1

16

Hoofdstuk 1 • Biomoleculen

1

. Figuur 1.15  Lipidendubbellagen vormen de basis van biologische membranen. De essentie is dat de amfifatische moleculen zo ‘gestapeld’ worden dat de polaire koppen naar de beide oppervlakten van de dubbellaag wijzen die in contact zijn met water. De apolaire koolwaterstofstaarten worden door het ‘hydrofobe’ effect bijeengedreven in de diepte van de dubbellaag en interageren alleen met elkaar. Links: een doorsnede van een dubbellaag met membraanlipiden met verzadigde vetzuren, die elkaar dichter kunnen naderen en daarom ‘stijver’ zijn dan een dubbellaag met membraanlipiden met tevens onverzadigde vetzuren (cis-dubbele bindingen rechts).

. Figuur 1.16  ABO-bloedgroepen zijn variante oligosachariden op gangliosiden in de buitenste halflaag van de celmembraan. De aan sfingosine verbonden suikers zijn: 1 = N-acetylgalactosamine; 2 = galactose; 3 = siaalzuur; 4 = fucose. Inzet: foto van Carl Landsteiner, die het fenomeen van bloedgroepen voor het eerst waarnam en daarmee het eerste moleculaire polymorfisme van de mens had ontdekt.

enerzijds en ziektekiemen (virussen, bacteriën) anderzijds herkennen specifiek sommige van deze suikergroepen. >>Belangrijk is het besef dat er weefselspecifieke variatie bestaat in het gebruik van deze suikers en dat mensen onderling kunnen verschillen in de aard van de suikers aan de oppervlakte van hun cellen. Een voorbeeld van dat laatste zijn de A-, B- en O-bloedgroepen (. figuur 1.16).

1.3 • Lipiden (vetten)

17

Pioniers Landsteiner Het ABO-systeem vertoont, zoals de meeste lezers ongetwijfeld weten, verschillen tussen mensen en een oorzaak van de incompatibiliteit van het bloed tussen bepaalde donoren en ontvangers. Dit laatste wordt veroorzaakt door het immuunsysteem van de ontvanger, die antigene structuren die niet ‘eigen’ zijn, als lichaamsvreemd herkent en hiertegen antistoffen gaat vormen. De Oostenrijker Carl Landsteiner ontdekte dit fenomeen in 1901; een wetenschappelijke mijlpaal omdat dit het begin was van de moleculaire evidentie voor het bestaan van interindividuele variatie (polymorfisme). Deze ontdekking had ook praktische implicaties, omdat op grond hiervan met een eenvoudige test naar bloedgroepen voor de transfusie kon worden gezocht, met als doel om transfusiereacties te voorkomen (Storry & Olsson, 2009). De moleculaire verschillen tussen de O-, A- en B-antigenen worden veroorzaakt door drie allelen van hetzelfde suikertransferasegen, dat codeert voor een enzym dat een laatste suikerbouwsteen moet plaatsen op de gangliosidestructuur. Bij mensen die O-antigeen maken, is dit enzym niet werkzaam, zodat de vijfde suikerbouwsteen ontbreekt (. figuur 1.16). Bij mensen die A-antigeen maken, werkt het enzym als een N-acetylgalactosamine-transferase, terwijl bij mensen die het B-antigeen maken, hetzelfde enzym galactose plaatst in plaats van N-acetylgalactosamine. Dit gegeven, plus het feit dat wij twee allelen erven van onze ouders, verklaart de erfelijkheid van het ABO-bloedgroepensysteem. A en B zijn dominant tegenover O (één werkzaam allel kan de antigene structuur lichaamseigen maken) en codominant tegenover elkaar, wat resulteert in bloedgroep AB. Landsteiner kreeg voor zijn ontdekking van de ABO-bloedgroepen in 1930 de Nobelprijs voor Geneeskunde/Fysiologie. Hij verliet Wenen na de Eerste Wereldoorlog, om uiteindelijk te gaan werken aan de Rockefeller University in New York. Een anekdote in dit verhaal is dat hij tussen 1918 en 1922 een productieve wetenschappelijke periode heeft gekend in een niet-academisch ziekenhuis in Nederland: het Sint Joannes de Deo Ziekenhuis in Den Haag. Landsteiner ontdekte later ook de resusfactor, een andere bloedgroep en oorzaak van de incompatibiliteit van rode bloedcellen tussen moeder en foetus. Op dit moment zijn er 29 menselijke bloedgroepensystemen bekend (Hosoi, 2008). De Duve De gangliosiden worden samen met andere componenten van verouderde stukken celmembraan in de cel opgenomen en in de lysosomen verteerd tot vrije suikers, vetzuren en sfingosine). Lysosomen zijn intracellulaire organellen die zeer veel hydrolasen bevatten en niet alleen membranen, maar ook andere macromoleculen afbreken. Deze organellen werden rond 1950 ontdekt door Christian De Duve (1974 Nobelprijs voor Geneeskunde/ Fysiologie). Een groot deel van dit baanbrekend onderzoek van De Duve speelde zich af aan de Katholieke Universiteit Leuven, die in 1968 werd gesplitst in een Nederlandstalige en een Franstalige zusteruniversiteit (De Duve ging werken aan de Université Catholique de Louvain). Net als Landsteiner werd De Duve hoogleraar aan de Rockefeller University in New York. De Duve ontdekte in 1965 ook de peroxisomen. Zijn proefschrift (1945) had als titel ‘Glucose, insuline et diabète’.

1

18

Hoofdstuk 1 • Biomoleculen

1

. Figuur 1.17  Cholesterol is naast glycerolipiden en sfingolipiden een ander membraanlipide. Dit molecuul bevat een –OH-groep op de eerste koolstofring, die in biologische membranen vrij voorkomt als alcohol.

Cholesterol wijkt qua structuur sterk af van de glycero- en sfingolipiden. In plaats van langgerekte flexibele vetzuurstaarten en een polaire (geladen) kop, is cholesterol een compact molecuul met de vier stijve ringen die alle in de stoelconfiguratie verkeren. Deze structuur wordt de sterolkern genoemd. De enige polaire structuur van dit molecuul is een OH-groep (cholesterol is dus een alcohol), terwijl de vijfring een vertakte koolwaterstofketen draagt (.  figuur 1.17). Meer over de cholesterolstructuur en de synthese van dit molecuul in dierlijke cellen is te vinden in 7 par. 7.3. Cholesterol komt alleen in het dierenrijk voor en wordt in grote hoeveelheden ingebouwd in de plasmamembranen (.  tabel  1.3). Wanneer de vrije alcoholgroep covalent verbonden wordt met een vetzuur, spreekt men van cholesterolesters: deze moleculen komen niet voor in de membraan, maar in lipidendruppels binnen of buiten de cellen. Cholesterol is tevens de biochemische voorloper van steroïdhormonen, zoals cortisol, aldosteron, oestrogenen, progesteron en testosteron (7 par. 8.5.2). Toepassing Stapelingsziekten van gangliosiden De medische context van het metabolisme van gangliosiden wordt geïllustreerd door het bestaan van een groep erfelijk bepaalde ziekten, waarbij telkens één specifiek enzym ontbreekt dat de gangliosiden in de lysosomen moet afbreken, zodat deze moleculen (of een half afgebroken derivaat ervan) zich opstapelen in de lysosomen van de cel. Uiteindelijk zal de cel door dit defect zelf kunnen sterven. Deze ziekten worden samen de gangliosidosen genoemd. Zij zijn een goed voorbeeld van stapelingsziekten. Aangezien de gangliosiden bijzonder veel voorkomen in de membranen van cellen van het zenuwstelsel (zie bijvoorbeeld de myelineschede in . tabel 1.3), zijn veel van de symptomen te verklaren door een pathologisch proces in het centraal zenuwstelsel (Boomkamp & Butters, 2008). Meer hierover is te vinden in 7 H. 8.

Een functionele membraan bevat bovendien een hele batterij membraaneiwitten die kunnen optreden als receptor, transportkanaal, signaaltransducer of structuurvormend element. Onderscheiden worden de integrale membraaneiwitten, die stevig in de lipidenlaag verankerd zitten doordat een hydrofoob gedeelte van het eiwit direct in contact staat met de vetzuurstaarten (of door covalente binding van het eiwit aan een lipide), en de perifere membraaneiwitten, die losser aan de membraan gebonden zijn, meestal door niet-covalente interacties met een

1.3 • Lipiden (vetten)

19

. Figuur 1.18  Vloeibaar mozaïek, waarin de integrale membraaneiwitten (1) ‘ronddobberen’ in een fluïde lipidendubbellaag. Perifere eiwitten (2) binden aan deze integrale eiwitten via niet-covalente interacties. Suikergroepen op eiwitten (3) of op glycolipiden (4) maken de extracellulaire halflaag van de plasmamembraan zeer polair.

integraal eiwit (. figuur 1.18). Doordat de lipiden met hun onverzadigde vetzuurketens ‘vloeibaar’ zijn, ontstaat een fluïde systeem waarin de integrale membraaneiwitten ‘ronddobberen’ in de lipidenzee (.  figuur  1.18). Dit vloeibare mozaïekmodel (Singer & Nicolson, 1972) kan tegenwoordig worden onderzocht met lichtmicroscopische technieken met nanometerresolutie (Gonda et al., 2010). Sommige membraaneiwitten worden echter op bepaalde plaatsen in de cel verankerd door interactie met elementen van het cytoskelet. 1.3.3 Overige lipiden

Er bestaan – buiten hetgeen hiervoor werd behandeld – nog andere interessante lipiden. Een voorbeeld is het cardiolipine (difosfatidylglycerol); dit lipide komt rijkelijk voor in de binnenste mitochondriale membraan en is daar medeverantwoordelijk voor het ontstaan van eiwitsupercomplexen (7  par. 5.5). Een ander voorbeeld zijn de plasmalogenen, door peroxisomen geproduceerde lipiden waarin een vetzuur-glycerol-esterbinding is vervangen door een alcohol-glycerolether. Deze stoffen hebben mogelijk cytoprotectieve eigenschappen, vooral in membranen van neuronen, met name door te beschermen tegen het effect van zeer lange vetzuurketens (Brites et al., 2009). Een tekort aan plasmalogenen kan bijdragen tot de pathologie van peroxisoomziekten, zoals het Zellweger-syndroom en X-gebonden adrenoleukodystrofie. Een ander intrigerend lipide, N-arachidonyl-fosfatidyl-ethanolamine (NAPE), is een van de endocannabinoïden, stoffen die wij mensen zelf maken en die op dezelfde receptoren gaan binden als het actieve bestanddeel van cannabis (7 par. 8.2). Deze stof wordt tijdens de maaltijden door de darm aangemaakt en blijkt een factor te zijn die als verzadigingssignaal door het bloed naar de hersenen reist om daar het hongergevoel te doen afnemen (Gillum et al., 2008).

1

20

Hoofdstuk 1 • Biomoleculen

1

. Figuur 1.19  Stereo-isomerie van aminozuren door het chirale centrale koolstofatoom (blauw) maakt dat er L- en D-aminozuren bestaan. De twintig aminozuren voor eiwitsynthese verschillen in de chemische structuur van de zijketen (R), maar uitsluitend L-aminozuren worden in menselijke eiwitten ingebouwd. De enige uitzondering is glycine, omdat dit aminozuur geen chiraal centrum heeft. Proline is afwijkend ten aanzien van de basisstructuur links, omdat de zijketen covalent reageert met de alfa-aminogroep en een vijfring creëert.

Ten slotte zijn er de eicosanoïden, vetzuurafgeleiden (7  par. 8.2), en de vetoplosbare vitaminen (7 par. 11.7.15). 1.4 Aminozuren, peptiden en proteïnen (eiwitten)

De derde grote familie van biomoleculen bestaat uit peptiden. Dit zijn korte tot zeer lange onvertakte ketens van aminozuren, waarvan er zo’n twintig soorten nodig zijn om de peptiden van menselijke cellen te maken. Deze peptiden omvatten korte kettingen (oligopeptiden), of lange (polypeptiden). De kettingen met meer dan honderd aminozuurschakels (residuen) noemt men eiwitten of proteïnen. Er bestaat een enorme variatie in proteïnestructuur en -functie en er is geen proces in een levende cel te bedenken, of bepaalde eiwitten spelen er een rol in. Voor dit boek is het essentieel om te weten dat bijna alle enzymen proteïnen zijn. Verder zijn er honderden eiwitten die de werking van deze enzymen controleren en nog eens vele honderden andere eiwitten die betrokken zijn bij de aanmaak of afbraak van deze eiwitten. Peptiden kunnen bijzonder sterk verschillen in het aantal aminozuurbouwstenen. Oligopeptiden hebben maar enkele residuen. Een voorbeeld is het door Roger Guillemin ontdekte thyreotropin-releasing hormone (TRH), een tripeptide dat de hersenen maken om de schildklier te stimuleren (Guillemin, 2005). Een ander uiterste, met ruim tienduizend residuen, is titine, een reusachtig eiwit in skelet- en hartspier, dat de sarcomeren elastisch maakt (Granzier & Labeit, 2004). Opvallend is dat voor de miljarden andere functionele peptiden op aarde die samen in alle bekende levensvormen worden gebruikt, dezelfde twintig soorten bouwstenen aanwezig zijn. Het repertoire van deze twintig universele bouwstenen is onveranderd gebleven gedurende ruim één miljard jaar van evolutie. Een nuance in deze uitspraak is het seleniumafgeleide selenocysteïne, de 21ste bouwsteen, die in een vrij klein aantal peptiden in beperkte mate wordt gebruikt (7 par. 11.7.9). Deze universele bouwstenen worden aminozuren genoemd, vanwege hun typische structuur (. figuur 1.19), waarin een aminogroep en een carboxylgroep samen met een waterstofatoom en een variabele zijketen (R) verbonden zijn met het centrale koolstofatoom. Meestal is dit een asymmetrisch of chiraal centrum, met daardoor twee ruimtelijke conformaties (enantiomeren) , die elkaars spiegelbeeld zijn. De natuur heeft lang geleden ‘gekozen’ voor eiwitten die opgebouwd zijn uit L-aminozuren. Als wij dus eiwitten opeten in ons voedsel, nemen we L-aminozuren op die we weer verwerken in nieuwe eiwitten.

1.4 • Aminozuren, peptiden en proteïnen (eiwitten)

21

. Figuur 1.20  Apolaire (links) en polaire (rechts) aminozuurzijketens. Glycine (slechts een H-atoom) en het apolaire proline (iminoring) zijn in . figuur 1.19 getoond. De linkergroep bestaat overwegend uit koolstof en waterstof en draagt geen ladingen. De rechtergroep heeft heel wat polaire groepen of is zelfs positief of negatief geladen.

1.4.1 Polaire en apolaire zijketens

De zijketens vormen dus het variabele gedeelte van de aminozuren en bevatten chemische informatie die specifiek is en bijzonder belangrijk voor de eiwitfunctie. Een eiwit is immers een ketting van deze aminozuren. We kunnen de vergelijking maken tussen de twintig aminozuren en de letters van ons alfabet die, wanneer we daar kettingen mee maken, zinnen kunnen vormen die betekenisvol zijn. Het is dus belangrijk om naar de structuur van de zijketens te kijken. Twee buitenbeentjes werden al in . figuur 1.19 besproken: glycine heeft slechts een H-atoom en proline, zit met zijn zijketen tweemaal covalent vast aan het centrum zodat een ring ontstaat. De andere achttien aminozuurzijketens kunnen worden ingedeeld op basis van hun polariteit en volume. Ongeveer de helft heeft hydrofobe zijketens (. figuur 1.20 links) en de andere helft is polair tot zelfs permanent geladen (. figuur 1.20 rechts). Het verschil tussen hydrofobe en polaire groepen werd al benadrukt tijdens de bespreking van de lipiden. Glycine is bijzonder door zijn erg kleine zijketen, en het apolaire proline legt bovendien sterische beperking op aan de ruggengraat van de peptidenketen (7 par. 1.4.2). De namen van de twintig aminozuren worden ook vaak afgekort met een eenlettercode en drielettercode (. figuur 1.20). Alanine, valine, isoleucine en leucine zijn apolaire aminozuren met een alifatische koolwaterstofketen. Merk op dat leucine en isoleucine structuurisomeren van elkaar zijn (. figuur 1.20). Twee van de overwegend apolaire aminozuren, cysteïne en methionine, dragen in hun zijketen een zwavelatoom. Dit zijn de zwavelhoudende aminozuren; deze vormen – naast de gesulfateerde aminosuikers (. figuur 1.7) – een verklaring voor het feit dat er zwavel in ons organisme aanwezig is. De sulfhydrylgroep (-SH) van cysteïne is redoxgevoelig, wat betekent dat er een gereduceerde en geoxideerde toestand bestaat. Hierdoor kunnen twee SH-groepen onder invloed

1

22

Hoofdstuk 1 • Biomoleculen

1

. Figuur 1.21  Omkeerbare eiwitfosforylering/-defosforylering gebeurt op specifieke serine-/threoninezijketens of specifieke tyrosinezijketens en vereist specifieke proteïnekinasen en proteïnefosfatasen. De negatief geladen fosfaatgroep is hier en verderop in dit boek voorgesteld als een P in een rode cirkel. De fosforylering is een energievragend proces dat adenosinetrifosfaat (ATP) kost.

van een oxiderende omgeving worden omgezet in een zwavelbrug (-S-S-), waarbij twee cysteïnezijketens in een peptide aan elkaar vast komen te zitten. Dit gegeven is bijzonder belangrijk voor de structuur van bepaalde peptiden, en ook voor de redoxeigenschappen van glutathion. Van de drie aminozuren met een aromatische zijketen (. figuur 1.20) is fenylalanine het meest apolair, want tyrosine heeft een OH-groep en tryptofaan (het grootste aminozuur) heeft een aminogroep die waterstofbruggen kan aangaan. Onder de polaire aminozuren onderscheiden serine en threonine zich door hun reactieve hydroxylgroepen. In heel wat eiwitten worden bepaalde serine- of threoninezijketens dan ook chemisch veranderd. Aangezien dit na de eiwitsynthese gebeurt, spreekt men van posttranslationele modificaties. Een voorbeeld is de O-gebonden glycosylering (.  figuur 1.8). Een ander voorbeeld is de reversibele eiwitfosforylering/-defosforylering, die wordt gekatalyseerd door specifieke proteïnekinasen en proteïnefosfatasen (. figuur 1.21). Ook tyrosine-OH-groepen kunnen op deze wijze worden gemodificeerd. Dit is een bijzonder belangrijk onderdeel van de regeling van de enzymatische activiteit (7 par. 2.8.3). Bovendien kan de serine-OH-groep meedoen aan de katalyse van een chemische reactie door enzymen, bijvoorbeeld de serineproteasen. Lysine, arginine en histidine bezitten zijketens die een positieve lading dragen bij neutrale pH. Dit bepaalt de netto lading van een eiwit en is van groot belang voor hoe het eiwit zich gedraagt in een waterige omgeving. Hetzelfde kan gezegd worden van aspartaat en glutamaat (. figuur 1.20), die hun zijketens in waterige oplossing bij neutrale pH ioniseren tot anionen. Zeer polair en volumineus, maar niet geladen, zijn de amiden asparagine en glutamine, die directe afgeleiden zijn van aspartaat en glutamaat. De amidogroep van asparagine wordt in sommige membraanglycoproteïnen verbonden met een vertakt oligosacharide (N-gebonden glycosylering; . figuur 1.8). 1.4.2 Peptidebinding

Aminozuren hebben twee chemisch complementaire groepen, de aminogroep en de carboxylgroep, die een binding met elkaar kunnen aangaan. Wanneer dit is gebeurd, is een peptidebinding gemaakt, waarbij er een watermolecuul vrijkomt (. figuur 1.22). Het nieuwe molecuul heet een dipeptide. Net als bij legostenen blijven de complementaire groepen ook in het dipeptide aanwezig voor verdere aanbouw van nieuwe aminozuren en de volgende stap in deze opbouw is een tripeptide (. figuur 1.22). De biosynthese van peptidebindingen is endergonisch (energievragend) en vergt een aanzienlijke inbreng van energie die door cellen geleverd wordt in de vorm van ATP. De vorming van peptidebindingen gebeurt in een levende cel meestal via ribosomen, gespecialiseerde

1.4 • Aminozuren, peptiden en proteïnen (eiwitten)

23

. Figuur 1.22  Peptidebindingen ontstaan door chemische reactie van de vrije carboxylgroep van één aminozuur met de vrije aminogroep van een ander aminozuur met vrijkomen van water. Er blijven in het dipeptide (rechtsboven) een vrije aminogroep en een vrije carboxylgroep over, zodat nieuwe peptidebindingen kunnen worden bijgemaakt. Onder: structuur van glutathion (gamma-glutamyl-cysteïnyl-glycine), een belangrijk tripeptide. De linker peptidebinding is bijzonder, want hierbij is de carboxylgroep van de zijketen betrokken.

celorganellen voor de eiwitsynthese. In het voorbeeld waar het tripeptide glutathion wordt gevormd uit glutamaat, cysteïne en glycine (.  figuur  1.22), zijn geen ribosomen betrokken, maar voor dit peptide gespecialiseerde transferasen. Glutathion (GSH) treedt met zijn vrije SH-groep van cysteïne op als redoxreagens in de reactie:

GSH + GSH → GSSG + 2H (7 par. 6.10.5) In . figuur 1.22 is de aminozuurvolgorde van het dipeptide en tripeptide zo geschreven dat het aminoterminale residu links staat en het carboxyterminale residu rechts. De specifieke volgorde van aminozuren in glutathion is dus Glu-Cys-Gly en niet Gly-Cys-Glu. De informatie van de aminozuurvolgorde in een peptidenketen heet de aminozuursequentie en samen met de juiste posities van S-S-bruggen tussen cysteïnezijketens wordt dit de primaire eiwitstructuur genoemd. Deze primaire structuur is verantwoordelijk voor de eigenschappen van het eiwit en bevat de informatie die bepaalt hoe het eiwitmolecuul zich driedimensionaal gaat oprollen tot een meer compacte structuur. De primaire structuur is dus zeer specifieke informatie die veel zegt over de identiteit van het eiwit en over de eiwitfunctie. Alleen al met een tripeptide zijn er met twintig bouwstenen 20  ×  20  ×  20  =  8000 mogelijkheden (de isopeptidebinding van gammaglutamaat zelfs niet meerekenend), dus het aantal mogelijke peptiden is astronomisch groot. Er is dus meer dan genoeg ‘informatieruimte’ om alle mogelijke specifieke peptiden te voorzien die een mens of een andere levensvorm nodig heeft om te functioneren. De informatie van de aminozuurvolgorde heeft een uiterst belangrijke invloed op de wijze waarop de peptidenketen zich opvouwt tot een 3-D-structuur, iets waarop in dit boek niet verder wordt ingegaan. 1.4.3 Primaire eiwitstuctuur en structuurhomologie

De eerste primaire structuur die in 1953 experimenteel door Fred Sanger werd achterhaald, is die van runderinsuline (. figuur 1.23). Insuline is een medisch belangrijk polypeptidehormoon (51 aminozuurresiduen), dat in het bloed verschijnt na een maaltijd en het bloedsuiker doet dalen. Gebrek aan dit hormoon is de oorzaak van suikerziekte (diabetes, 7 par. 12.7). Het idee is dus dat insuline een unieke specifieke primaire structuur moet hebben die het biologische effect van het hormoon kan verklaren. De primaire structuur van insuline van alle runderen heeft inderdaad de unieke kenmerkende handtekening, zoals getoond in .  figuur  1.23. Zeldzame

1

24

Hoofdstuk 1 • Biomoleculen

1

. Figuur 1.23  Primaire structuur van runderinsuline (experimenteel bepaald door Fred Sanger, 1953). De drielettercode van de aminozuurresiduen is gebruikt. Insuline bevat twee covalent aan elkaar verbonden aminozuurketens: de A-keten, 21 residuen en B-keten, 30 residuen. Beide ketens zitten via twee zwavelbruggen aan elkaar vast (er is nog een derde zwavelbrug binnen de A-keten). Er zijn dus twee aminoterminale en twee carboxyterminale residuen. De apolaire residuen (met uitzondering van cysteïne) zijn blauw omcirkeld en de polaire residuen rood. In bepaalde zones liggen de zijketens van apolaire residuen blijkbaar dicht bij elkaar gestapeld. Dit bepaalt de driedimensionale eiwitstructuur in een waterige omgeving.

dieren waarin deze sequentie door een mutatie veranderd is, maken doorgaans defect insuline en hebben daardoor suikerziekte. Runderinsuline werd in de jaren vijftig van de vorige eeuw in slachthuizen gezuiverd uit alvleesklieren en als medicijn gebruikt voor suikerzieke patiënten. Het zuivere peptide bleek dus zeer werkzaam in de mens, wat een indicatie was voor een gelijkende aminozuursequentie en dus ruimtelijke structuur. Pioniers Fred Sanger Fred Sanger (. figuur 1.23) is een bijna legendarische onderzoeker (Sanger, 2001). Hij ontving al twee Nobelprijzen voor Chemie, de eerste in 1958 voor de primaire sequentie van insuline en de tweede in 1980 (samen met Paul Berg en Walter Gilbert) voor de Sanger-methode voor het bepalen van een DNA-sequentie (Sanger, 1988). Het werk van Sanger heeft een revolutie ontketend in de medisch-biologische wetenschappen. Er zijn zeer veel studies waarin de sequentiehomologie van een eiwitstructuur een rol speelt in de biologische interpretatie van gegevens. Een bevraging van PubMed (mei 2014) met als sleutelwoorden protein//sequence//homology//review’ (je kunt AND typen ipv //) leverde meer dan 7350 reviewartikelen op! Maar het zijn vooral de DNA-sequentiebepalingen die steeds meer en op steeds grotere schaal worden toegepast. Hele genomen worden met steeds minder moeite ‘gesequenced’, zodat de bio-informatica en vooral het opslaan en bewaren van deze kolossale hoeveelheid gegevens – ondanks de steeds beter wordende computers – een bottelnek aan het worden is. Het Sanger Institute in Cambridge is wereldleider in het ontwikkelen van nieuwe methoden om de technologische uitdaging van deze informatiestroom met succes te kunnen aangaan (Li & Durbin, 2010).

1.4 • Aminozuren, peptiden en proteïnen (eiwitten)

25

. Figuur 1.24  Orthologen voor menselijk pre-pro-insuline, cytochroom c en histon H4. Boven is de aminozuursequentie van pre-pro-insuline getoond voor vier vertebraten. Sterretjes duiden op identieke aminozuurresiduen voor mens, rund, kip en vis (coelacanth). Merk op dat het aantal identieke residuen groter is in de A-keten en de B-keten dan in het tussen deze ketens gelegen C-peptide. De vetgedrukte RR en KR zijn de dibasische peptiden die door prohormoon-convertase-enzymen als ‘grenzen’ worden herkend om pro-insuline te knippen tot insuline. Het blauw gedrukte signaalpeptide dient om pre-pro-insuline in het ER compartiment te adresseren; dit is belangrijk voor de insulinesecretie. Midden: de orthologe cytochroom-c-sequenties voor vier vertebraten. Merk op dat cytochroom c van mens en baviaan veel minder van elkaar verschillen dan dat van mens-kip en mens-kikker. Onderaan staat de aminozuursequentie van het eiwit histon H4, dat deel uitmaakt van de nucleosomen in alle eukaryote cellen. Hier wordt de sequentie vergeleken tussen een plant (Arabidopsis thaliana) een schimmel (de pathogeen Candida albicans) en twee gewervelde dieren (mens en coelacanth). Het is ongeveer één miljard jaar geleden sinds planten en dieren van elkaar splitsten; toch is 98% van de aminozuurzijketens identiek tussen Arabidopsis, mens en vis. Bron: 7 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/protein.

Orthologen

Als men de primaire structuur van menselijk insuline zou bepalen, zou men bijna hetzelfde krijgen als runderinsuline van . figuur 1.23. We kunnen dit onderzoek uitbreiden naar andere vertebraten, zoals kip en coelacanth (een zeldzame vissensoort die al 300 miljoen jaar onveranderd is gebleven). .  Figuur 1.24 toont voor vier diersoorten de primaire structuur van het voorlopereitwit, het pre-pro-insuline, dat in de pancreatische bèta-cellen gemaakt wordt, maar geknipt moet worden om insuline met zijn twee ketens te verkrijgen. Het valt in de figuur op dat pre-pro-insuline de grootste gelijkenis tussen de vier diersoorten oplevert ter hoogte van de segmenten die na het knippen de A-keten en B-keten opleveren. Men spreekt in de vaktaal van uitgesproken sequentiehomologie tussen deze insulines. Men noemt insuline van mens en rund elkaars orthologe eiwitten: hetzelfde type eiwit in twee verschillende soorten die afstammen van één gemeenschappelijke voorouder. De orthologe eiwitten worden gecodeerd door orthologe genen, die beide afkomstig zijn van een gemeenschappelijk oergen in het genoom van de gemeenschappelijke voorouder. Hoe langer geleden deze gemeenschappelijke voorouder heeft geleefd, des te meer tijd er is geweest voor het opstapelen van toevallige DNA-veranderingen in de twee orthologe genen, en des te meer verschillen er nu worden gezien in de twee orthologe eiwitten. Dat zie je heel mooi aan de B-ketensegmenten in . figuur 1.24, waarvoor mens en rund meer op elkaar lijken dan mens en vis. Je ziet ook duidelijk dat er voor een functioneel minder belangrijk deel van pre-pro-insuline, zoals het tussen deze Ben A-ketens gelegen C-peptide, veel meer verschillen bestaan tussen de vier dieren. Hoe belangrijker een aminozuurresidu in een eiwit, des te kleiner is de kans op verandering door evolutie en des te groter is dus de kans hetzelfde aminozuurtype op die plaats aan te treffen bij twee diersoorten. Hoe langer de evolutietijd, hoe meer gelegenheid er is geweest voor een verandering en dus is de kans des te groter een ander aminozuurtype op een bepaalde plaats aan te treffen bij twee vergeleken diersoorten. Dit idee wordt voor cytochroom c en histon H4 verder uitgewerkt in het kader ‘Evolutie’ hierna. Een kortere naam voor orthologe eiwitten en orthologe genen is orthologen.

1

26

1

Hoofdstuk 1 • Biomoleculen

Evolutie Orthologe eiwitten en stapsgewijze eiwitevolutie Het onderzoek van sequentiehomologie van orthologe eiwitten is een steunpilaar voor de moleculaire evolutieleer en vormt de basis voor het opstellen van de ‘levensboom’ (CavalierSmith, 2006). De eerste grote opsplitsing onder de eukaryote cellen vond ongeveer 0,9 miljard jaar geleden plaats en gaf sommige eencelligen het vermogen om te fagocyteren (Cavalier-Smith, 2002). De schattingen van hoe lang eencellige eukaryoten toen al op aarde waren, lopen uiteen van 0,1 tot 1,3 miljard jaar (De Nooijer et al., 2009). Dit zijn allemaal kolossale tijden die eenvoudig op de schaal van een wandelaar te zetten zijn. We herdenken in 2014 in Vlaanderen honderd jaar na dato het begin van de ‘Groote Oorlog’ (Eerste Wereldoorlog): laat ons stellen dat dit vijf centimeter is op de tijdschaal. Neem één stap van een meter: we gaan terug naar de tijd van de Romeinen, Julius Caesar, de verovering van Gallië en ‘de dappersten van alle Galliërs, de Belgen’. Nog twee stappen verder en we zitten in Mesopotamië en de ontdekking van het schrift, de landbouw en veeteelt. De laatste glaciaal (Weichselien) eindigde pakweg 12.000 jaar geleden, dus nog eens drie stappen verder. Twintig stappen verder verdwenen de Neanderthalers van het toneel, waarbij alleen de cro-magnonmens, Homo sapiens, overbleef. Anderhalve kilometer stappen en we zitten in de periode van de eerste hominiden, die ruim 3 miljoen jaar geleden in Afrika geleefd hebben. Dertig kilometer stappen verder en we komen bij het punt waar de gemeenschappelijke voorouder van mens en rund (beide zoogdieren) moeten hebben geleefd. Tweehonderd kilometer verder en we komen bij het punt van de eerste vertebraten (vissen) die hun genoom (of delen ervan) tweemaal hebben gedupliceerd, met het ontstaan van vele paraloge eiwitten binnen de soort. Nog driehonderd kilometer verder en we zitten bij de voorlopers van fungi, zoals Candida albicans en bakkersgistcellen (eencellige eukaryoten). Het ontstaan van de eerste levende cellen ligt nog ruim duizend kilometer verder! Enorme afstanden in de tijd, die de mens met zijn cultuur en geschreven geschiedenis evenals de tijdschaal van de reeds begonnen en verwachte door de mens uitgelokte klimaatveranderingen in een nietig perspectief plaatsen. In de pakweg 400 miljoen jaar evolutietijd die de vier getoonde vertebraten hebben ondergaan sinds hun gemeenschappelijke voorouder (een vis) leefde, zijn er blijkbaar weinig veranderingen opgetreden in de genetische informatie die codeert voor ‘hun eigen’ insuline. Men kan dit als volgt interpreteren: omdat insuline een belangrijk hormoon is voor het regelen van het lichaamsmetabolisme, zijn mutaties in het coderende gen erg nadelig voor het individu. Ontstaat er toch een spontane mutatie in het eiwitcoderend gedeelte van het insulinegen, en levert dit een mutant insuline op dat weinig stabiel is of slecht werkt, dan sterft dit dier aan suikerziekte voordat het nakomelingen heeft voortgebracht. Volgens Darwiniaanse selectie worden veranderingen in de primaire structuur van insuline dus niet of nauwelijks getolereerd als deze leiden tot functieverlies. Blijkbaar mag aan de hele A-keten, met uitzondering van de korte sequentie tussen Cys-7 en Cys-11, niet getornd worden. Ook voor de B-keten zijn er maar een paar residu’s waar de dieren van elkaar verschillen. Ook de di-basische aminozuurparen (Arg-Arg of Lys-Arg) die herkend worden tijdens het verknippen van pro-insuline tot insuline zijn perfect behouden. Ook in het signaalpeptide dat ervoor zorgt dat pre-pro-insuline in het ER terechtkomt en dus later als insuline kan worden uitgescheiden, is er behoud van een aantal residu’s. Voor het Cpeptide is het behoud echter gering en dit is een argument dat dit segment eerder dient als opvulling tussen de belangrijke A- en B-segmenten.

1.4 • Aminozuren, peptiden en proteïnen (eiwitten)

27

Als men de sequentiehomologie van de orthologen in meer levensvormen gaat vergelijken, kan men op basis van deze homologie voor ieder residu een uitspraak doen over het functionele belang voor de eiwitfunctie. Dit idee kan ook worden bekeken met cytochroom c (gennaam = CYCS), een bijzonder belangrijk eiwit voor het energiemetabolisme, dat centraal gelegen is in de werking van de oxidatieve fosforylering (7 par. 5.5) en dus noodzakelijk in ongeveer alle levensvormen op aarde. De orthologen van cytochroom c in mens en Papio hamadryas (de mantelbaviaan, dus een andere mensaap) verschillen inderdaad in slechts drie van de 105 aminozuurresiduen (. figuur 1.24). Voor mens en kip is het verschil opgelopen tot 13 residuen en voor mens en Xenopus leavis, een kikker, 16 (. figuur 1.24). Men kan met veel meer levensvormen een soort moleculaire levensstamboom maken, met het idee dat hoe langer de aftstand tot een gemeenschappelijke voorouder, des te meer verschillen tussen orthologen (figuur). Zo is het verschil tussen cytochroom c van mens en Saccharomyces cerevisiae (bakkersgist – evolutionaire afstand ongeveer 1 miljard jaar) 45 residuen. Opmerkelijk genoeg zijn 59 van de 105 residuen van cytochroom c in gist en mens identiek. Deze geconserveerde residuen zijn waarschijnlijk zeer belangrijk voor het functioneren van het eiwit (7 par. 5.5) en dus voor het energiemetabolisme. Dit impliceert dat elke mutatie van een dergelijk geconserveerd aminozuur fataal is voor het individu en dus niet behouden blijft voor de volgende generatie. Dankzij de experimentele mutagenese en expressie van mutante eiwitten in modelsystemen (site-directed mutagenesis) heeft men dit vermoeden experimenteel kunnen onderbouwen (Meyer et al., 1994). Opmerkelijk is dat alle sterk geconserveerde residuen ruimtelijk samenkomen aan één zijde van het eiwitoppervlak, dat bijzonder belangrijk is voor het contact met de andere eiwitten van de ademhalingsketen (7 par. 5.5). De aminozuurzijketens aan de andere zijde van het oppervlak mogen enigszins variëren zonder dat dit de eiwitfunctie stoort.

Moleculaire evolutie van cytochroom c. Links: tabel van het aantal verschillen in de primaire structuur van cytochroom c, een eiwit dat bestaat uit een ketting van 105 aminozuren. Elk getal ligt op een kruispunt waar twee soorten worden vergeleken. Hoe hoger het cijfer, hoe meer plaatsen er zijn in de primaire structuur waar het aminozuur niet identiek is. Rechts: cladistisch diagram van de evolutionaire relaties (gemeenschappelijke voorouder) tussen levensvormen in de tabel. Hoe recenter de splitsing vanuit de gemeenschappelijke voorouder, hoe kleiner het aantal verschillen in de primaire structuur.

1

28

1

Hoofdstuk 1 • Biomoleculen

Histonen Histonen vertonen nog veel minder verschillen in aminozuursequentie dan insuline of cytochroom c wanneer men diverse levensvormen vergelijkt (. figuur 1.24). Histon H4 is op slechts twee verschillen in de 102 residuen van dit eiwit na gelijk in het raketplantje (Arabidopsis thaliana) en in twee vertebraten (mens en Coelacanth); dit ondanks een evolutionaire afstand van de gemeenschappelijke voorloper van circa 1 miljard jaar! Ook de schimmel Candida albicans en mens lijken voor wat betreft de sequentie van histon H4 nog enorm veel op elkaar. Dit kan alleen maar uitgelegd worden door een bijna ‘perfecte’ stroomlijning van de functie van alle aminozuurzijketens in deze eiwitstructuur. Histonen zijn compact opgerolde eiwitten die in de vorm van nucleosomen de dubbele helix van DNA verpakken tot chromatine. Een exacte driedimensionale structuur en exact de juiste energie om DNA op te rollen en te ontrollen zijn noodzakelijk voor uiterst belangrijke processen, zoals DNA-replicatie en -transcriptie. Merk bijvoorbeeld in de primaire structuur op dat in histon H4 lysine (K, 12×) en arginine (R, 14×) veel meer voorkomt (samen ongeveer 25% van de residuen) dan aspartaat (D, 3×) en glutamaat (E, 4×). De positief geladen Arg- en Lys-residuen van dit histon zijn functioneel en interageren met de negatief geladen fosfaatgroepen van het DNA. Bovendien worden sommige van de lysine- en argininezijketens van histonen, vooral aan de aminoterminale zijde (het niet compact opgevouwen deel), volgens een welbepaald ontwikkelingspatroon posttranslationeel gewijzigd. Dit gebeurt vooral via methylering of acetylering, maar ook via citrullinering, ubiquitinylering of sumoylering (Smith & Denu, 2009). Deze waaier van aminozuurmodificaties is de moleculaire basis van de epigenetica (Mathers & McKay, 2009) en is van bijzonder groot belang voor het selectieve gebruik van het genoom tijdens differentiatie. Verstoring van dit patroon is verbonden aan het risico op het ontwikkelen van kanker (Ellis et al., 2009). Deze kennis krijgt een bijzondere betekenis binnen de context van dit boek, met het besef dat de voedingstoestand van de moeder tijdens de zwangerschap een van de omgevingsfactoren is die overerfbare veranderingen kunnen opleggen aan het genoom van de zich ontwikkelende foetus (Delage & Dashwood, 2008).

Paralogen

Vergelijking van de aminozuursequenties van verschillende soorten eiwitten binnen één species levert doorgaans ook sequentiehomologie op, die zich soms beperkt tot een segment van de polypeptideketen. Cytochroom c lijkt enigszins op andere cytochromen; insuline lijkt veel op een deel van de structuur van twee andere peptidehormonen: IGF-1 en IGF-2 (insulin-like growth factor 1 en 2). Dit zijn twee insulineachtige peptidehormonen die bij alle hogere diersoorten voorkomen en werken als groeistimulator (Lee & Gorospe, 2009). Insuline behoort dus tot een eiwitfamilie met onderlinge sequentiehomologie. Myoglobine, het zuurstoftransporteiwit in de spiercel, lijkt op zijn beurt sterk op de eiwitketens van hemoglobine, het zuurstoftransporteiwit in de rode bloedcel. Er bestaat dus een globine-eiwitfamilie, waarbij de leden sequentiehomologie en functiehomologie bezitten en een celspecifiek patroon van expressie vertonen. Het dient benadrukt te worden dat deze vaststelling eerder regel dan uitzondering is in hogere dieren die veel gespecialiseerde celtypen bezitten met een celspecifiek patroon van eiwitexpressie. Met andere woorden: de meeste eiwitten zijn leden van een of andere eiwitfamilie; de familieleden zijn gespecialiseerd in afzonderlijke (vaak op elkaar lijkende) taken en zijn ontstaan via divergente evolutie op basis van genduplicatie en diversificatie in functie van de tijd (Hoffmann et al., 2008). We noemen twee eiwitfamilieleden in dezelfde levensvorm paraloge eiwitten (paralogen) of isovormen van elkaar. Heel wat menselijke enzymen hebben paralogen, iets waar we later in dit boek dikwijls op zullen terugkomen.

1.5 • Basen, nucleotiden en nucleïnezuren

29

Om de paralogie van veel eiwitten bij de mens te begrijpen, moeten we even stilstaan bij het belangrijke idee ontwikkeld door Susumu Ohno, die stelde dat genduplicatie heel belangrijk is geweest in de evolutie van het leven. Ohno stelde het volgende probleem: als er één gen voor een bepaald eiwit in het genoom aanwezig is, dan zal na lange tijd van natuurlijke selectie de optimale sequentie zijn ontstaan die het eiwit oplevert met exact de nodige functie. Elke mutatie in het gen levert een afwijking ten opzichte van deze optimale vorm en dus een verlies van functie. Hierdoor komt evolutie in een ‘dwangbuis’ terecht en verandert er na bepaalde tijd nog weinig. Maar wat als het gen een kopie van zichzelf achterlaat in het genoom? Dan kan het oorspronkelijke gen zijn optimale vorm behouden en zijn functie blijven uitoefenen. Het tweede gen (de kopie) is echter vrij om te muteren en te evolueren naar een nieuwe functie. Ohno stelde dat er zonder genduplicatie uit bacteriën alleen andere bacteriën zouden ontstaan, maar geen planten en dieren. Het voorkomen van vele paralogen in de genomen van mens en dier ondersteunt het bestaan van genduplicatie als mechanisme van evolutie. Een bijzonder voorbeeld is het bestaan van vier HOX-genenclusters (transcriptiefactoren die een belangrijke rol spelen in de ontwikkeling van het embryo). Elke cluster bevat een tiental paraloge genen die bij ongewervelde dieren ontstaan zijn door locale genduplicaties van één oer-HOX-gen. Tijdens de eerste fase van de evolutie van gewervelde dieren (pakweg 450 miljoen jaar geleden) is deze ene HOX-genencluster tweemaal gedupliceerd, zodat vandaag levende zoogdieren, reptielen (inclusief vogels, de afstammelingen van dinosaurussen) en amfibieën vier HOX-genenclusters bezitten, gelegen op verschillende chromosomen. Men kan, volgens het idee van Ohno, veronderstellen dat de evolutie van nieuwe lichaamsbouw (ongewervelden naar gewervelden) verband houdt met het verschijnen van nieuwe HOX-paralogen die nieuwe functies toelieten; dit door opstapeling van mutaties die de eiwitstructuur doen veranderen. Het wordt bovendien aangenomen dat de genduplicaties op veel grotere schaal gebeurd zijn dan voor de HOX-genenclusters alleen en mischien wel totale genoomduplicaties waren (.  figuur 1.25). Maar voor lang niet alle genen vinden we vier paralogen terug. Men veronderstelt daarom dat er naast de genduplicaties ook een proces van genenverlies (pseudogenvorming) bestaat. >>Samengevat zijn er voor bijzonder veel genen van het menselijk genoom paralogen te vinden, meestal op andere chromosomen. We zullen dan ook in latere hoofdstukken in dit boek stil staan bij dit fenomeen.

1.5 Basen, nucleotiden en nucleïnezuren

De vierde groep biomoleculen heeft overeenkomsten met de derde. Net als de relatie tussen aminozuren en eiwitten, hebben we in deze groep te maken met een beperkt aantal bouwstenen, de nucleotiden, die verantwoordelijk zijn voor de synthese van een bijna oneindige verscheidenheid aan nucleïnezuren van twee soorten: DNA (desoxyribonucleïnezuur) ) en RNA (ribonucleïnezuur) ). Zoals ook het geval is voor de eiwitten, bevat de nucleotidenvolgorde informatie voor de functie van het nucleïnezuur. Een deel van de nucleïnezuren zijn informatiedragende moleculen (.  figuur 1.26). Een tweede relatie is metabool: de aminozuren zijn chemische voorlopers van de basen van DNA en RNA (7  H.  10). Ten slotte is er een intens verstrengelde relatie tussen de functies van nucleïnezuren en die van eiwitten (. figuur 1.26). Men kan dit schema, dat de stroom van informatiedragende en uitvoerende moleculen in het leven samenvat, om het even waar beginnen, want het is een cirkel. DNA heeft de genetische informatie opgeslagen om alle eiwitten te maken die de cel nodig heeft. Diverse soorten RNA zorgen voor een betrouwbare en regelbare omzetting van deze informatie tot eiwitten

1

30

Hoofdstuk 1 • Biomoleculen

1

. Figuur 1.25  Genoomduplicaties als mogelijke verklaring voor de vele paraloge genen in het genoom van de huidige mens (onderaan). Het proces is getekend voor tien in elkaars buurt liggende genen. Twee grootschalige genduplicaties (mogelijk totale genoomduplicaties) hebben plaatsgevonden ergens tussen 450 en 400 miljoen jaar geleden bij een oervertebraat waarvan alle nu levende gewervelde dieren afstammen. Door uitval van grote aantallen genen (pseudogenvorming) en opstapelende mutaties zijn de kopieën van elkaar gaan verschillen. Wat (om het simpel te houden) niet is getekend is het feit dat er door herschikkingen in de genenvolgorde (inversties, translocaties) bijkomende verschillen tussen de kopieën zijn ontstaan. Het aantal paralogen loopt in dit model uiteen tussen 1 en 4.

(transcriptie en translatie). DNA kan zichzelf bijna foutloos laten kopiëren (replicatie). Voor replicatie, transcriptie en translatie zijn er echter heel veel soorten eiwit nodig. Dus wat was er eerst? Eiwit of nucleïnezuur? De kip of het ei? Evolutie Het ‘centrale dogma’ van de moleculaire biologie . Figuur 1.26 bevat het zogeheten ‘centrale dogma’ van de moleculaire biologie, in 1957 voor het eerst naar voren gebracht door Francis Crick. De laatste vijftig jaar moest dit schema herhaaldelijk worden aangepast omdat er tijdens de evolutie van het leven mechanismen zijn ontstaan die gebruik maken van of parasiteren op elementen van het centrale dogma. Retrovirussen gebruiken bijvoorbeeld de omgekeerde transcriptie (reverse transcription), waarin RNA wordt afgeschreven tot cDNA. Prionen, de verwekkers van de gekkekoeienziekte en de ziekte van Creutzfelt-Jacob, zijn eiwitten die zichzelf lijken te kopiëren zonder tussenkomst van RNA of DNA. Men kan zich de vraag stellen wat er in het leven het eerst ontstond: DNA (de informatiedrager), of eiwit (de uitvoeder van de gedragen informatie). Zoals hierna wordt uitgelegd (7 par. 2.7), zijn er argumenten binnen het ‘kip en ei’-debat, dat RNA zeer vroeg in het ontstaan van het leven verscheen, want het kan zowel functioneren als drager als als uitvoerder. De eerder vermelde Christian De Duve is naast Leslie Orgel een van de prominente voorstanders van deze hypothese van een vroege ‘RNA-wereld’.

De bouwstenen van nucleïnezuren zijn de nucleotiden, die op hun beurt bestaan uit drie onderdelen: ten eerste een base, ten tweede ribose of desoxyribose (een furanosestructuur van een aldose met vijf C-atomen; zie suikers) en ten derde een fosfaat (. figuur 1.27).

1.5 • Basen, nucleotiden en nucleïnezuren

31

. Figuur 1.26  Relatie tussen nucleïnezuren en eiwitten. DNA slaat de erfelijke informatie in een stabiele chemische vorm op die betrouwbaar kan worden doorgegeven aan de volgende generaties (replicatie). Om tot uitdrukking te komen moet deze informatie eerst worden overgeschreven tot mRNA (transcriptie). Vervolgens wordt het transcript door ribosomen vertaald tot een specifiek eiwit. Hierbij zijn andere soorten RNA actief (rRNA’s, tRNA’s, miRNA’s). Er bestaat colineariteit tussen de basenvolgorde in de nucleotiden van DNA en de aminozuurvolgorde in de primaire structuur van een eiwit. Omdat er voor replicatie, transcriptie en translatie specifieke eiwitten nodig zijn, worden nucleïnezuren en eiwitten afhankelijk van elkaars functie. Het hier getoonde geval kan bijvoorbeeld gelden voor het celcycluseiwit ribonucleotidereductase (7 par. 10.4.1), dat nodig is voor synthese van nieuw DNA. Maar ook alle enzymen die voor de energie zorgen voor een van de getoonde processen passen in dit beeld van wederzijdse afhankelijkheid.

We onderscheiden vijf soorten basen als uitgangspunt voor DNA en RNA, hoewel sommige basen na inbouw chemisch kunnen worden gemodificeerd, bijvoorbeeld methylering in DNA. Deze vijf basen zijn in te delen in twee purinen en drie pyrimidinen (.  tabel 1.4 en . figuur 1.27). Adenine, guanine en cytosine worden gemeenschappelijk gebruikt voor RNA en DNA, maar de tweede pyrimidine is verschillend voor RNA (uracil) of DNA (thymine). Nucleosiden zijn structuren waarvan de base covalent verbonden is aan het C1’-koolstofatoom van ribose of desoxyribose. Let op de Haworth-projectie en de bèta-anomere ruimtelijke oriëntatie van de base. Nucleotiden hebben als extra groep een (of meer) fosfaatester(s) die verbonden zijn aan alcoholgroepen van de suiker. Desoxyadenosine-5’-monofosfaat (desoxyadenylaat, afgekort dAMP) is hier een voorbeeld van. Nucleïnezuren ontstaan wanneer nucleosidetrifosfaten polymeriseren, waarbij twee fosfaatesters afsplitsen en alleen het binnenste fosfaat overblijft om een covalente brug te maken tussen het 5’-koolstofatoom van de suiker waar het al aan vast zat en het 3’-koolstofatoom van de suiker van het naburige nucleotide. Zo krijgt men enkelstrengig DNA en RNA (. figuur 1.28). 1.5.1 Dubbele helixstructuur

Twee bijzonder invloedrijke wetenschappelijke artikelen verklaren de structuur van de dubbelstrengige DNA-helix (Watson & Crick, 1953b) en het gevolg hiervan voor de informatie-inhoud tijdens de semiconservatieve DNA-replicatie (Watson & Crick, 1953a). De kerngedachte in deze structuur is de eigenschap van nucleïnezuren om op specifieke wijze basenparen te vormen (.  figuur 1.29). In deze zogeheten Watson-Crick-basenparen (A-T, T-A, G-C en C-G)

1

32

Hoofdstuk 1 • Biomoleculen

1

. Figuur 1.27  Bouwstenen van een nucleotide. Boven: de vijf meest gebruikte basen in nucleotiden en nucleïnezuren. Adenine en guanine zijn purinen, cytosine, uracil en thymine zijn pyrimidinen. Onder: de twee gebruikte suikers zijn ribose (RNA en ribonucleotiden) en desoxyribose (DNA). Nucleotiden, zoals desoxyadenosine-5’-monofosfaat (desoxyadenylaat of afgekort dAMP), hebben op de suiker (zwarte vijfring) minstens één fosfaatester. Voor het aanmaken van DNA en RNA zijn de trifosfaten nodig omdat deze de energie bevatten voor de polymerisatiestap. De nummering 1’, 3’ en 5’ slaat op de koolstofatomen van de suiker. In desoxyribose is het 2’ koolstofatoom gereduceerd.

. Tabel 1.4  Nomenclatuur van basen, nucleotiden en nucleosiden. Base RNA

DNA

Nucleoside

Nucleotide (monofosfaat)

adenine

purine

adenosine

adenylaat (AMP)

guanine

purine

guanosine

guanylaat (GMP)

uracil

pyrimidine

uridine

uridylaat (UMP)

cytosine

pyrimidine

cytidine

cytidylaat (CMP)

adenine

purine

desoxyadenosine

desoxyadenylaat (dAMP)

guanine

purine

desoxyguanosine

desoxyguanylaat (dGMP)

thymine

pyrimidine

desoxythymidine

desoxythymidylaat (dTMP)

cytosine

pyrimidine

desoxycytidine

desoxycytidylaat (dCMP)

bestaat er complementaire structuur tussen twee basen die liggen aan weerskanten van twee interagerende DNA-strengen. Deze complementariteit berust enerzijds op een karakteristieke lengte, breedte en hoogte, die overeenkomt met het toegelaten volume tussen de ruggengraat van beide strengen, en anderzijds op een patroon van waterstofbruggen (twee tussen adenine en thymine en drie tussen cytosine en guanine). Deze H-bruggen worden verklaard door het precies complementair aan-

1.5 • Basen, nucleotiden en nucleïnezuren

33

. Figuur 1.28  Enkelstrengig DNA bezit een ruggengraat van steeds terugkerende covalente bindingen tussen twee zuurstofatomen (3’ en 5’) van desoxyribose en fosfaatesters. Daarbovenop staat een variabel deel in de vorm van de volgorde van de basen (A, T, C of G). De ruggengraat heeft ook een oriëntatie (5’ versus 3’ uiteinden van de laatste fosfaatester) en de conventie is om de informatie-inhoud van het nucleïnezuur op te schrijven als de basenvolgorde (eenlettercode) van 5’ naar 3’. In dit voorbeeld wordt dit dus ATGC.

wezig zijn van H-donoren en H-acceptoren op de juiste positie in de structuur (. figuur 1.29). Hierdoor legt de informatie-inhoud van één streng in het nucleïnezuur (de basenvolgorde in één nucleotidenketen) ook die van de andere (de complementaire keten) vast. Zo kon een eenvoudig model worden opgesteld voor wat er tijdens de DNA-replicatie en -transcriptie gebeurt (.  figuur 1.26): er wordt een complement van de complementaire streng gemaakt en zo ofwel een kopie (DNA-replicatie), ofwel een afschrift (RNA-transcriptie) verkregen van het origineel. James Watson en Francis Crick kregen voor dit theoretische onderzoek in 1962 de Nobelprijs voor Geneeskunde/Fysiologie, samen met Maurice Wilkins. Pioniers Rosalind Franklin en de ontdekking van de dubbele helix Er dient op dit punt in het verhaal van de ontdekking van de aard van het informatiedragende DNA toch heel nadrukkelijk één naam te worden toegevoegd: Rosalind Franklin (Maddox, 2003). Franklin had, voor Watson en Crick aan hun modelbouw begonnen, als chemicus aan de Universiteit van Cambridge zeer waardevolle experimentele gegevens verkregen na X-straaldiffractie van gezuiverd B-DNA. Wilkins, die in hetzelfde lab als Franklin werkte op ADNA, speelde – zonder dat zij daarvoor toestemming had gegeven – de niet-gepubliceerde onderzoeksresultaten van Franklin in mei 1951 op een symposium in Italië door aan James Watson. Die raakte hierdoor geïnteresseerd in de structuur van DNA en begon met Crick op dit onderwerp te werken in een voor Franklin concurrerend lab in Cambridge. Franklin publiceerde in hetzelfde nummer van Nature van 25 april 1953 waarin ook het artikel van Watson en Crick verscheen haar eigen onderzoeksresultaten, die uiteraard die van het model van Watson en Crick ondersteunden (Franklin & Gosling, 1953). Rosalind Franklin heeft de eer van haar eigen ontdekking en de revolutie die dit heeft ontketend in de biowetenschappen niet mogen meemaken: in 1958 overleed zij op 37-jarige leeftijd. Watson en Crick hebben de cruciale bijdrage van Franklin aan de ontdekking van de structuur van DNA steeds vermeld (zie bijvoorbeeld de volgende website van de Nobel Foundation: 7 http://nobelprize.org/index.html).

1

34

Hoofdstuk 1 • Biomoleculen

1

. Figuur 1.29  Basenpaarvorming in dubbelstrengig DNA. Op basis van waterstofbruggen tussen specifiek tegenover elkaar liggende H-donoren en acceptoren en op basis van de ruimte die aanwezig is tussen de ruggengraat van beide strengen, zijn specifieke A-T- of T-A-paren mogelijk met twee waterstofbruggen en C-G- of G-C-paren met drie waterstofbruggen (rode stippellijnen). Hier is niet getoond dat beide complementaire strengen, door de geometrie van de bindingen in hun ruggengraat, op een antiparallelle wijze om elkaar heen draaien met een periodiciteit van tien nucleotiden per winding. Dit is de zogeheten ‘dubbele helix‘. Aan weerszijden van het model twee pioniers van het concept, Francis Crick, die het dubbelehelixmodel bouwde op basis van de meetresultaten van Rosalind Franklin.

1.6 Enzymen zijn de katalysatoren van het metabolisme

Onder fysiologische omstandigheden verlopen de meeste biochemische reacties tussen zuivere stoffen bijzonder traag. Neem bijvoorbeeld de splitsing van een peptidebinding door een molecuul water. Deze reactie noemt men hydrolyse en kan schematisch worden geschreven als het omgekeerde van de synthese van een peptidebinding (. figuur 1.30). Deze reactie is exergonisch en dus spontaan mogelijk. Echter, peptidebindingen zijn in waterige oplossing bij neutrale pH en bij lichaamstemperatuur vrij stabiel. Dit is maar goed ook, anders zouden we in de regen of in bad oplossen (onze huid en haren bestaan grotendeels uit eiwit). Anderzijds is deze stabiliteit een probleem voor eiwit in ons voedsel omdat het zonder tussenkomst van enzymen maanden zou duren voor er iets van de peptidebindingen in voedingseiwit is gekliefd. Door de spijsverteringsenzymen worden voedingseiwitten binnen minuten verteerd, doordat de hydrolytische reactie van . figuur 1.30 vele miljoenen malen wordt versneld. Voorbeelden van pancreatische spijsverteringsenzymen die voedingseiwitten verteren zijn trypsine en chymotrypsine. Deze versnelling noemen we katalyse. Kenmerkend is dat de katalysator (het enzym) niet stoichiometrisch tijdens een reactie wordt verbruikt en dus beschikbaar blijft om nieuwe reacties te katalyseren. Hierdoor kan één

1.6 • Enzymen zijn de katalysatoren van het metabolisme

35

. Figuur 1.30  Hydrolyse van de peptidebinding wordt gekatalyseerd door hydrolasen.

spijsverteringsenzym honderden tot duizenden keren dezelfde reactie katalyseren in het voedingseiwit voordat het zelf wordt verteerd en uitgeschakeld. Het mechanisme van de katalyse kan worden achterhaald door nauwkeurige bepaling van de ruimtelijke eiwitstructuur (X-straalanalyse). Bovendien tracht men nu door gecontroleerde mutagenese (site-directed mutagenesis) de eigenschappen van natuurlijke (bekende) enzymen te verbeteren. Hierna worden enkele algemeenheden over enzymen en katalyse besproken. In het volgende hoofdstuk wordt de regeling van de enzymactiviteit behandeld. In de rest van dit boek staat de katalyserende rol van enzymen bijna voortdurend centraal. Pioniers Louis Pasteur Een van de eerste disciplines in de geschiedenis van de biochemie was die van de enzymologie, de wetenschap die zich bezighoudt met de katalyse van biochemische reacties. De eerste basis voor de ontdekking van enzymgekatalyseerde reacties werd gelegd door baanbrekend werk van Louis Pasteur (1822-1895). Pasteur was chemicus en bioloog en heeft in beide disciplines grote ontdekkingen gedaan. Hij wordt beschouwd als de vader van de chiraliteit (asymmetrie) van moleculen en van de stereochemie. Als microbioloog bestudeerde hij de wetenschappelijke basis van de alcoholische fermentatie van suiker tot ethanol. Het behoeft geen uitleg dat deze reactie voor de Franse economie en cultuur in de 19e eeuw van grote betekenis was (en nu nog altijd is). Pasteur werd als expert ingeroepen omdat sommige fermentaties fout liepen en azijnzuur in plaats van ethanol opleverden. Hij ontdekte dat dergelijke reacties het werk waren van levende micro-organismen. Zijn ontdekkingen vormden de basis van verhitte discussies in de 19e-eeuwse academies voor wetenschappen in verband met de oorsprong van het leven. In feite leidden deze discussies de eindstrijd in tussen voorstanders en tegenstanders van het vitalisme, de bijna tweeduizend jaar oude wetenschappelijke theorie dat het leven niet alleen als mechanisme verklaard kan worden, maar een onstoffelijk element bevat, vaak aangeduid als de ‘essentiële vonk’, de ‘ziel’, de ‘levenskracht’ die niet verklaarbaar is door energie, zoals we die kennen uit de thermodynamica. Eduard Buchner Eduard Buchner maakte in het begin van deze eeuw een definitief einde aan deze strijd door aan te tonen dat dergelijke reacties ook werden gekatalyseerd door fermenten (genoemd naar de fermentatie) in celvrije extracten, dus in ‘levenloze’ sappen (7 figuur 3.1). In een soort uitgeperste dode ‘celsoep’ zaten dus factoren die een belangrijk biologisch proces konden uitvoeren. Deze katalyserende factoren werden later enzymen genoemd: dit woord werd afgeleid van het Griekse εν ζυμοσ, dat ‘in gist’ betekent. Alle cellen, van bacteriën tot de gespecialiseerde cellen van de mens, bleken vele enzymen te bezitten die een grote

1

36

Hoofdstuk 1 • Biomoleculen

1

. Figuur 1.31  De transitietoestand is de energetisch meest onwaarschijnlijke toestand tussen substraat en reactieproduct; deze wordt ‘waarschijnlijker’ gemaakt door tussenkomst van de katalysator. In het voorbeeld van de hydrolyse van een peptidebinding is een van de transitietoestanden getekend (midden boven); hierbij is de peptidebinding al verzwakt en is een oxanion (zuurstofatoom met één netto negatieve lading) getekend. Proteasen stabiliseren deze toestand door een ‘oxaniongat’ te maken in de actieve site.

verscheidenheid van taken uitvoeren. Bijna altijd zijn enzymen specifieke proteïnen met een soortspecifieke driedimensionale structuur en functie. Elke biochemische stap in het metabolisme wordt dus gekatalyseerd door een specifiek enzym. In de loop van de twintigste eeuw zijn duizenden verschillende enzymen geïdentificeerd. Dankzij de revolutie in de DNA-technologie werden de laatste decennia in versneld tempo vele nieuwe enzymen en hun genen ontdekt.

Het mechanisme van katalyse heeft te maken met de precieze driedimensionale structuur (tertiaire structuur), dus de wijze waarop de aminozuurketting zich in de ruimte oprolt, waardoor een kleine ruimte wordt gevormd die chemisch perfect complementair is aan de zogenoemde transitiestaat of transitietoestand (Engels: transition state) tussen substraat en reactieproduct (.  figuur 1.31). Deze transitie komt in het energiediagram van een chemische reactie voor als de hoogst mogelijke energetische toestand en vertegenwoordigt dus een soort barrière om de reactie te laten verlopen. Tijdens deze toestand is de bestaande elektronenconfiguratie van het substraat al gedeeltelijk verdwenen en is al het begin van de nieuwe elektronenconfiguratie van het reactieproduct ontstaan. Het energieverschil tussen de begintoestand en de transitietoestand heet de activeringsenergie. Hoe groter dit energieverschil is, des te onwaarschijnlijker is het dat deze toestand zal worden bereikt en des te trager verloopt de reactie. Het katalytisch vermogen van enzymen berust op het feit dat ze de activeringsenergie verlagen. Ze doen dit door in de actieve site een chemische omgeving te creëren die optimaal is aan-

1.7 • Classificatie van enzymen

37

gepast aan de structuur van de transitietoestand. Met andere woorden, enzymen stabiliseren de chemische toestand van de transitie. Merk op dat het door deze stabilisatie ook gemakkelijker is geworden om van de eindtoestand via de transitietoestand naar de begintoestand te gaan. Indien dit mogelijk is, spreekt men van een reversibele reactie. Veel biochemische reacties zijn reversibel; enzymen versnellen door katalyse de reactie even sterk in beide richtingen (heen en terug). Hierdoor hebben ze geen invloed op de ligging van het reactie-evenwicht. De kleine ruimte waar substraat en reactieproduct tijdelijk aanwezig zijn en waar de transitietoestand waarschijnlijk wordt gemaakt (katalyse), heet de actieve site. De specifieke chemische omgeving (wanden) van de actieve site bepaalt een belangrijke eigenschap van elk enzym, namelijk de grote kieskeurigheid voor wat betreft de keuze van het substraat. In de enzymologie noemt men deze eigenschap substraatspecificiteit. Dit impliceert dat er voor de duizenden chemische reacties in levende cellen evenveel specifieke enzymen nodig zijn. We zullen in de volgende hoofdstukken met meer dan honderd van deze specifieke enzymen kennismaken. Een tweede belangrijke eigenschap van enzymen vormt de hoge mate van regelbaarheid, zodat de werkelijke snelheid van de chemische reactie niet afhankelijk is van de massawet, maar eerder van de activiteitstoestand van het enzym. Enzymregulatie begint doorgaans op plaatsen die ver weg liggen van de actieve site en zal worden besproken in het volgende hoofdstuk. 1.7 Classificatie van enzymen

Het grote aantal enzymen maakt een objectieve en ondubbelzinnige classificatie en correcte naamgeving noodzakelijk. De nu gehanteerde officiële enzymnomenclatuur en -classificatie volgen de IUBMB Enzyme Nomenclature, die deel uitmaakt van de International Union of Biochemistry and Molecular Biology (7  http://www.iubmb.org/). Na het eerste nummer in deze zogeheten EC-nomenclatuur volgt een tweede, derde en vierde nummer (subgroep, subsubgroep en serieel nummer van ontdekking). Alcoholdehydrogenase is bijvoorbeeld EC 1.1.1.1 (misschien een eerbetoon aan Louis Pasteur?) en carboxypeptidase A EC 3.4.17.1. Je kunt dit zelf nakijken op publiek toegankelijke gegevensbanken, zoals de proteoom database ExPASy (7 http://enzyme.expasy.org/EC/3.4.17.1). Deze indeling blijkt ook nuttig voor de voorspelling van de functie van nieuw ontdekte enzymen met een homologe structuur aan al geklasseerde enzymen (Syed & Yona, 2009). Wij zullen in het boek de namen van enzymen hanteren met afkortingen van de coderende genen in het menselijk genoom (7 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene). Enzymen kunnen, op basis van de chemische reactie die zij katalyseren, worden onderverdeeld in zes grote groepen. zz EC 1: Oxidoreductasen

Deze groep katalyseert oxidatie- en reductiereacties. Afhankelijk van de elektronenacceptor is er een aantal subgroepen: de dehydrogenasen hebben meestal NAD, NADP, FAD of cytochromen als elektronenacceptor. Lactaatdehydrogenase behoort tot deze groep. De oxygenasen geven elektronen af aan moleculair zuurstof. De oxygenasen worden verder onderverdeeld in mono- en di-oxygenasen. zz EC 2: Transferasen

De transferasen zijn enzymen die de overdracht van een bepaalde groep (bijvoorbeeld methyltransferasen, formyltransferasen, carboxyltransferasen, acyltransferasen, aminotransferasen)

1

38

1

Hoofdstuk 1 • Biomoleculen

van het ene molecuul naar het andere regelen. De donor van de transferasereactie treedt vaak op als cofactor van het enzym. De subgroepen van deze klasse worden bepaald door de aard van de overgedragen groep. Hexokinase is een voorbeeld: het draagt een fosfaatgroep van ATP over op glucose met vorming van glucose-6-fosfaat. Soms vormen dergelijke enzymen een tijdelijk covalent complex met de over te dragen groep:

S1 − x + enzym → S1 + enzym − x S2 + enzym − x → enzym + S2 − x ( = product ) zz EC 3: Hydrolasen

De hydrolasen zijn in feite ook transferasen, aangezien ze bepaalde groepen overdragen aan een watermolecuul. Ze worden echter als aparte groep geclassificeerd. Ze splitsen ester-, glycoside-, peptide- of andere covalente bindingen, waarbij de –OH- en –H-groepen van water aan beide uiteinden van het gesplitste molecuul komen te liggen. Belangrijke subgroepen zijn de peptidasen of proteasen, een omvangrijke familie van enzymen die peptidebindingen hydrolyseren (bijvoorbeeld trypsine en chymotrypsine). Verder zijn er de lipasen, die verantwoordelijk zijn voor de hydrolyse van esterbindingen in vetten, de sacharidasen, die de glycosidebindingen tussen suikerpolymeren verbreken, en de nucleotidasen (RNasen en DNasen), die verantwoordelijk zijn voor de splitsing van respectievelijk RNA en DNA tot vrije nucleotiden. Hier worden fosfaatesters verbroken.

zz EC 4: Lyasen

De lyasen klieven of veranderen C-C-, C-N- en C-O-bindingen via andere mechanismen dan hydrolyse of oxidatie: a. eliminatie van groepen, waardoor er dubbele bindingen ontstaan; b. toevoegen van groepen, waardoor dubbele bindingen verdwijnen. Voorbeelden zijn decarboxylasen, aldolasen en synthasen. zz EC 5: Isomerasen

De isomerasen veroorzaken sterische veranderingen binnen het substraatmolecuul. Naargelang het type van sterische verandering spreekt men van racemasen, epimerasen, cis-trans-isomerasen en mutasen. zz EC 6: Ligasen

De ligasen (synthetasen) doen het omgekeerde van de hydrolasen: zij plakken de uiteinden van twee moleculen aan elkaar, waarbij er water vrijkomt. Vaak is bij dergelijke condensatie ATP betrokken. Dit wordt dan gesplitst in adenosinemonofosfaat (AMP) en pyrofosfaat (PPi). Dit laatste wordt dan nog verder gehydrolyseerd tot twee fosfaatmoleculen (2 Pi), om het reactieevenwicht in de richting van de synthese te schuiven. Naargelang het type binding dat wordt gevormd, onderscheidt men weer diverse subgroepen. Voorbeelden zijn: de RNA- en DNApolymerasen, de aminoacyl-tRNA-synthetasen, de acyl-CoA-synthetasen enzovoort.

Literatuur

39

Literatuur Boomkamp, S.D. & Butters, T.D. (2008). Glycosphingolipid disorders of the brain. Subcell. Biochem. 49, 441–467. Brites, P., Mooyer, P.A., El, M.L., Waterham, H.R. & Wanders, R.J. (2009). Plasmalogens participate in very-longchain fatty acid-induced pathology. Brain. 132, 482–492. Cavalier-Smith, T. (2002). The phagotrophic origin of eukaryotes & phylogenetic classification of Protozoa. Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 52, 297–354. Cavalier-Smith, T. (2006). Rooting the tree of life by transition analyses. Biol. Direct. 1, 19. Delage, B. & Dashwood, R.H. (2008). Dietary manipulation of histone structure & function. Annu. Rev. Nutr. 28, 347–366. Ellis, L., Atadja, P.W. & Johnstone, R.W. (2009). Epigenetics in cancer: targeting chromatin modifications. Mol. Cancer Ther. 8, 1409–1420. Franklin, R.E. & Gosling, R.G. (1953). Molecular configuration in sodium thymonucleate. Nature. 171, 740–741. Gillum, M.P., Zhang, D., Zhang, X.M., Erion, D.M., Jamison, R.A., Choi, C., et al. (2008). N-acylphosphatidylethanolamine, a gut- derived circulating factor induced by fat ingestion, inhibits food intake. Cell. 135, 813–824. Gonda, K., Watanabe, T.M., Ohuchi, N. & Higuchi, H. (2010). In vivo nano-imaging of membrane dynamics in metastatic tumor cells using quantum dots. J. Biol. Chem. 285, 2750–2757. Granzier, H.L. & Labeit, S. (2004). The giant protein titin: a major player in myocardial mechanics, signaling & disease. Circ. Res. 94, 284–295. Guillemin, R. (2005). Hypothalamic hormones a.k.a. hypothalamic releasing factors. J. Endocrinol. 184, 11–28. Hoffmann, F.G., Opazo, J.C. & Storz, J.F. (2008). Rapid rates of lineage-specific gene duplication & deletion in the alpha-globin gene family. Mol. Biol. Evol. 25, 591–602. Hosoi, E. (2008). Biological & clinical aspects of ABO blood group system. J. Med. Invest. 55, 174–182. Lee, E.K. & Gorospe, M. (2009). Minireview: Posttranscriptional regulation of the insulin & insulin-like growth factor systems. Endocrinology. 151, 1403–8. Li, H. & Durbin, R. (2010). Fast & accurate long read alignment with Burrows-Wheeler transform. Bioinformatics. Maddox, B. (2003). The double helix & the ‘wronged heroine’. Nature. 421, 407–408. Mathers, J.C. & McKay, J.A. (2009). Epigenetics - potential contribution to fetal programming. Adv. Exp. Med. Biol. 646, 119–123. Meyer, T.E., Tollin, G. & Cusanovich, M.A. (1994). Protein interaction sites obtained via sequence homology. The site of complexation of elektron transfer partners of cytochrome c revealed by mapping amino acid substitutions onto three-dimensional protein surfaces. Biochimie. 76, 480–488. Nooijer S. de Holland B.R. & Penny D. (2009). The emergence of predators in early life: there was no Garden of Eden. PLoS. One. 4, e5507. Sanger, F. (1988). Sequences, sequences & sequences. Annu. Rev. Biochem. 57, 1–28. Sanger, F. (2001). The early days of DNA sequences. Nat. Med. 7, 267–268. Singer, S.J. & Nicolson, G.L. (1972). The fluid mosaic model of the structure of cell membranes. Science. 175, 720–731. Smith, B.C. & Denu, J.M. (2009). Chemical mechanisms of histone lysine & arginine modifications. Biochim. Biophys. Acta. 1789, 45–57. Storry, J.R. & Olsson, M.L. (2009). The ABO blood group system revisited: a review & update. Immunohematology. 25, 48–59. Syed, U. & Yona, G. (2009). Enzyme function prediction with interpretable models. Methods Mol. Biol. 541, 373–420. Tokuda, G. & Watanabe, H. (2007). Hidden cellulases in termites: revision of an old hypothesis. Biol. Lett. 3, 336–339. Wang, F., Li, F., Chen, G. & Liu, W. (2009). Isolation & characterization of novel cellulase genes from uncultured microorganisms in different environmental niches. Microbiol. Res. 164, 650–657. Watson, J.D. & Crick, F.H. (1953a). Genetical implications of the structure of deoxyribonucleic acid. Nature. 171, 964–967. Watson, J.D. & Crick, F.H. (1953b). Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid. Nature. 171, 737–738.

1

41

Wat is metabolisme? Samenvatting Hoofdstuk 2 geeft een overzicht van metabolisme. Anatomisch is het een netwerk van paden, zoals het stratenplan van een stad, waarlangs het verkeer van moleculen (metabolieten) naar alle gewenste bestemmingen gaat. We onderscheiden katabolisme (de afbraak en verbranding van biomoleculen) van anabolisme (de opbouw van biomoleculen uit bouwstenen). Functioneel is metabole flux belangrijk: dit is de intensiteit van het metabolietenverkeer die overeen moet stemmen met de behoeften van het lichaam. Hierbij worden drie doelstellingen bereikt: het leveren van voldoende energie (ATP), het leveren van voldoende bouwstenen en het leveren van reducerend vermogen (NADPH) voor reductieve biosynthese. Belangrijk is dat de metabole flux geregeld wordt tot het gewenste niveau. Dit gebeurt dankzij flux-controlerende enzymen waarvan het aantal of de activiteit kan veranderen door de inwerking van hormonen op de cel. In dit verband bekijken we aangeboren ziekten van het metabolisme (inborn errors of metabolism) die niet alleen de flux verstoren, maar ook metabolieten kunnen doen opstapelen.

2.1 Inleiding – 43 2.2 Wat is metabolisme? – 44 2.3 Metabolisme is een groot actieterrein – 47 2.4 Metabole paden – 48 2.5 Metabole flux – 48 2.6 Anabole en katabole wegen – 51 2.6.1 Katabolisme – 51 2.6.2 Anabolisme – 53

2.7 Ribonucleotiden als metabole dragers – 54 2.7.1 ATP – 56 2.7.2 NADH, NADPHen FADH2 – 59 F. C. Schuit, Leerboek metabolisme, DOI 10.1007/978-90-368-0620-6_2, © 2015 Bohn Stafleu van Loghum, onderdeel van Springer Media BV

2

2.7.3 Co-enzym A – 60 2.7.4 Andere dragers – 61

2.8 Het metabolisme wordt intensief geregeld – 62 2.8.1 Regeling van de hoeveelheid parallel werkende enzymmoleculen – 63 2.8.2 Regeling van de enzymactiviteit – 63 2.8.3 Regeling van de toegankelijkheid van het enzym voor het substraat – 65 2.8.4 Beperken van diffusieafstanden en ongewenste reacties – 65 2.8.5 Verdeling van metabole paden over celcompartimenten – 66

2.9 Stofwisselingsziekten – 68 2.10 Metabool onderzoek – 71 2.11 Metabolisme op het internet – 73 Literatuur – 75

2.1 • Inleiding

43

2.1 Inleiding

Een biochemicus die een bepaalde reactie van een levende cel in een reageerbuis wil nabootsen, zal condities kiezen waarbij alleen de gewenste reactie doorgaat, terwijl alternatieve reacties vermeden worden. Er zullen remmers van andere mogelijke reacties worden toegevoegd of de externe voorwaarden (hoge temperatuur, extreme pH, sterke concentratieverschillen) doen het evenwicht van de reactie in de gewenste richting schuiven. In een levend organisme (in vivo) gebeurt de reactie die men in de reageerbuis (in vitro) wenst na te bootsten dus ook, maar meestal veel efficiënter. Het merkwaardige is dat de omstandigheden in die levende cellen heel mild zijn (neutrale pH, lage druk en lichaamstemperatuur, lage concentratie substraat). Wat nog meer verbaast is dat er in hetzelfde organisme op hetzelfde moment honderden andere soorten reacties tegelijk gebeuren! Het wonderlijkste in deze zaak is dat al deze reacties blijkbaar op geordende manier plaatsvinden, zonder dat ze elkaar storen, afzwakken of op een andere manier in de war brengen. In de levende cel lijken de honderden chemische reacties die tegelijkertijd optreden, te werken als de muzikanten in een orkest dat een grootse symfonie op dynamische wijze vertolkt. Blazers, strijkers, slaginstrumenten zijn op elkaar ingespeeld. Elke speler heeft zijn taak, die staat uitgeschreven in de partituur. De dirigent geeft aan wanneer ritme, tempo en volume moeten veranderen. In dit boek maakt de lezer kennis met de enzymen – die de metabole spelers van het orkest zijn – en de metabolieten – die een complexe moleculaire stroom veroorzaken zoals geluid in muziek. Reacties zijn in logische groepen geordend tot metabole paden die ergens naartoe leiden en het organisme tot een bepaald nut zijn. Het zal ook blijken dat – net zoals er tijdens de concertuitvoering nu eens fortissimo, dan weer piano gespeeld wordt – ook het metabolisme onderhevig is aan sterke veranderingen, zodat de intensiteit van de chemische reacties harmonisch wordt afgestemd op de behoefte van het organisme. Hormonen in de bloedbaan treden op als dirigenten en instrueren de cel om sommige reacties en zelfs complete metabole paden intensief en andere tijdelijk niet te gebruiken. In feite draait het metabolisme rond het gegeven van metabole flux en de precieze regeling ervan, omdat foute regeling zal leiden tot disfunctie en ziekte. Maar niets is perfect in de natuur, dus ook het orkest van de cel maakt kleine en soms ook grote fouten. Deze fouten kunnen toevallig zijn, of – wanneer de partituur een verkeerde DNA-base bevat – gevolgen hebben uiteenlopend van een systematische onvolkomenheid die niemand opmerkt tot een catastrofale vergissing die de cel, een orgaan of een organisme vroegtijdig doet sterven. Daarom zijn er talrijke raakpunten tussen metabolisme en ziekten of ziekteprocessen. Sommige aangeboren fouten van het metabolisme – die we groeperen onder de naam stofwisselingsziekten – illustreren dit principe. We keren aan het einde van dit hoofdstuk terug naar de biochemicus die te weten wil komen hoe het moleculaire orkest werkt en – als er iets is misgegaan – waar de fout zit. Daarvoor zijn speciale technieken nodig van metabool onderzoek. Leerdoelen 55 55 55 55 55 55

de betekenis begrijpen van ‘metabole paden’ en ‘metabole flux’; anabolisme kunnen plaatsen naast katabolisme; de positie van adenineribonucleotiden in het metabolisme kennen; belangrijke mechanismen van metabole regeling begrijpen; het begrip inborn error of metabolism (stofwisselingsziekte) begrijpen; inzicht hebben in enkele methoden van metabool onderzoek.

2

44

Hoofdstuk 2 • Wat is metabolisme?

Studeeraanwijzing

2

Voorkennis van ‘biomoleculen’ is noodzakelijk (7 H. 1). Met deze voorkennis wordt de tijdsbesteding aan de kernleerstof van dit hoofdstuk geschat op 10 uur.

2.2 Wat is metabolisme? Definitie Metabolisme is het collectief van chemische reacties in een levend organisme, dat als doel heeft om dat organisme gezond te houden.

Een normaal verlopend metabolisme verzekert dat het individu zich normaal kan ontwikkelen, zich adequaat kan voortplanten en een normaal leven kan leiden. Dit collectief is veel meer dan een optelsom van een groot aantal chemische reacties. Er bestaat namelijk een diepgaande integratie waarbij het belang en de intensiteit van individuele chemische reacties zijn afgestemd op de gelijktijdige werking (of niet-werking) van alle andere, om zo het belang van het individu en van de soort te dienen. Deze bijna perfecte concertering is het resultaat van een lange weg van evolutie, waarin het metabolisme van een bepaalde levensvorm zich heeft aangepast aan de bijzondere omstandigheden (klimaat, beschikbaar voedsel) waarin deze soort leeft. Soorten co-evolueren vaak met hun voedsel; we denken hier in het bijzonder aan de fruit producerende planten en de dieren die dit fruit eten, met een evident voordeel voor beide soorten. Homo sapiens is in de enkele millennia van zijn recente bestaan door zijn kleren, huizen, landbouw, veeteelt, visvangst en voedingsindustrie een buitenbeentje geworden onder alle levensvormen, omdat hij zich daardoor als soort heeft weten te handhaven in de meest diverse niches van onze planeet. Veel mensen, vooral in de geïndustrialiseerde wereld, zijn zich steeds beter gaan beschermen tegen fluctuaties in hun leefomstandigheden (voedselschaarste, extreme koude), zodat het metabolisme zich minder hoeft aan te passen in de omstandigheden van onze cultuur dan in de wilde natuur. Metabolisme wordt vaak onderverdeeld in katabolisme en anabolisme. Daarbij gaat katabolisme over de afbraak van macromoleculen tot de bouwstenen waaruit ze zijn opgebouwd en de verbranding van deze bouwstenen, met als doel hier nuttige (chemische potentiële) energie uit te halen. Anabolisme is een energievragend proces, waarbij de eerder vermelde bouwstenen worden aaneengeschakeld tot macromoleculen zoals eiwitten, nucleïnezuren, glycogeen en triglyceriden. Metabolisme wordt ook onderverdeeld in metabole paden, wegen die gezien kunnen worden als een aaneenschakeling van chemische reacties die van een beginpunt vertrekken en ergens op een concreet eindpunt aankomen. Het belangrijkste deel van de verklaring voor het harmonisch plaatsvinden van het collectief van reacties (zie de vergelijking met een orkest in de inleiding) is dat bijna alle chemische reacties van het metabolisme worden gekatalyseerd door specifieke enzymen. Zoals eerder besproken (7 par. 1.6), zijn enzymen uitermate efficiënte katalysatoren, die een bepaalde reactie een miljoen maal of meer kunnen versnellen. Bovendien zijn deze katalysatoren zeer kieskeurig in de keuze van het type reactie dat zij versnellen. Bovendien zijn enzymen regelbaar door factoren die het orkest van chemische reacties op een dynamische wijze laten verlopen, ten dienste van de actuele noden of behoeften van het organisme.

2.2 • Wat is metabolisme?

45

Het metabolisme van een organisme draait in feite om drie centrale gegevens: 1. Het genereren van voldoende nuttige energie om alle levensfuncties naar behoren te kunnen uitvoeren; de pasmunt voor energievragende processen is ATP; het leveren van voldoende ATP is de globale doelstelling van het katabolisme. 2. Het verzamelen van alle nuttige bouwstenen (hetzij door ze zelf te maken, hetzij door ze uit de voeding op te nemen), met de bedoeling om versleten moleculen te vervangen door nieuwe, of om netto nieuwe moleculen bij te maken voor de groei. 3. Het genereren van reducerend vermogen (NADPH) voor reductieve biosynthese. >>Merk op dat doelstelling 1 direct verbonden is aan katabolisme en doelstellingen 2 en 3 de essentie zijn van anabolisme.

Wat het energieverbruik van een organisme betreft kan onderscheid worden gemaakt tussen enerzijds het basaal metabolisme of basale metabole snelheid (basal metabolic rate of BMR in de Engelstalige literatuur), die nodig is voor het onderhoud van de levensfuncties, en anderzijds twee andere uitgaven: a. de energie die nodig is om voedsel te verteren, op te nemen en te assimileren in het metabolisme (deze energie wordt grotendeels uitgegeven door het spijsverteringsapparaat); b. de energie die uitgegeven wordt door de skeletspieren wanneer deze arbeid verrichten. Meer dan 60% van de energie-uitgave van het basale metabolisme gebeurt door vier vitale organen (lever, hersenen, nieren en hart), dit om het lichaam in leven te houden. De energieuitgave gaat naar mechanische arbeid (pompfunctie van het hart), ionenpompen (resorptie en excretie in de nier en elektrische excitatie van neuronen) en chemische synthese in de lever. In de natuur zijn sommige dieren in staat om hun basale metabolisme in een soort slaaptoestand te houden zo lang ze geen voedsel vinden. Op het moment dat er voedsel gevonden wordt, zal het metabolisme uit de slaap ontwaken en enorm versnellen. Voorbeelden hiervan zijn slangen en spinnen, die vele maanden kunnen hongeren om vervolgens een naar proportie gigantische maaltijd te verorberen. Evolutie De metabole adaptatie van grote en kleine dieren Er bestaat een relatie tussen de grootte van een organisme, de hoogte van het basale metabolisme en de levensduur van deze soort (Speakman, 2005). De relatie zegt dat grote dieren een trager basaal metabolisme hebben en langer leven. Biologen proberen al meer dan honderd jaar een wetmatig verband te formuleren tussen de intensiteit van de basale metabole snelheid per kilogram lichaamsgewicht (BMR) en het lichaamsgewicht (BM; body mass). Over de precieze formule bestaat nog discussie (White & Seymour, 2005), maar een benadering is: BMR = BM-0,7. De kerngedachte is dat dieren hun energie dus niet uitgeven naar rato van het aantal kilo’s dat ze wegen, maar relatief minder naarmate ze groter zijn. Proportioneel geeft een dier van 10 kg lichaamsgewicht per kilogram maar half zo veel uit aan basaal metabolisme als een dier van één kilogram. Op dezelfde wijze spendeert een dier van 100 kg per kilo maar half zo veel als een dier van 10 kg enzovoort. Deze relatieve daling is een goede zaak en misschien wel een door de evolutie gestroomlijnd proces, vanwege de relatie tussen oppervlak en inhoud. Dit is het eenvoudigst te begrijpen met het simpele model van een bol. Een grote bol met een tweemaal grotere straal dan een kleine bol heeft een achtmaal zo groot volume (gewicht) maar slechts een viermaal zo groot oppervlak. Als per kilogram massa dezelfde warmte wordt geproduceerd, moet het oppervlak

2

46

2

Hoofdstuk 2 • Wat is metabolisme?

van de grote bol tweemaal meer warmte per seconde afgeven per vierkante meter oppervlak dan de kleine en dat kan fysisch onmogelijk zijn. Dit probleem wordt vermeden door de massa in de grote bol minder warmte te laten produceren. Hetzelfde geldt op het niveau van cellen, wat verklaart waarom cellen beperkte afmetingen kunnen hebben. In deze oppervlakte/inhoudrelatie speelt naast warmte-uitwisseling uiteraard ook de uitwisseling van ionen, metabolieten, zuurstof enzovoort een analoge rol. Conclusie: een groot dier heeft een relatief klein oppervlak per kilogram lichaamsgewicht en zou dus oververhitten als de basale metabole snelheid niet proportioneel zou dalen met de dalende oppervlakte/inhoudsverhouding. Omdat de levensduur naargelang het lichaamsgewicht met dezelfde proportie verlengt als de metabole snelheid daalt (dus een dier van 100 kg leeft ongeveer de helft langer dan een dier van 10 kg enzovoort), werd oorspronkelijk gedacht dat één gram weefsel in een klein of een groot dier ongeveer evenveel energie heeft verbrand voordat het dier sterft. Dit blijkt echter niet waar te zijn, want kleine dieren spenderen over een totaal leven per gram weefsel meer energie dan grote (Speakman, 2005). Een onderliggende verklaring voor de kortere levensduur van organismen die intens verbranden is de zuurstofradicaalhypothese van weefselaftakeling en celdood, die stelt dat verbranding van brandstof in cellen schadelijke zuurstofmoleculen doet ontstaan die de cel langzaam maar zeker beschadigen. We komen hierop terug in 7 par. 5.9, waar de reductie van zuurstof tot water wordt behandeld in de context van ATP-synthese. Een van de voorspellingen van deze hypothese, namelijk dat calorische restrictie leidt tot een langer leven, wordt inderdaad ondersteund door talrijke experimenten (Bordone & Guarente, 2005), maar de interpretatie van deze gegevens is niet eenvoudig (Piper & Bartke, 2008). Vrij grote afwijkingen van de wet die het verband legt tussen basale metabole snelheid en lichaamsgewicht worden gezien bij slangen en spinnen (Glazier, 2009). Opvallend is dat deze koudbloedige dieren een zeer flexibel metabolisme hebben in de zin dat ze zeer onregelmatig (soms met extreem lange tussenpozen) verhoudingsgewijs enorme maaltijden eten. Dit veronderstelt een groot metabool aanpassingsvermogen, waarbij er tijdens de pauzes tussen maaltijden een energiezuinig metabolisme bestaat en anderzijds, tijdens de vertering van de maaltijd, het metabolisme als het ware een metamorfose ondergaat en extreem (tot 40 maal of meer) versnelt. De python is een goed voorbeeld van plasticiteit van het metabolisme (Secor & Diamond, 1998). Het dier activeert na het vangen en opeten van een prooi zijn (slapende) spijsverteringsapparaat. Het gehalte van cholecystokinine, een hormoon van de darmtractus, stijgt meer dan 50 maal in het bloed en dat van plasmatriglyceriden meer dan 150 maal. Het gevolg is een metamorfose van de activiteit van het spijsverteringssysteem, waarvan de massa (eten niet meegerekend) binnen 24 uur verdubbelt (Secor & Diamond, 1998). Deze veranderingen zijn mogelijk dankzij een sterke verhoging van de expressie van ionenkanalen (Helmstetter et al., 2009). Het gilamonster (Heloderma suspectum, een giftige hagedis) heeft hiervan een variant ontwikkeld: het dier produceert in zijn speekselklieren exendine-4, een zeer krachtige analoog van glucagon-like peptide 1. Omdat exendine-4 de werking van insulineproducerende bèta-cellen verbetert (Goke et al., 1993) en deze cellen kan doen prolifereren, is dit een potentieel mechanisme om het slapende anabolisme van dit dier te doen ‘ontwaken’ zodra voedsel gegeten wordt. Exendine-4 wordt nu als geneesmiddel gebruikt bij patiënten met type-2-diabetes (Drucker, 2005).

2.3 • Metabolisme is een groot actieterrein

47

2.3 Metabolisme is een groot actieterrein

Het metabolisme is een van de grootste en meest vergende complexe levensfuncties in alle organismen. Het is een zó grote taak, dat veel parasieten het vermogen hebben ontwikkeld om de inspanning van het organiseren van een goed werkend metabolisme over te laten aan de gastheer van wie ze profiteren. Metabolisme is tevens een zaak van leven of dood op elk moment van het bestaan. Elke specialist zal dit natuurlijk over zijn terrein beweren, dus waarom zou u de titel van deze paragraaf zomaar geloven? De stelling kan echter verdedigd worden door te kijken naar het aandeel van alle genen waarvan iets bekend is over hun functie. Het aandeel van deze ‘gekarakteriseerde genen’ dat codeert voor metabool relevante producten (meestal enzymen, of hun regulatoren) is verbazingwekkend groot. Inderdaad heeft pakweg 25% van alle genen met bekende functie iets te maken met de opdracht om het metabolisme in goede banen te leiden en de nodige flexibiliteit te geven rond het gegeven of voedsel gevonden wordt of niet; of de omgevingstemperatuur daalt of stijgt; of een infectie moet worden overwonnen; of er melk geproduceerd moet worden voor een baby enzovoort. Dit maakt metabolisme tot een complex onderwerp waarvan de kennis en het inzicht nu al bijzonder uitgebreid zijn door een kolossaal aantal wetenschappelijke studies: ‘metabolism’ komt als zoekterm in PubMed (6 juni 2014) in iets meer dan 6,1 miljoen wetenschappelijke artikelen voor, wat 25% is van alle (± 25 miljoen) in PubMed opgenomen artikelen. Dit percentage klopt dus goed met het aandeel van metabole genen in het totale genoom. Anderzijds heerst de indruk onder wetenschappers dat – hoewel de meeste metabole paden en hun afzonderlijke reacties inmiddels wellicht zijn ontdekt – men nog maar aan het begin staat van het begrijpen hoe het orkest als geheel werkt en hoe het misloopt in veelvoorkomende ziekten. De complexiteit van het ‘orkest’, iets waarvoor het DNA van onze soort circa vijfduizend genen inzet, is dan ook overweldigend. Het probleem wordt nog groter op eiwitniveau, aannemende dat een gemiddeld gen tien verschillende eiwitvarianten kan afleveren. Dit boek heeft niet de bedoeling om gedetailleerde kennis over tienduizenden eiwitvarianten te leveren. Zulke kennis veroudert trouwens en geeft weinig inzicht in hoe het geheel werkt. Er zal getracht worden een ruwe schets van het geheel neer te zetten, waarbij evolutionair sterk bewaarde fenomenen en fenomenen die medische betekenis hebben (impact op ziekteprocessen, rol bij preventie, diagnose of therapie van ziekten) de meeste aandacht krijgen. Hooguit een paar procent van de metabole genen en hun producten zal in dit boek bij naam worden genoemd; slechts van een deel daarvan zal meer dan de naam worden vermeld. Het onderwerp is dus gewoon te groot om in zijn totaliteit en in detail in één boek te bevatten. Het functioneel indelen van duizenden genen van een genoom gebeurt meer en meer door bio-informatici en via de Gene Ontology-classificatie (GO) (Lomax, 2005). Dit is een computergestuurd klassement van duizenden genen over de grote celfuncties. Naarmate er meer genoomsequenties bestudeerd zijn, wordt deze informatie steeds completer en preciezer (Reeves et al., 2009). Zie ook de website 7 http://www.geneontology.org/. Zelfs wanneer we eiwitsynthese en aanmaak van nucleïnezuren niet meetellen (dit is eigenlijk anabolisme, maar het zijn in GO-annotaties aparte klassen), is het metabolisme, met zijn aandeel van ongeveer 25% van alle genen met bekende functie, veruit de grootste klasse. Opvallend is dat dit hoge percentage zowel gevonden wordt in het primitieve genoom van de gist Schizosaccharomyces pombe (Wood et al., 2002), als in het rijstgenoom (Goff et al., 2002) en het menselijk genoom (Lander et al., 2001).

2

48

Hoofdstuk 2 • Wat is metabolisme?

2.4 Metabole paden

2

In laboratoria zie je nog wel eens een ‘metabole landkaart’ als poster aan de muur hangen. Vroeger dienden deze posters als geheugensteun voor onderzoekers, maar ze zijn nu wat achterhaald door uitstekende websites zoals de Kyoto Encyclopedia of Genes & Genomes, afgekort KEGG (7 http://www.kegg.jp/kegg/pathway.html#metabolism). Op poster en website is het totaaloverzicht van metabolisme op het eerste gezicht een kluwen (.  figuur 2.1) die ofwel een nietszeggende warboel is waartegenover men volkomen onverschillig staat, ofwel een voorwerp van kopzorg in verband met het naderende examen. Gelukkig zal de geoefende toeschouwer heel wat minder moeite met deze kaart hebben. Er zit immers veel structuur en logica in; de afzonderlijke reacties houden verband met elkaar en eigenlijk vormen alle reacties samen een logisch geheel. De opeenvolgende hoofdstukken hebben als globale opzet om logische en functioneel belangrijke delen van het metabole netwerk als afzonderlijk studieobjecten te analyseren. In 7 H. 11 en 12 komen de onderdelen weer bijeen, eerst tijdens de bespreking van voeding en aan het einde van het boek als geïntegreerd lichaamsmetabolisme dat ontspoort bij suikerziekte en obesitas. Een schema van een eenvoudige metabole weg is te zien in . figuur 2.2. Als het acht chemische bewerkingen kost om stof A (de metabole voorloper) om te zetten in stof I (het eindproduct), dan houden deze acht stappen verband met elkaar: ze vormen een metabole weg. Het is belangrijk om te beseffen, dat elk van de stappen zijn eigen plaats op de weg kent: de volgorde is dus niet willekeurig, want metabole paden hebben een vastliggende structuur. Opmerkelijk is ook dat een dergelijke structuur evolutionair doorgaans bijzonder sterk bewaard is gebleven van bacterie tot mens. Uiteraard bestaan er metabole wegen die slechts in een deel van de levende natuur aanwezig zijn. Zo wordt de fotosynthese alleen uitgevoerd door planten en bepaalde algen, de synthese van een deel van de aminozuren wordt niet uitgevoerd door de mens, maar wel door bacteriën. Ammoniak wordt op verschillende manieren uitgescheiden in gewervelde dieren (ammoniak in vissen, urinezuur in vogels, ureum in zoogdieren). Dit boek concentreert zich op paden die ofwel universeel aanwezig zijn in de natuur, ofwel een bijzondere plaats innemen in het metabolisme van de mens. 2.5 Metabole flux Definitie Met metabole flux wordt bedoeld: de hoeveelheid moleculen van een bepaalde metaboliet, die per tijdseenheid per cel langs een bepaald punt van het metabole pad passeert. Flux heeft hier dus dezelfde betekenis als in de fysica.

De metabole flux hangt sterk af van de omstandigheden in de cel en is in feite de meest relevante metabole parameter, die voortdurend en zeer nauwkeurig moet worden bewaakt. De concentratieverschillen tussen substraat en reactieproduct hebben een invloed op de flux. Andere factoren zijn de diffusieafstanden en de toegankelijkheid van de enzymen voor het substraat. De allergrootste invloed gaat echter uit van de beschikbaarheid en de mate van activiteit van enzymen die de reactie moeten katalyseren. Bijna alle aspecten van de regeling van het metabolisme convergeren naar effecten die enzymen uitoefenen op de metabole flux. Het is eerder

2.5 • Metabole flux

49

. Figuur 2.1  Schema van metabolisme. De kleuren stellen afzonderlijke metabole paden voor. Elk puntje is een unieke reactie die wordt gekatalyseerd door een gespecialiseerd enzym. Bron: 7 http://www.kegg.jp/ kegg/pathway.html#metabolism (goedkeuring voor reproductie verkregen).

2

50

2

Hoofdstuk 2 • Wat is metabolisme?

. Figuur 2.2  Schema van een metabole weg met acht enzymen die samen in staat zijn om acht metabolieten te vormen en netto A om te zetten in I. De fluxbepalende stap (7 par. 2.5) is onomkeerbaar en wordt weergegeven door de rode eenrichtingspijl.

regel dan uitzondering dat de flux langs een bepaalde metabole weg bepaald wordt door één of slechts enkele zeer bijzondere enzymen van deze weg. We noemen dergelijke belangrijke enzymen dan fluxbepalende enzymen. Het is natuurlijk de bedoeling om juist over dit type enzymen zo veel mogelijk te weten te komen. Om de abstracte chemische taal van de paragraaf hierboven even te doorbreken, kunnen we de vergelijking maken tussen flux langs een bepaalde metabole weg en de flux van het wegverkeer, bijvoorbeeld de snelweg van Brussel naar Oostende. De flux kan daar worden gedefinieerd als het aantal auto’s dat per seconde langs een bepaald punt passeert. Anders dan bij het metabolisme is er natuurlijk niet al te veel aan de auto veranderd tussen begin- en eindpunt, behalve dat de inzittende iets ouder is geworden, dat de kilometerteller een ander getal aangeeft en dat de benzinetank wat leger is. Zoals iedereen die wel eens in een auto heeft gezeten weet, hangt de flux aan auto’s bij een bepaald punt enorm af van de verkeersomstandigheden. Onder ideale wegomstandigheden kan men, de veiligheid en verkeersregels in acht nemende, de maximale flux berekenen op elk punt van de snelweg. Rijdt iedereen bijvoorbeeld 120 km per uur (dit is 33 meter per seconde) en houden de auto’s een redelijke afstand van elkaar (bijvoorbeeld 33 meter rijdek per wagen), dan is de maximale flux op deze autosnelweg met drie baanvakken drie auto’s per seconde. Het kan gebeuren dat op een kritiek punt (bijvoorbeeld Gent-Zwijnaarde) twee van de baanvakken afgesloten zijn. Dit heeft een onmiddellijk negatief effect op de maximale flux. Bovendien zal door de gevaarlijke toestanden rond dit punt besloten zijn om de toegelaten voorwaarden scherper te regelen (bijvoorbeeld een maximale snelheid van 60 km per uur op de resterende twee baanvakken). Deze maatregel zal de flux verder verlagen tot een zesde van de maximale waarde onder ideale omstandigheden. Op dat moment zal dit bepaalde punt de totale flux over het hele traject gaan beperken: het wordt de fluxbepalende stap in het traject. Er zal zich een opstapeling van auto’s voordoen voor dit bewuste punt (deze concentratieverhoging noemen we ‘file’), terwijl de autoconcentratie na dit punt weer zal dalen. Een zeer analoge situatie doet zich voor in de metabole wegen. De punten op het traject zijn de discrete metabole stappen die uitgevoerd worden door specifieke enzymen (enzym 1 in . figuur 2.2). Het aantal rijvakken moet vertaald worden in het aantal aanwezige enzymmoleculen dat de katalyse kan uitvoeren. De lokale reglementering (snelheid, moeilijke bochten…) wordt vertaald in de activiteit van bestaande enzymmoleculen en die kan geregeld worden door allosterie of covalente modificaties. Zeer opmerkelijk in de metabole regeling is dat de fluxbepalende stappen aan het begin van het metabole traject liggen. Er is dus sprake van instroombeperking in het voorbeeld van .  figuur  2.2 en in echte gevallen die behandeld worden in de volgende hoofdstukken. Deze organisatie heeft als groot voordeel dat ‘moleculaire files’ vermeden worden. Men kan ook de vergelijking maken met de flux van water in een rivier. Probeer zelf eens een fluxgenererende maatregel in een rivierloop de bedenken.

2.6 • Anabole en katabole wegen

51

. Figuur 2.3  Belangrijke brandstof voor het katabolisme. De gemiddelde oxidatietoestand van de zes koolstofatomen van glucose (links) komt overeen met die van methanol. Triglyceriden (vet in de vetcellen) vormen een brandstof die overwegend bestaat uit CH2-groepen, met een gemiddelde oxidatietoestand van de zes koolstofatomen, zoals in methaan of benzine. Alleen de glycerolgroep en de aanpalende carboxylkoolstof van het vetzuur zijn meer geoxideerd (helemaal rechts). Bovenaan: ruimtevullende vanderwaalsmodellen van beide moleculen.

2.6 Anabole en katabole wegen

Het metabolisme wordt opgedeeld in anabolisme (opbouw van complexe biomoleculen uit bouwstenen) en katabolisme (afbraak van biomoleculen, vaak met als doel om hier energie uit te halen). Voorbeelden van zuiver anabole wegen zijn de synthese van basen of van cholesterol; voorbeelden van zuiver katabole wegen zijn de oxidatieve fosforylering en de proteolyse van eiwitten gevolgd door de oxidatie van aminozuren tot CO2. Het metabolisme is zodanig georganiseerd dat veel anabole en katabole taken gescheiden van elkaar optreden als gespecialiseerde metabole wegen. Maar pas op: het is voor een aantal metabole paden niet mogelijk om deze te klasseren als zuiver anabool of katabool, want ze kunnen in beide hoedanigheden dienen. Voorbeelden hiervan zijn de glycolyse en de Krebs-cyclus. 2.6.1 Katabolisme

Katabole wegen hebben als einddoel om de cellen te voorzien van voldoende chemische energie (adenosinetrifosfaat; ATP) om te kunnen overleven en te kunnen groeien als dat nodig is. De meest gebruikte brandstoffen in menselijke cellen zijn koolhydraten (suikers) en lipiden (vetten, opgebouwd uit vetzuren). De koolstofatomen in dergelijke brandstof worden bij een volledig uitgevoerd katabolisme, net zoals dat gebeurt in een verbrandingsoven of motor, geoxideerd tot CO2. Er bestaat dus analogie met de oxidatie van door de mens gebruikte brandstof voor kachels, motoren en turbines. Hoe meer gereduceerd de koolstof voor aanvang van de verbranding is, hoe meer energie hier tijdens de verbranding tot CO2 uit te halen valt. Vetten benaderen voor de meeste koolstofatomen van de brandstof deze lage oxidatietoestand, zoals die ook aanwezig is in methaan of in benzine (. figuur 2.3). Glucose en alle andere

2

52

Hoofdstuk 2 • Wat is metabolisme?

2

. Figuur 2.4  Trapsgewijze verbranding in levende cellen (rechts) treedt op door tussenkomst van enzymen. Dit heeft als voordeel tegenover de eenstapsverbranding in een oven of kachel (links) dat het proces beheerst wordt bij lage temperaturen (kleine activeringsenergie) en dat een aanzienlijk deel van de vrijkomende energie kan worden opgeslagen als nuttige dragers.

koolhydraten (suikers) hebben op het gemiddelde koolstofatoom een intermediaire oxidatietrap die lijkt op die van methanol (.  figuur 2.3). Vergeleken met glucose zullen de vetzuren van triglyceriden per C-atoom bij volledige verbranding tot CO2 meer nuttige energie kunnen opleveren dan een suiker zoals glucose. Dieren hebben tijdens de evolutie een voorraad triglyceriden (‘vet’) als strategische brandstof gekregen; een verklaring is dat deze brandstof, die overal naartoe ‘gedragen’ moet worden, per kilogram het hoogste energierendement geeft. Hoewel de volledige verbranding van glucose in een cel of in een verbrandingsoven chemisch hetzelfde eindresultaat oplevert (de oxidatie van alle C-atomen tot CO2), bestaan er enkele zeer fundamentele verschillen (. figuur 2.4). Ten eerste gaat de cel het verbrandingsproces opdelen in een groot aantal stapjes, die elk een kleine energiesprong vertegenwoordigen in de exergonische verbrandingsreactie. In de kachel wordt echter één grote energiesprong gemaakt. Ten tweede bestaat er een aanzienlijke chemische activeringsenergie (7  par. 1.6) tijdens verbranding in de kachel, dus treedt deze pas op bij hoge temperatuur (een vlam steekt de brandstof aan). In de cel is dit niet nodig, omdat de activeringsenergie van de talrijke kleine stapjes zeer klein wordt gehouden door efficiënte katalysatoren (de enzymen). Ten derde zal de energie die vrijkomt in de kachel niets anders dan warmte opleveren, terwijl de verbranding in de cel dient om nieuwe chemische orde te creëren, dit in de vorm van energierijke elektronen (NADH en FADH2) die op hun beurt zorgen voor de synthese van ATP. Primitieve cellen beginnen het katabolisme met de vertering van macromoleculen tot hun oorspronkelijke bouwstenen via hydrolyse in een ruimte net buiten de celmembraan. Bij meercellige dieren speelt deze eerste fase van het katabolisme zich af in de holte van het spijsverteringssysteem (. figuur 2.5). Eukaryote cellen verteren bovendien de verouderde bestanddelen van de cel of andere opgenomen macromoleculen in de holte van de lysosomen. Wat al deze verteringsprocessen gemeenschappelijk hebben, is dat een lipidenmembraan het compartiment van vertering afscheidt van het cytoplasma om autodigestie van de eigen

2.6 • Anabole en katabole wegen

53

. Figuur 2.5  Katabole wegen convergeren naar de volledige verbranding van acetyl-CoA tot CO2 in de Krebs-cyclus. Hierbij ontstaan energierijke elektronen (e- in een cirkel), die worden gebruikt voor ATP-productie (oxidatieve fosforylering). De eerste fase van het katabolisme is de spijsvertering, die aminozuren, glucose en vetzuren produceert. De tweede fase convergeert tot acetyl-CoA en omvat de bèta-oxidatie van vetzuren, glycolyse, aminozuurafbraak en oxidatieve decarboxylering. Daarna volgen Krebs-cyclus en oxidatieve fosforylering.

c­ elcomponenten te voorkomen. De enzymen die voor deze fase nodig zijn noemt men hydrolasen, waarbij onderscheid wordt gemaakt tussen proteasen, lipasen en sacharidasen. Een bijzondere vorm van fase 1 die wel in het cytoplasma plaatsvindt, is de glycogenolyse, de afbraak van glycogeen, een voorraad mobiliseerbare glucosebouwstenen in lever en skeletspieren (7  par. 6.3). De metabole paden van de tweede fase dienen om de door de vertering gevormde bouwstenen metabool te convergeren tot acetyl-Co-enzym A (acetyl-CoA). In deze fase treedt al partiële oxidatie van de brandstof op, maar er is nog weinig directe ATP-productie. De suikers worden via de glycolyse tot pyruvaat afgebroken (7 H. 3), dat in één stap in acetyl-CoA wordt omgezet (7  par. 4.2). Een deel van de aminozuren die ontstaan na hydrolyse van eiwitten wordt via transaminasen in alfa-ketozuren omgezet die convergeren naar acetyl-CoA (7  par. 4.5 en 7  par. 9.2.2). De vetzuren (hydrolyse van lipiden) worden via de bèta-oxidatie in acetyl-CoA omgezet (7 H. 4). Tijdens de derde katabole fase wordt acetylCoA in de Krebs-cyclus volledig geoxideerd tot CO2 (. figuur 2.5). Ook hier is er weinig directe ATP-productie, maar wel de levering van energierijke elektronen (reducerend vermogen in de vorm van NADH en FADH2). Ten slotte wordt dit reducerend vermogen gebruikt voor ATPproductie (oxidatieve fosforylering; 7 par. 5.5). Strikt katabool is eigenlijk alleen deze laatste fase; de andere fasen kunnen ook gebruikt worden voor anabole doeleinden. Een bijzonder katabolisme dat niet in .  figuur 2.5 werd aangeduid, is aanwezig bij de afbraak van cholesterol, heem en purinen, die niet verbrand worden tot CO2, maar afgebroken tot respectievelijk galzouten (7 par. 8.5.1), bilirubine (7 par. 9.4.4) en urinezuur (7 par. 10.5) en als dusdanig worden uitgescheiden. 2.6.2 Anabolisme

Anabole wegen omvatten de biochemische reacties die leiden tot de biosynthese van nieuwe moleculen, meestal vanuit kleinere bouwstenen. Een cel die zichzelf onderhoudt en die groeit,

2

54

Hoofdstuk 2 • Wat is metabolisme?

2

. Figuur 2.6  Anabole wegen. De mens heeft bepaalde bouwstenen in zijn voedsel nodig, omdat hij deze niet zelf kan maken (essentiële vetzuren en aminozuren) en een energiebron (suikers of vetten) om te compenseren voor de energie-uitgaven. Voor biosynthese zijn ook ATP en reducerende elektronen (NADPH) nodig.

heeft voortdurend nieuwe macromoleculen nodig. In .  figuur 2.6 zijn deze macromoleculen ingedeeld als eiwitten, nucleïnezuren, polysachariden en lipiden. De synthese van nieuwe eiwitten en nucleïnezuren is voor cellen een bijzonder belangrijke bezigheid, die onder meer zorgt voor het aanwezig zijn van alle benodigde enzymen en hun regelende eiwitten; deze celfunctie behoort tot het terrein van de moleculaire celbiologie, iets dat niet in dit boek wordt besproken. Hier komen achtereenvolgens aan bod: de gluconeogenese en glycogeensynthese (7  par. 1.6), vetzuursynthese en cholesterolsynthese en het maken van afgeleiden daarvan (hoofdstukken 7 en 8), synthese van aminozuren en afgeleiden daarvan (7 H. 9) en synthese van nucleotiden (7  H. 10). Voor deze anabole paden zijn nodig: bouwstenen, energie (ATP) en reducerend vermogen, dit omdat de bouwstenen meestal meer geoxideerd zijn dan het product. Het reducerend vermogen wordt geleverd als NADPH en ontstaat vooral tijdens de oxidatieve fase van de pentosefosfaatweg (7 par. 6.10). Omdat sommige van de bouwstenen niet van glucose of een ander eigen gemaakt molecuul kunnen worden afgeleid, moeten ze worden opgenomen via de voeding. Dit zijn de zogeheten essentiële voedingsstoffen (7 par. 11.4). 2.7 Ribonucleotiden als metabole dragers

Het katabolisme van vrijwel alle levensvormen op aarde is uiteindelijk gecentreerd rond het gegeven van het beheer van een voldoende voorraad chemische energie in de moleculaire gedaante van een ribonucleotide (7  par. 1.5): het adenosine-5’-trifosfaat (ATP; voor structuur, .  figuur 2.7). Het bijzondere van ATP is dat dit molecuul twee energierijke fosfaatgroepen in zich draagt. De energie komt vrij in een exergonische reactie wanneer één of twee van deze buitenste fosfaatgroepen afsplitst als anorganisch fosfaat. De vrijgekomen energie kan dan voor allerlei doeleinden worden gebruikt. Opmerkelijk is dat enkele andere adenineribonucleotiden een even centrale rol spelen in het metabolisme; alleen dragen ze andere ‘nuttige groepen’ dan het fosfaat van ATP. Zo dragen de nucleotiden NADH, NADPH en FADH2 energierijke elektronen, terwijl co-enzym A de

55

2.7 • Ribonucleotiden als metabole dragers

. Figuur 2.7  Structuur van ATP. Links: klassiek structuurmodel, met de P in een rode cirkel als symbool voor elk van de drie fosfaatgroepen; de gamma-fosfaatgroep zit helemaal links. Rechts is op dezelfde schaal en oriëntatie een ruimtevullend (vanderwaals)model van ATP te zien. Rood = zuurstofatoom, blauw = stikstofatoom, zwart = koolstofatoom, wit = waterstofatoom, oranje = fosforatoom.

. Tabel 2.1  Schema van enkele metabool belangrijke adenineribonucleotiden. Naam

Structuur

Functie

ATP

adenine-ribose-fosfaat-fosfaat-fosfaat

energietransfer

NADH

adenine-ribose-fosfaat-fosfaat-ribose-nicotinamide

elektronentransfer

FADH2

adenine-ribose-fosfaat-fosfaat-ribose-isoalloxazine

elektronentransfer

acyl-CoA

adenine-ribose-fosfaat-pantotheenzuur-acylgroep

acyltransfer

drager is van geactiveerde acylgroepen (. tabel 2.1). Er is een groep wetenschappers die denkt dat dit geen toeval is, maar het gevolg van een evolutionair oude oorsprong van ribonucleotiden, ouder dan de eerste cel. Evolutie Een primitieve RNA-wereld Even opmerkelijk is dat de centrale rol van de ribonucleotiden in alle levensvormen op onze planeet (eencelligen, fungi, planten, dieren) terug te vinden is. Ook dit kan duiden op een evolutionair zeer oude oorsprong, mogelijk zelfs ouder dan het moment dat de allereerste cel ontstond. Deze vaststelling, plus het bestaan van ribozymen, RNA-moleculen die optreden als katalysator van een chemische reactie (Cech, 2002), heeft geleid tot het idee van een primitieve ‘RNA-wereld’ (Orgel, 2004). Volgens dit idee was er voor de eerste cel op aarde al een ‘primitief leven’ met ribonucleotiden (chemische dragers van potentiële energie), ribozymen en RNA-dragers van informatie. Later evolueerde vanuit deze primitieve RNA-wereld, waarin suikers verbrand werden en aminozuren aanwezig waren, een systeem met eiwitten. Door de evolutie van lipidendubbellagen ontstonden kleine compartimenten van zichzelf organiserend leven: de eerste cellen. Sindsdien is de nuttige rol van deze ribonucleotiden blijven bestaan. De ‘RNA-wereld’ is echter een hypothese die naast andere hypothesen geplaatst kan worden (Glansdorff et al., 2009).

2

56

Hoofdstuk 2 • Wat is metabolisme?

2

. Figuur 2.8  Synthese van ATP is een endergonisch proces, dat gekoppeld wordt aan energieleverende processen die optreden tijdens het katabolisme. Ongeveer 90% van de ATP ontstaat tijdens de oxidatieve fosforylering en vereist inbouw van anorganisch fosfaat (Pi); de overige 10% wordt gegenereerd door overdracht van energierijke fosfaatgroepen op ADP (~P); dit is de fosforylering op substraatniveau.

2.7.1 ATP

Zoals hiervoor werd uitgelegd, is ATP de universele drager van chemische energie in alle cellen op aarde. De hydrolyse van de gamma-fosfaatgroep van ATP kan door vele processen in de cel worden aangedreven en is een sterk exergonisch proces dat voldoende vrije energie (30-40 kJ/ mol) oplevert om allerlei doeleinden te dienen. Vier voorbeelden zijn: 55 koppeling aan een endergonische chemische reactie om deze te doen verlopen; 55 een energierijke conformatietoestand opleggen aan een structuur (eiwit); 55 mechanische arbeid verrichten; 55 pompen van een molecuul tegen een concentratiegradiënt in. Het katabolisme is erop gericht precies zo veel ATP te synthetiseren – door brandstof in de cellen op te nemen en te verbranden – als nodig is voor alle energievragende processen waarbij ATP verbruikt is. Ongeveer 90% van alle ATP die een cel produceert, ontstaat ter hoogte van de binnenste mitochondriale membraan via de oxidatieve fosforylering (.  figuur  2.8). De resterende 10% wordt gemaakt via fosforylering op substraatniveau, waarbij een energierijke fosfaatgroep op ADP wordt overgedragen. Een eerste voorbeeld van een fosforylering op substraatniveau is de omzetting van fosfoenolpyruvaat in pyruvaat, waarbij een molecuul ADP verandert in een molecuul ATP; dit is de laatste stap van de glycolyse (7  par.  3.3.2). Een ander voorbeeld van fosforylering op substraatniveau is de overdracht van creatinefosfaat naar ADP met vorming van creatine en ATP (.  figuur  2.9). Creatinefosfaat (ook fosfocreatine genoemd) is rijkelijk aanwezig in de skeletspieren en verantwoordelijk voor snelle synthese van nieuw ATP, wanneer dit tijdens de contractie wordt verbruikt. Dit gegeven buffert de ATP-concentratie in de contraherende skelet- of hartspier. De hoge energiepotentiaal (vrije energie van Gibbs = G) van de gamma-fosfaatgroep van ATP enerzijds en van de fosfaatgroep van creatinefosfaat anderzijds kan verklaard worden door de aanwezigheid van twee factoren:

2.7 • Ribonucleotiden als metabole dragers

57

. Figuur 2.9  Fosforylering op substraatniveau met creatinefosfaat als leverancier van een energierijke fosfaatgroep. Dit proces buffert de ATP-concentratie in de samentrekkende skeletspieren en hartspier. Tussen de contracties wordt de voorraad creatinefosfaat weer opgebouwd, waarbij ATP wordt omgezet in ADP.

1. de dichte toenadering van elkaar afstotende negatieve ladingen; 2. de beperking van resonantie van de buitenste elektronenwolk. Als de fosfaatgroep van ATP of van fosfocreatine weghaalt, komt er energie vrij, enerzijds doordat gelijke ladingen zich van elkaar weg bewegen en anderzijds doordat de entropie (het aantal mogelijke vrijheidsgraden) van de elektronenwolken toeneemt. Dit is goed te zien in de structuur van creatine ten opzichte van fosfocreatine (.  figuur 2.9).De negatieve fosfaatgroep in fosfocreatine maakt immers plaats voor een positieve guanidinegroep; in deze laatste kan de elektronenwolk resoneren tussen de twee NH2-groepen, iets dat niet kan in fosfocreatine. Deze resonantievrijheid is een vorm van entropie die het molecuul naar een lager niveau van potentiële energie brengt.

Een moleculaire kringloop

ATP wordt dus voortdurend geproduceerd tijdens de verbranding van brandstof, zoals glucose of vetzuren, maar ook voortdurend gevraagd voor vele honderden energievragende processen in cellen. Voorbeelden zijn alle anabole paden, met daarin zonder uitzondering een of meer endergonische (energievragende) reacties, maar ook het onderhoud van ionengradiënten, mechanische arbeid, secretie. Het is dan ook niet verwonderlijk dat de dagelijkse stroom van ATP naar ADP en van ADP weer terug naar ATP enorm is (. figuur 2.10). Omgerekend naar het totale energieverbruik in een volwassen mens van 70 kg, komt deze stroom inderdaad per dag overeen met 100 mol ATP, wat gelijkstaat aan ongeveer 50 kilogram zuivere stof. Aangezien de totale lichaamsvoorraad van ATP in deze persoon slechts ± 100 gram is (0,2 mol), moet het recycleren van ADP dus heel snel kunnen verlopen, zodat elke drie minuten van het menselijke leven de totale voorraad één keer wordt gebruikt en weer opnieuw wordt aangemaakt. Het metabolisme is zodanig geregeld dat de snelheid van de ATP-synthese precies is afgestemd op de snelheid van verbruik (. figuur 2.10).

2

58

Hoofdstuk 2 • Wat is metabolisme?

2

. Figuur 2.10  De ATP-ADP-cyclus draait intensief in levende cellen. ATP wordt verbruikt tijdens allerlei endergonische processen, zoals biosynthese, mechanische arbeid en actief transport. ADP wordt weer omgezet in ATP, vooral via oxidatieve fosforylering. Gebruik en heraanmaak zijn dermate actief, dat elke drie minuten van het leven de totale ATP-voorraad van een mens één cirkelbeweging in dit schema doorloopt. De biochemische halfwaardetijd (t1/2) van ATP is dus drie minuten.

Het gegeven dat biomoleculen na hun gebruik ‘recycleren’ en dus zeer dikwijls kunnen worden hergebruikt voor dezelfde functie, is een centraal gegeven in het metabolisme en zal terugkeren in diverse metabole paden. Dit concept is de essentie van de Krebs-cyclus (7 par. 4.3) en de ureumcyclus (7 par. 9.3.2) maar het is ook van vitaal belang voor de redoxcycli van de energierijke elektronendragers van NADH/NAD+, FAD/FADH2 (7 par. 2.7.2). Bij sommige metabole paden, zoals het hergebruik van basen (voor DNA en RNA) of van membraansfingolipiden (Kitatani et al., 2008), spreekt men van een ‘salvage pathway’. Recycling van gebruikte elementen geldt ook voor ijzer dat vrijkomt bij de afbraak van rode bloedcellen (Munoz et al., 2009). De hele voorraad van 0,2 mol ATP van een volwassene draait dus elke drie minuten een rondje. Hoeveel moleculen ATP zijn dit per cel en per seconde? Een voorzichtige schatting van het aantal lichaamscellen per kilogram menselijk weefsel is ongeveer 0,8 × 1012, dus ongeveer 6 × 1013 voor een persoon van 70 kg; de constante van Avogadro (gedefinieerd als het aantal atomen per mol van de isotoop koolstof 12C) is 6 × 1023. Drie minuten is bij benadering 2 × 102 seconden. De schatting is dus zonder rekenmachine:



   6 × 1023 × 2 × 10−1 / 6 × 1013 × 2 × 102 = 107

Het antwoord op de vraag is dus: ongeveer tien miljoen moleculen! Hoeveel seconden geleden heb je de vraag gelezen? In feite dient de voortdurende instroom van nieuwe ATP-moleculen om te vechten tegen de tweede wet van de thermodynamica, die stelt dat in ons heelal de entropie (wanorde) elke seconde stijgt. Het leven ‘strijdt’ hier voortdurend tegen door interne orde te scheppen en heeft hiervoor ATP nodig. Deze poging is geen schending van de tweede wet, want het scheppen van orde binnen de grenzen van het levende systeem gaat gepaard met het scheppen van extra wanorde buiten het systeem. Iets concreter voorgesteld, zal het katabolisme door de verbranding van brandstoffen wanorde scheppen; de energie die hieruit voortkomt, wordt benut (via ATP) om de orde van de cel tijdelijk te handhaven of te vergroten, dit zolang deze cel leeft.

59

2.7 • Ribonucleotiden als metabole dragers

De verandering van vrije energie van een chemische reactie waarin A + B reageert tot C + D kan worden berekend met de volgende formule:

G = G◦ + 2, 3RT log [C] [D] / [A] [B] De formule voorspelt of een bepaalde reactie al dan niet spontaan verloopt. Indien we de reactie van links naar rechts bekijken en ∆G, de vrije energieverandering van de reactie, een negatief getal is, verloopt de reactie spontaan (exergonisch). ∆G is enerzijds afhankelijk van een intrinsieke eigenschap van deze specifieke reactie (∆G°’) en anderzijds van de concentraties van de substraten en de reactieproducten (tweede term in de formule). In een reageerbuis loopt de reactie netto in een of andere richting tot er evenwicht is bereikt. Op dat moment geldt:       G◦ = −2, 3RT log Ceq Deq / Aeq Beq In een levende cel wordt dit evenwicht echter nooit bereikt, want er bestaat een continue flux van metabolieten door de metabole paden. Over het algemeen wordt de grootte van de flux door een bepaalde metabole keten niet bepaald door de wet hierboven (concentraties van substraten en producten), maar wel door de activiteit van het fluxbepalende enzym in de metabole weg. >>Het belang van ATP is dat de hydrolyse van ATP tot ADP en Pi (∆G = -30 kJ per mol) gekoppeld wordt aan een endergonische reactie (positieve ∆G-waarde), zodat de combinatie van beide reacties exergonisch is en spontaan kan optreden.

2.7.2 NADH, NADPHen FADH2

Drie adeninenucleotiden staan in het metabolisme van de meeste cellen in alle levensvormen centraal als elektronendragers: het gaat om de twee nicotinamide-adeninedinucleotiden (NAD en NADP) en om de flavine-adeninedinucleotide (FAD). De elektronendragende structuur van NAD+ is te zien in . figuur 2.11 en die van FAD in 7 figuur 5.2 (7 par. 5.3). De energierijke elektronen kunnen worden opgeslagen in ringen waarin geconjugeerde dubbele bindingen aanwezig zijn. De opname van een elektronenpaar verlaagt de mogelijkheid van resonantie van de buitenste elektronenwolk; deze orde maakt de elektronen energierijk en daarom zijn NADH en FADH2 goede reductoren. De redoxreacties waarin NAD+ en FAD betrokken zijn, worden gekatalyseerd door dehydrogenasen, een grote enzymfamilie die een belangrijke rol speelt in de verbranding van suikers, vetzuren en aminozuren. Hierbij treden NAD+ en FAD op als co-enzymen. Het schema van de redoxreactie met substraat XH2 en NAD+ als vertrekpunt is te zien in . figuur 2.11 links. Het substraat X verliest twee elektronen (in feite twee waterstofatomen), die overgedragen worden naar NAD+ (als een hydride anion) dat NADH wordt; het overgebleven proton komt vrij:

XH2 → X + 2H NAD+ + 2H → NADH + H+ De optelsom van deze reacties is:

NAD+ + XH2 → X + NADH + H+

2

60

Hoofdstuk 2 • Wat is metabolisme?

2

. Figuur 2.11  NADH is een tijdelijke drager van een energierijk elektronenpaar. Links is de pyridinestructuur getekend die het energierijke elektronenpaar kan opnemen of afstaan; dit met hulp van een grote groep enzymen, de dehydrogenasen. Omdat de resonantie van de buitenste elektronenwolk beperkter is in de gereduceerde vorm (NADH) is het elektronenpaar energierijk. Rechts staat de R-groep die bestaat uit ribose, twee fosfaten, een tweede ribose en de base adenine.

Zoals in .  figuur 2.11 onderaan links getoond is, kan de reactie echter ook in de omgekeerde richting verlopen. We kunnen ook schrijven:

NADH + H+ + X → XH2 + NAD+

We schrijven daarom de pijlen voor een omkeerbare, door het dehydrogenase gekatalyseerde, reactie:

NAD + + XH 2  X + NADH + H + Een vergelijkbare redoxreactie treedt op in die gevallen waarbij FAD betrokken is:

FAD + XH 2  X + FADH 2 Voorbeelden van dit type redoxreacties zijn te vinden in de Krebs-cyclus (7  par.  4.3) en de bèta-oxidatie van vetzuren (7 par. 4.4).De energierijke elektronenparen op NADH en FADH2 worden tijdens de oxidatieve fosforylering in de mitochondria afgegeven aan zuurstof. Tijdens deze overdracht ontstaat er energie die wordt gebruikt voor ATP-productie. NADP+is de elektronendrager die gereduceerd wordt tot NADPH door drie dehydrogenasen (twee in de pentosefosfaatweg en het malic enzyme). Deze enzymen hebben als taak voldoende NADPH te produceren voor reductieve biosynthese. De energierijke elektronen van het gereduceerde NADPH worden dus niet in de mitochondria aan zuurstof afgegeven, maar dienen als reducerend vermogen tijdens talrijke biosynthetische reacties van anabole paden. Voorbeelden hiervan zijn de vetzuursynthese (7 par. 7.2) en de synthese van cholesterol (7 par. 7.3), evenals de productie van gereduceerd glutathion (GSH). Deze laatste stof is noodzakelijk om te beschermen tegen oxidatieve schade die zuurstof en andere oxidantia aan cellen kunnen berokkenen (7 par. 6.10.5). 2.7.3 Co-enzym A

We kijken nu kort naar co-enzym A (CoA), dat een belangrijke drager is van geactiveerde acylgroepen. De structuur van het adenineribonucleotide bevat naast pantotheenzuur, een vitamine van de B-groep, een zeer belangrijk zwavelatoom waaraan de acylgroep vastzit via een

2.7 • Ribonucleotiden als metabole dragers

61

. Figuur 2.12  Acetyl-CoA werd door Fritz Lipmann ontdekt als de bijzonder belangrijke metaboliet die de verbinding maakt tussen pyruvaat- en vetzuuroxidatie en de Krebs-cyclus. De geactiveerde acetylgroep (helemaal links) is energierijk en zit via een thio-esterbinding covalent vast aan het zwavelatoom van co-enzym A. Lipmann ontving voor de ontdekking van CoA de Nobelprijs voor Geneeskunde/Fysiologie (1953, samen met Hans Krebs die de Krebs-cyclus ontdekte).

energierijke thio-esterbinding (. figuur 2.12). Deze energietoestand activeert de acylgroep voor verdere metabole stappen. Een belangrijk voorbeeld van de gedragen geactiveerde acylgroep is acetyl-Co-enzym A (acetyl-CoA, . figuur 2.12). Hierin zit de energierijke acetylgroep die afkomstig is van pyruvaat- of vetzuuroxidatie (. figuur 2.5) vast aan het co-enzym. In 7 H. 4 en 7 zal uitgelegd worden dat co-enzym A tevens de drager is van geactiveerde vetzuren: acyl-CoA. De cholesterolsynthese en ketogenese (synthese van ketonlichamen) vertrekken van HMGCoA. Tijdens de vetzuursynthese (7 par. 7.2) wordt een analoge structuur gebruikt waarin het zwavelhoudende deel via pantotheenzuur verbonden wordt aan een van de aminozuurzijketens van vetzuursynthase: het acylcarrierproteïne. 2.7.4 Andere dragers

Er bestaan binnen het metabolisme buiten de hierboven besproken voorbeelden nog andere belangrijke dragers van geactiveerde metabolieten, waaronder nog andere ribonucleotiden. Een voorbeeld hiervan is uridinedifosfaat (UDP), dat geactiveerde monosachariden draagt. Dit is zowel relevant voor de glycogeensynthese (7 par. 6.5) als voor de opbouw van de suikergroepen van glycoproteïnen en glycolipiden. In 7 par. 8.1.1 zal blijken dat het cytidinedifosfaat (CDP) een soortgelijke rol speelt in de synthese van membraanlipiden. Ten slotte kan in deze context gemeld worden dat afgeleiden van de vitamine B-groep (wateroplosbare vitaminen) over het algemeen de functie van co-enzym of cofactor uitoefenen voor belangrijke enzymen van het metabolisme. Voorbeelden zijn het TPP (thiaminepyrofosfaat), een afgeleide van vitamine B1, dat aldehyden draagt; het tetrahydrofolaat (afgeleide van foliumzuur) en biotine, die beiden C1-units dragen. De rol van vitaminen van de B-groep in het metabolisme wordt nog duidelijker wanneer men beseft dat vitamine B2 (riboflavine) de voorloper is van FAD, nicotinezuur de voorloper van NADH en NADPH en pantotheenzuur de voorloper van co-enzym A. We komen hierop terug in 7 par. 11.7.16.

2

62

Hoofdstuk 2 • Wat is metabolisme?

2

. Figuur 2.13  Regeling van de snelheid van katalyse van het fluxgenererende enzym. A Aanmaak van extra enzymmoleculen verhoogt de flux. Buiten de aanmaak of stabilisering van mRNA kan dit gebeuren door translatiecontrole, bijvoorbeeld door het verdwijnen van microRNA’s. B De katalytische efficiëntie van op dat moment in de cel aanwezige enzymmoleculen wordt opgedreven door (de)fosforylering, allosterie of een combinatie van beide. C Het aantal enzymmoleculen op de plaats waar de katalyse moet gebeuren, kan worden veranderd door het enzym tijdelijk in een afgezonderd compartiment te ‘verstoppen’.

2.8 Het metabolisme wordt intensief geregeld

In de inleiding werd de vergelijking gemaakt tussen de talrijke onderling samenwerkende enzymen van het metabolisme en de muzikanten in een symfonieorkest (7  par. 2.1). Beheersing van het volume (flux van metabolieten) en variatie in de toonaard (niet constant gebruiken van alle metabole paden tegelijk) zijn zowel in symfonieorkest als celmetabolisme sterk aanwezig. Het metabolisme moet zich foutloos en krachtig kunnen aanpassen aan veranderende omstandigheden, waarvan eten (of vasten) een zeer belangrijk en dikwijls weerkerend gegeven is. De chemie van levende systemen beantwoordt aan de wetten van de natuur- en scheikunde, maar cellen hebben een strategie ontwikkeld om met inbreng van een voordurende ATP-stroom (zie eerder) sterker geldende biochemische wetmatigheden op te leggen aan een hoog geordend systeem. De belangrijkste hiervan is de regeling via allerlei mechanismen van de katalytische draagkracht van de bottleneck van een metabole weg: het fluxbepalende enzym. In de oudere literatuur heet de reactie die door een dergelijk enzym wordt gekatalyseerd de snelheidsbeperkende stap. Enzymen die dergelijke stappen controleren, zijn vaak de sleutel tot de stroom van metabolieten door het verdere verloop van de metabole weg. Omdat zeer dikwijls de instroom wordt bepaald door een fluxbepalend enzym, ontstaat een systeem van instroombeperking waarvan de grootte, door allerlei regelknoppen die reageren op commando’s van binnen of buiten de cel, wordt afgestemd op de precieze behoefte van dat moment. Hoewel er zeer veel exacte regelmechanismen van fluxbepalende enzymen bestaan, kunnen in grote lijnen drie soorten regelingen worden onderscheiden (.  figuur 2.13). Deze drie regelmechanismen zijn: 55 regeling van de hoeveelheid enzymmoleculen per cel (genexpressie); 55 regeling van de enzymactiviteit van reeds bestaande moleculen (allosterie of covalente modificatie zoals fosforylering); 55 regeling van de toegankelijkheid van het enzym tot de metabole route (het enzym kan ‘verstopt’ worden in een ontoegankelijk compartiment).

2.8 • Het metabolisme wordt intensief geregeld

63

2.8.1 Regeling van de hoeveelheid parallel werkende enzymmoleculen

De vergelijking met het wegverkeer kan ook hier worden gemaakt. De maximaal haalbare flux van auto’s over een bepaald traject is groter op een boulevard met tien baanvakken dan in een nauw straatje met één baanvak. Wanneer men in de cel het ‘baanvak’ voorstelt door één enzymmolecuul, dan is het evident dat de maximale snelheid van het ‘verkeer’ (de metabole flux) kritisch afhangt van de totale hoeveelheid beschikbare en parallel aan elkaar werkende enzymmoleculen, die op dat moment substraat kunnen omzetten in reactieproduct. Het totale aantal enzymmoleculen dat op een bepaald tijdstip in een cel aanwezig is, hangt af van een balans tussen: 55 aanmaak van nieuwe enzymmoleculen via genexpressie (transcriptie en translatie); deze genexpressie wordt op vele niveaus geregeld, onder andere de snelheid van transcriptie van het gen dat codeert voor het enzym, de stabiliteit van het betrokken mRNA en de snelheid van translatie; recent is de rol van microRNA’s hierin naar voren gekomen (Lynn, 2009). 55 afbraak van bestaande enzymmoleculen; ook deze kan worden geregeld, bijvoorbeeld door de aanmaak van een protease dat het enzym afbreekt. De meest gebruikte weg verloopt via het ubiquitine, dat leidt tot eiwitdegradatie in het proteasoom. In dit boek staan voorbeelden van hoe een dergelijke regeling precies verloopt. Een van de meest ingenieuze regelsystemen bepaalt exact hoeveel nieuwe cholesterolmoleculen bijgemaakt worden in een cel. Dit gebeurt door regeling van de expressie van HMG-CoA-reductase, het fluxbepalende enzym dat de instroom van metabolieten in een lange metabole weg controleert (7  par. 7.4). Het prachtige van dit regelsysteem is dat het controleapparaat meet hoeveel cholesterol er al is; is er genoeg, dan wordt een rempedaal ingedrukt. Men noemt dit feedbackinhibitie. 2.8.2 Regeling van de enzymactiviteit

Niet alleen de totale hoeveelheid beschikbaar enzym kan worden geregeld, maar ook de activiteitstoestand van de op dat moment in de cel beschikbare enzymmoleculen. Dit aspect van regulatie zal dikwijls besproken worden in specifieke voorbeelden in de hierna volgende hoofdstukken. De regeling van activiteit van reeds aanwezige enzymen kan gebeuren door niet-covalente regelmechanismen, die berusten op het principe van allosterie , transities van de enzymstructuur die op afstand van de katalytische site geregeld worden door activatoren en inhibitoren van het enzym. Een andere mogelijkheid berust op covalente veranderingen van de eiwitstructuur. Een zeer veel gebruikt systeem is de reversibele enzymfosforylering/enzymdefosforylering die het werk is van specifieke proteïnekinasen en proteïnefosfatasen. Voorbeelden zijn fosfofructokinase (glycolyse, regeling door allosterie, 7  par. 3.4.1) en glycogeenfosforylase (glycogenolyse, regeling door (de)fosforylering, 7  par. 6.6). Sommige enzymen worden zowel door allosterie als door fosforylering geregeld. Een voorbeeld hiervan is het pyruvaat-dehydrogenasecomplex (7 par. 4.2.2). In contrast met het bovenstaande bestaat er ook irreversibele (uit-aan)regeling van enzymen. Een zeer belangrijk voorbeeld is de activering van inactieve voorlopers van spijsverteringsenzymen tijdens fase 1 van het katabolisme van voedingsstoffen. Door te ‘knippen’ in de polypeptideketen, worden remmende segmenten uit de eiwitstructuur verwijderd. Zo ontstaat uit trypsinogeen het actieve trypsine en uit pro-elastase het actieve elastase. De enige manier

2

64

Hoofdstuk 2 • Wat is metabolisme?

2

. Figuur 2.14  Regeling van het metabolisme door de energy charge van de cel. Dit diagram laat zien hoe de katabole (ATP-genererende) wegen geremd worden door de energy charge van de cel, terwijl anabole (ATPverbruikende) wegen juist worden gestimuleerd. Merk op dat de energy charge in levende cellen een getal is rond 0,9. Dit is het gebied waar de regelende invloed op de metabole fluxen het grootst is.

om de geactiveerde enzymen weer ‘uit’ te zetten is om ze te vernietigen. In het voorbeeld van hierboven gebeurt dit door verdere proteolyse (autodigestie).

Energy charge

Het valt op dat allosterische inhibitoren vaak eindproducten zijn van de hele keten (feedbackinhibitie), of sleutelmetabolieten zijn. Sleutelmetabolieten komen voor op de kruispunten van de metabole wegen. Anderzijds zijn ADP, ATP of AMP dikwijls betrokken bij deze allosterische interacties. Over het algemeen worden katabole fluxbepalende enzymen geremd door ATP en gestimuleerd door ADP of AMP. Het omgekeerde is waar voor anabole fluxbepalende enzymen. Dit fenomeen heeft geleid tot het concept van de energy charge van een cel, die te vergelijken is met het opladen van een batterij. Bij ‘ontlading’ wordt het katabolisme geactiveerd en het anabolisme geremd, terwijl een ‘opgeladen’ cel zijn katabolisme remt en biosynthese toelaat. De energy charge wordt als volgt gedefinieerd:

Energy charge = ([ATP] + 1/2[ADP])/([ATP] + [ADP] + [AMP]) . figuur 2.14 laat zien hoe de katabole wegen geremd worden door de energy charge van de cel,

terwijl de anabole wegen juist worden gestimuleerd. Het valt in .  figuur 2.14 op dat de normale energy charge van een levende cel heel nauw gecontroleerd wordt rond een waarde van 0,9. Dit is te verklaren door wat eerder werd geschreven, namelijk dat er voortdurend ATP wordt bijgemaakt naar rato van het ATP-verbruik voor allerlei doeleinden. In 7 H. 4 en 5 zal blijken dat een groot deel van de verklaring te vinden is in de regelknoppen van de oxidatieve decarboxylering, Krebs-cyclus en oxidatieve fosforylering. Een tweede zaak die in . figuur 2.14 opvalt, is dat de blauwe en rode kromme in het gebied rond de in de levende cel te regelen energy charge een veel grotere richtingscoëfficiënt hebben dan, bijvoorbeeld, bij een energy charge van 0,25. Dit betekent dat kleine veranderingen in de energy charge grote effecten hebben op de flux door anabole en katabole wegen en dus dat de greep van de energy charge op de controle van het systeem groot is.

2.8 • Het metabolisme wordt intensief geregeld

65

. Figuur 2.15  Metabole coördinatie tussen verschillende enzymactiviteiten tot een multifunctioneel enzym (onder links) of een metabolon (onder rechts) heeft de voordelen van korte diffusieafstanden ten opzichte van los van elkaar liggende enzymen (boven). Het fluxgenererende enzym is niet betrokken in de coördinatie beneden en dit laat een onafhankelijke controle toe, bijvoorbeeld minder genexpressie.

2.8.3 Regeling van de toegankelijkheid van het enzym voor het

substraat

Zelfs als men de hoeveelheid enzym en de activiteit van de aanwezige enzymen vastlegt, is er nog een belangrijke regelbare parameter: zit het enzym op de plaats waar het nodig is, of ‘wacht het af ’, ergens in de cel ‘verstopt’, tot er instructies komen om aan de slag te gaan? Er zijn verschillende voorbeelden bekend waar een dergelijke regeling bijzonder belangrijk is. De regeling van de glucoseopname door de skeletspieren door het bloedsuikerverlagende hormoon insuline is zo’n voorbeeld. Dit is relevant, want het bepaalt de flux van het verdere glucosemetabolisme in deze cellen (7  par. 3.3.1). Een ander voorbeeld is de translocatie van glucokinase (7 par. 3.3.2) – een fluxgenererend enzym voor de glycolyse in de kern van levercellen – tussen de maaltijden (.  figuur 2.13), dat wil zeggen op een moment dat de glycolyse niet actief mag werken. 2.8.4 Beperken van diffusieafstanden en ongewenste reacties

Het metabole orkest zal – zelfs met precies de juiste hoeveelheid werkende enzymen – toch nog te zacht en af en toe met ‘valse tonen’ spelen, als er geen oplossing wordt gevonden voor een ander probleem: de diffusietijd die een bepaalde metaboliet (het reactieproduct van enzym 1 en tevens substraat van enzym 2 in een metabole weg) nodig heeft om van enzym tot enzym te gaan (.  figuur 2.15). Deze tijd is afhankelijk van de concentratiegradiënt en de af te leggen afstand. Is de weg lang, dan bestaat tevens het gevaar dat de metaboliet op enzym 7 botst, dat niets te maken heeft met de ingeslagen weg en het een heel andere weg doet inslaan (ongewenste reactie). De evolutie heeft voor dit probleem twee soorten oplossingen gevonden. De gemeenschappelijke uitkomst van deze oplossingen is dat enzym 1 en 2 fysisch bijzonder dicht naast elkaar liggen, zodat de diffusieafstand uiterst klein wordt. Deze twee oplossingen, die in de natuur meermaals gebruikt worden, zijn het multifunctionele enzym en het metabolon (. figuur 2.15).

2

66

2

Hoofdstuk 2 • Wat is metabolisme?

Een multifunctioneel enzym bestaat uit één polypeptideketen die, na te zijn opgevouwen tot de juiste driedimensionale structuur, verschillende actieve sites bezit (. figuur 2.15). Vooral in het anabolisme van hogere organismen bestaan er voorbeelden van dergelijke enzymen, met het menselijke vetzuursynthase (FAS) als opvallende uitschieter (7 par. 7.2.4). In dit enzym (het product van één gen) zijn vele ruimtelijke domeinen aanwezig, die elk zorgen voor de katalyse van één stap in de anabole weg. Samen werken al deze domeinen van het multifunctionele enzym als een ‘assembly line’, net zoals vele robots samenwerken aan de opbouw van een auto. Bij een metabolon leidt de zelforganisatie tot een analoge oplossing, alleen gaat het hier om enzymen die door afzonderlijke genen gecodeerd worden; na de eiwitsynthese komen de enzymen zeer dicht bij elkaar te liggen en zijn er specifieke niet-covalente interacties die bijdragen tot de vorming van een quaternaire structuur met verschillende subeenheden. Elk enzym katalyseert één stap in de metabole weg, maar de opeenvolgende stappen verlopen zonder grote diffusieafstanden. Het voorbeeld bij uitstek van deze oplossing voor het diffusieprobleem is het pyruvaatdehydrogenase-complex (PDH-complex). Met het purinosoom dat verantwoordelijk is voor de de novo purinesynthese (7 par. 10.2) zien we een gecombineerd voorbeeld waarin een groep enzymen voor deze weg (waaronder drie multifunctionele enzymen) samen ligt in één reusachtig metabolon. 2.8.5 Verdeling van metabole paden over celcompartimenten

Het metabolisme kent een belangrijke bijkomende mogelijkheid tot regeling: de compartimentalisatie. Hiermee bedoelen we niet het eerder besproken tijdelijk ‘verstoppen’ van een enzym, maar het permanent gescheiden zijn van metabole paden, waarbij de lipidenmembranen van celorganellen als een soort ‘grens’ optreden. Weer is de vergelijking met het verkeer belangrijk: de eenrichtingsstraten in de steden en de strikte scheiding van de verkeersrichting op de autosnelwegen is van cruciaal belang voor een vlot en veilig verkeer. Hetzelfde principe verloopt in het metabolisme. In principe zou men van een anabole weg een katabool proces kunnen maken door de flux gewoon om te draaien. Dit is theoretisch mogelijk, want enzymen versnellen een bepaalde reactie evenveel in beide richtingen van de reactie.De meeste anabole en katabole processen gebruiken echter niet precies dezelfde wegen: meestal bestaan er verschillende enzymen, zelfs als de substraten, sommige tussenproducten en de eindproducten identiek zijn. Een voorbeeld is de glycogeenafbraak/ opbouw, waarbij er één snelheidsbeperkend enzym is voor afbraak (fosforylase) en een ander enzym voor de opbouw (glycogeensynthase). Een dergelijke organisatie laat toe dat er een onafhankelijke regeling plaatsvindt van de ene en de andere weg. De onafhankelijkheid van wegen wordt uitgesprokener wanneer ze fysisch van elkaar gescheiden worden door lipidenmembranen die in de cel de compartimenten van de celorganellen vormen (. figuur 2.16). Elk compartiment (celorganel) bezit zijn eigen biochemische en biologische specialisatie met specifieke fysicochemische omstandigheden (pH, ionensamenstelling, concentraties metabolieten). Zo zijn mitochondriën gespecialiseerd in de aerobe verbranding van suikers, vetten en aminozuren (Krebs-cyclus, bèta-oxidatie) en ATP-productie (oxidatieve fosforylering). Het glad endoplasmatisch reticulum is daarentegen verantwoordelijk voor vetzuursynthese. Het glycogeenmetabolisme speelt zich af aan de oppervlakte van de in het cytoplasma gelegen glycogeengranulen. De ribosomen zijn gespecialiseerd in de eiwitsynthese, terwijl DNA- en RNAsynthese plaatsvinden in de kern. Het cytosol is de locatie van de glycolyse en het grootste deel van de gluconeogenese (. figuur 2.16).

2.8 • Het metabolisme wordt intensief geregeld

67

. Figuur 2.16  Subcellulaire compartimenten met verdeling van metabole paden. De meeste metabole paden verlopen in één subcellulair compartiment. De enzymen van de gluconeogenese zijn echter verspreid over drie subcellulaire compartimenten en die van de ureumcyclus over twee. Uiteraard is ook de celkern belangrijk voor (regeling van) transcriptie van de verantwoordelijke enzymen en maken de ribosomen in het cytosol eiwit.

Compartimenten hebben door hun grenzen (een lipidendubbellaag) wel specifieke behoefte aan eiwitten die het transport van polaire metabolieten naar binnen en buiten het compartiment verzekeren. Bovendien zijn bij hogere planten en dieren de cellen verder biochemisch gecompartimentaliseerd in de vorm van gespecialiseerde weefsels en organen, die bijzonder efficiënt zijn in het uitvoeren van bepaalde metabole taken voor het lichaam. De lever is metabool het meest veelzijdige en actieve orgaan en is gespecialiseerd in het beheren van de glucosevoorraad van het lichaam, de afbraak en synthese van aminozuren, het aanmaken van lipoproteïnen en het uitscheiden van afvalstoffen of lichaamsvreemde stoffen. Vetweefsel is gespecialiseerd in het opslaan van een grote voorraad triglyceriden (energiereserve). Om het integrale metabolisme van de mens te doorgronden, moeten deze taakverdeling en de ‘teamvorming’ van deze organen worden bestudeerd (7 par. 12.1). Een samenvatting van het belangrijke idee van regeling van de metabole flux wordt getoond in . figuur 2.17. Uitgangspunt is een metabole functie (bijvoorbeeld de hoeveelheid in het bloed circulerende vrije vetzuren), die wordt bewaakt door regelcentra in het centraal zenuwstelsel of de endocriene klieren. Deze produceren hormonen en neurotransmitters die zorgen voor de communicatie tussen deze regelcentra en de weefsels en organen die een uitvoerende rol hebben in het veranderen van de vetzuurconcentratie in het bloed. Het metabole gedrag van deze uitvoerende cellen wordt door het hormoon of de neurotransmitter veranderd via tussenkomst van specifieke receptoren waarop het hormoon bindt. Veel van deze receptoren liggen in de plasmamembraan, waar ze functioneren als aan G-proteïne gekoppeld element van een signaaltransductie of als enzymreceptor (vaak een tyrosinekinase). Andere receptoren liggen in de kern van de cel te wachten op diffusie van het hormoon naar de kern. Het antwoord van de cel kan snel (binnen seconden tot minuten) tot stand komen via een signaaltransductie die zorgt voor allosterische controle of (de)fosforylering van bestaande enzymen. Een tragere respons (uren) doet een beroep op een verandering van genexpressie, hetzij door veranderde transcriptie van genen die coderen voor het enzym, hetzij door regeling van de translatie van het gecodeerde mRNA. Dit laatste kan via microRNA’s (miRNA’s) die specifiek gericht zijn tegen de 3’-untranslated region van het enzym-coderende transcript. Een voorbeeld hiervan is miRNA-33a (Bommer & MacDougald, 2011) dat gelegen is in een

2

68

Hoofdstuk 2 • Wat is metabolisme?

2

. Figuur 2.17  Samenvattende figuur voor de regeling van de snelheid van katalyse van een fluxgenererend enzym. De metabole functie wordt bewaakt door hormonen en neurotransmitters. Snelle effecten verlopen via membraanreceptoren en controle van bestaande enzymen. Trage effecten passeren via nucleaire receptoren die in de celkern een verandering van genexpressie teweegbrengen.

intron van het belangrijke SREBF2-gen, een transcriptiefactor die we later in het boek zullen tegenkomen in verband met de regeling van de cholesterolconcentratie in de cel (7 par. 7.4.2). Op diverse plaatsen in het boek gaan we verder in op specifieke voorbeelden van de regeling van metabole flux. Voor het voorbeeld van de in het bloed circulerende vetzuren en de belangrijke rol van de witte vetcellen, 7 par. 7.2.7 en 7 par. 12.4. 2.9 Stofwisselingsziekten

Erfelijk bepaalde ziekten van het metabolisme worden in het Nederlands vaak stofwisselingsziekten genoemd. De Engelstalige literatuur heeft het over inborn errors of metabolism en we zullen beide benamingen in het boek gebruiken. Stofwisselingsziekten vertegenwoordigen een grote groep zeldzame tot uiterst zeldzame ziekten waarvan de meeste zich manifesteren bij kleine kinderen, vaak in de neonatale periode (Levy, 2009). Als groep illustreren zij een zeer belangrijk medisch concept, waarin de volgende causaliteit is te vinden (. figuur 2.18): 55 een mutatie in een enzymcoderend gen wordt geërfd van de ouders; in het klassieke beeld gaat het om een Mendeliaans recessief, dominant of X-gebonden overervingspatroon; 55 door de mutatie ontstaat een functioneel tekort; dit is te verklaren doordat het gecodeerde eiwit ofwel afwezig is (defecten in de transcriptie of translatie), ofwel inactief (defecten die zich bijvoorbeeld uiten in een veranderde enzymatische activiteit van het enzym), ofwel storend voor de werking van correct aangemaakte eiwitten (dominante overerving); 55 door het tekort aan functioneel enzym is de flux ter hoogte van één bepaald punt in de metabole weg verminderd of is de regeling gewijzigd; 55 hierdoor stapelen zich substraten op stroomopwaarts van het defect, terwijl er een tekort ontstaat aan producten stroomafwaarts van het defect;

2.9 • Stofwisselingsziekten

69

. Figuur 2.18  Gevolgen van een erfelijk bepaalde stofwisselingsziekte zijn deficiëntie van een bepaald enzym (nummer 3 in dit voorbeeld), met opstapeling van metabolieten, een alternatieve uitweg voor metabolieten stroomopwaarts van het defect en een tekort aan metabolieten stroomafwaarts. De staafdiagrammen stellen metabolietenconcentraties voor in het betrokken weefsel bij normale gezondheid (zwarte lijnen) en bij een patiënt met de aangeboren metabole ziekte (rode lijnen). Metaboliet C ‘vindt’ een andere uitweg.

55 de gewijzigde metabole toestand kan de oorzaak zijn van het slecht functioneren of het afsterven van cellen, weefsels en organen; 55 dit veroorzaakt het fenotype van de patiënt die zich aanmeldt bij de arts met klachten, zichtbare of meetbare tekenen en een progressie van de ziekte in functie van de tijd. Eerder werd besproken dat duizenden genen betrokken zijn bij het coderen van de metabool actieve enzymen en hun regulatoren. Voor elk gen bestaat er theoretisch minstens één ‘inborn error’. De meeste hiervan zijn eerder een theoretisch idee, want ofwel zijn ze zeer zeldzaam, ofwel werden ze nooit waargenomen en beschreven. Een mogelijke verklaring hiervoor is dat het functieverlies voor de cel, het orgaan, of het organisme zo ernstig is dat dit geen levensvatbaar individu (embryonale sterfte) kan opleveren. Sommige ‘inborn errors’ zijn echter minder zeldzaam en een zeer klein aantal komt zelfs frequent tot zeer frequent voor in bepaalde regio’s of etnische groepen. In dergelijke gevallen bestaat het vermoeden dat de mutatie onder bepaalde omstandigheden een voordeel biedt aan het individu. Het zijn deze inborn errors die in de volgende hoofdstukken zullen worden besproken. De X-gebonden familiale glucose6-fosfaatdehydrogenasedeficiëntie (7 par. 6.10.5) is hier een voorbeeld van, want de dragers van één mutant allel zijn beschermd tegen malaria. Een overzicht van enkele belangrijke stofwisselingsziekten is te zien in .  tabel  2.2. De diagnose wordt bijna altijd gesteld bij jonge kinderen, soms als medische urgentie bij een pasgeborene. Naargelang de getroffen metabole weg, kan een aangepast dieet soms enig soelaas bieden. Maar helaas kon de arts vroeger na diagnose niet veel meer voor deze patiënten doen dan de symptomen verlichten. Twee werkwijzen hebben deze toestand echter verbeterd. Ten eerste kunnen sommige ontbrekende enzymen als recombinant DNA-product worden toegediend. Voorbeelden zijn de ziekte van Pompe (7 par. 6.9) en de ziekte van Gaucher (7 par. 8.1.2). Ten tweede is er vooruitgang in het onderzoek naar methoden om het defecte gen in de aangetaste cellen te vervangen door een nieuw (intact) gen. Deze werkwijze noemt men gentherapie (Koeberl et al., 2009). Ten slotte dient hier opgemerkt te worden dat voor sommige zeer frequente stoornissen van het metabolisme van de mens (obesitas, metabool syndroom, diabetes, jicht) een aanzienlijk aantal genen kleine bijdragen leveren tot het ontstaan van de ziekte, dit samen met omgevingsfactoren. Men noemt dit het mechanisme van een complexe ziekte. Deze pathogenese is verschillend van die van de Mendeliaans overerfbare (monogenetische) stofwisselingsziekten.

2

70

Hoofdstuk 2 • Wat is metabolisme?

. Tabel 2.2  Een overzicht van enkele stofwisselingsziekten. Ziekte(n)

2

Weefsel

Metabole pathologie

glycogenosen

lever, skeletspier

hypoglykemie

fructosemie

lever

door voeding uitgelokte hypoglykemie

galactosemie

lever

door voeding: hypoglykemie, geelzucht

G6PD-deficiëntie

erytrocyten

gevoelig voor oxidatieve stress, malariaresistentie

congenitale glycosylatieziekten

vele weefsels

slecht geglycosyleerde eiwitten

hyper-/hypolipoproteïnemieën

lever

abnormaal lipidenprofiel, atherosclerose

peroxisoomziekten

vele weefsels

tekort plasmalogenen, opstapeling VLCFA*

gangliosidosen

vele weefsels

lysosomale gangliosidenopstapeling

ureumcyclusdefecten

lever

hyperammoniëmie, coma

fenylketonurie

hersenen

exces fenylpyruvaat, mentale retardatie

alkaptonurie

gewrichten

zwart kleurende urine

albinisme

huid

afwezigheid melanine

porfyrieën

erytrocyten, darm

typisch rode urine

Lesh-Nyhan-syndroom

centraal zenuwstelsel

opstapeling AICAR, mentale achterstand

adenosinedeaminasedeficiëntie

lymfocieten

opstapeling adenosine; immuundeficiëntie

Koolhydraatmetabolisme

Lipidenmetabolisme

Aminozuurmetabolisme

Nucleotidenmetabolisme

* VLCFA = zeer-lange-ketenvetzuren

Toepassing Aangeboren stoornissen van de glycosylering Een bijzonder voorbeeld van dit concept is de groep van aangeboren stofwisselingsziekten van de glycosylering van membraanproteïnen en membraanlipiden (congenital disorders of glycosylation of CDG in de vakliteratuur). Glycosylering werd benadrukt als een belangrijk en veel voorkomend proces dat de polaire eigenschappen van lipiden en proteïnen in de buitenste laag van de celmembraan verhoogt (7 par. 1.2.4). De oligosacharideketens komen via suikertransferasen in het ER- en Golgi-apparaat op de gangliosiden en glycoproteïnen terecht. Jaak Jaeken, kinderarts verbonden aan de Universitaire Ziekenhuizen van de Katholieke Universiteit Leuven, ontdekte begin jaren negentig van de vorige eeuw de eerste vorm van deze ziekten als een multisysteemziekte met ernstige afwijkingen in het centraal zenuwstelsel (Jaeken et al., 1991). Het specifieke defect was gelegen in een suikertransferase dat in het

2.10 • Metabool onderzoek

71

endoplasmatische reticulum zorgt voor de N-glycosylering. Dit defect leidt tot stapeling van een verzameling niet-geglycosyleerde eiwitten (secretie-eiwitten, plasmamembraaneiwitten, lysosomale eiwitten), die daardoor een verminderde of veranderde functie hebben. Sindsdien is de groep van CDG-ziekten en de moleculaire genetica van de verantwoordelijke enzymdefecten sterk toegenomen, onder andere door baanbrekend onderzoek van Jaak Jaeken en Gert Matthijs (Jaeken & Matthijs, 2007).

2.10 Metabool onderzoek

We eindigen dit hoofdstuk, zoals we het zijn begonnen, namelijk met de onderzoeker die door middel van een experiment iets nieuws te weten wil komen over het metabolisme. Het experiment heeft als bedoeling een hypothese te testen. Als het experiment in zijn opzet slaagt, is de hypothese niet langer in staat om alle feiten te verklaren en moet een nieuwe hypothese worden bedacht (Notturno, 2009). Het experiment wordt zo opgezet, dat alle factoren die de meetresultaten kunnen beïnvloeden worden gecontroleerd behalve één, de experimentele variabele waarvan de invloed wordt bestudeerd. De metingen vertrekken van een gedetailleerd protocol, dat bij herhaling van het experiment telkens nauwkeurig gevolgd wordt. De resultaten worden in oorspronkelijke vorm genoteerd en zorgvuldig bijgehouden in een labjournaal en op het moment van verwerking onderworpen aan statistische analyse. De onderzoeker laat zijn of haar denken leiden door de feiten en heeft geen vooroordeel over het behaalde resultaat. Geheel onverwachte resultaten (serendipiteit) kunnen de aanleiding zijn tot vernieuwende hypothesen en doorbraken in het onderzoek (Pepys, 2007). Na interpretatie volgen nieuwe experimenten, tot een geheel is bereikt dat in voor anderen begrijpelijke taal wordt opgeschreven in een publicatie; dit met als enige doel dat anderen het gepubliceerde werk kunnen reproduceren, zodat verder gebouwd kan worden op de onderzoekslijn die is gestart. Deze wijze van onderzoek doen is toepasbaar op elk onderzoeksterrein en past in de wetenschapsfilosofie van Karl Popper. Eigen aan metabool onderzoek zijn de specifieke vragen die een hypothese in verband met mechanismen of elementen van het metabolisme wensen te testen. Hiervoor dienen technieken die het toelaten om specifieke enzymen of bepaalde metabolieten te meten of de flux van een bepaalde metabole weg te bepalen. Men maakt het onderscheid tussen in-vivo- en in-vitro-proeven. In het eerste geval wordt onderzoek gedaan op het intacte levende organisme; in het tweede geval probeert men het complexe fenomeen van de levende situatie te modelleren in een eenvoudig systeem: in een reageerbuis, kweekschaal enzovoort. Bij celvrije methoden zuivert men de enzymen of isoleert men de stof die men wenst te onderzoeken in een niet-levende omgeving. Het beroemde experiment van de gebroeders Buchner (7 par. 3.2) is hier een voorbeeld van. In vivo kan men voedingsexperimenten uitvoeren om het effect van een bepaald dieet op gezondheid en ziekte na te gaan. Zoals verderop beschreven zijn op deze wijze de eerste vitaminen ontdekt (7 par. 11.7.14). Via de respirometrie en calorimetrie meet men het zuurstofverbruik en de warmteproductie van een organisme, wat een maat is voor de basale metabole snelheid en het ATP-verbruik van dat organisme. Heel vaak zal men een bepaalde menselijke metabole ziekte (diabetes, obesitas) in proefdieronderzoek proberen te modelleren; bij muizen beschikt men over de technieken om gericht een gen te inactiveren (knock-out-model) of juist tot overexpressie te brengen (transgene muizen). In het ‘klassieke metabole onderzoek’ werd volgens de wetenschapsfilosofie van Popper een specifieke hypothese getest door gerichte meting van een enzym, metaboliet enzovoort.

2

72

2

Hoofdstuk 2 • Wat is metabolisme?

Tegenwoordig is er een ander soort onderzoek in opmars, waarbij de onderzoeker in ‘één klap’ de expressie van honderden enzymen tegelijk of de abundantie van tientallen metabolieten tegelijk in één staal meet. Metabolomics is een nieuwe onderzoeksdiscipline met eigen vaktijdschriften (Scalbert et al., 2009); hierbij worden – eventueel zonder specifieke hypothese – tientallen metabolieten tegelijkertijd gemeten in één staal. Nutrigenomics (Panagiotou & Nielsen, 2009) is een andere recente discipline die ervan uitgaat dat de meeste ziekten het resultaat zijn van een interactie tussen een bepaalde genetische predispositie en omgevingsfactoren (in dit geval de voeding). Deze wetenschap streeft naar het vinden van een geoptimaliseerde persoonlijke voeding voor personen met bepaalde genetische ziekteassociaties (Simopoulos, 2010). Hoewel een specifieke vraagstelling in dit soort onderzoek vaak ontbreekt, is het interessant dat de massa gegevens die dit onderzoek oplevert soms het opstellen van een vernieuwende hypothese toelaat die getest kan worden in meer gericht onderzoek. Een voorbeeld is metabolomics-achtig onderzoek rond type-2-diabetes door Chris Newgard en medewerkers (Bain et al., 2009), dat aanleiding was tot de studie van de rol van vertakte-ketenaminozuren in het zogeheten metabool syndroom (Newgard et al., 2009). Horizon Genetisch bepaalde metabotypen van het perifere bloed: ontmoeting van systeembiologie, klinische genetica en klinische biologie? Tot voor kort was de meting van de in het bloedplasma circulerende metabolieten in de klinisch biologische laboratoria een zaak van ‘één per één’, dus één bloedstaal per metaboliet. Door technologische innovatie, zoals miniaturisatie, chromatografische scheidingstechnieken, massaspectrometrie en NMR-spectroscopie, is het vandaag de dag mogelijk om – uitgaande van een beperkt volume van biologisch materiaal – vele metabolieten tegelijk te doseren. Deze nieuwe wetenschap van metabolomics heeft toekomst voor de geneeskunde en lijkt vooral snel vooruit te gaan in de meting van metabolieten in het circulerende bloedplasma en interpretatie van de resultaten. Tot enkele jaren geleden was het enkel mogelijk om te kijken naar een beperkt metabolietenpatroon (bijvoorbeeld de ratio tussen twee metabolieten) in het bloed, waarbij er bijvoorbeeld een correlatie werd gemaakt met in het genoom gecodeerde polymorfismen in genen die coderen voor enzymen of metaboliettransporters (Illig et al., 2010). Maar inmiddels is het wetenschappelijk onderzoek op een punt gekomen om het effect van variaties binnen het menselijk genoom globaal te bekijken voor een groot aantal metabolieten. De recente studie van Shin et al. (2014) is een goed voorbeeld. Dit omvangrijke werk combineerde een uitgebreide metaboloombepaling (meer dan 500 metabolieten) met een genoomoverspannende analyse van meer dan 1 miljoen variaties tussen mensen (zogeheten SNP’s) bij meer dan 7500 gezonde personen. Meer dan de helft van alle metabolieten kon met behulp van de huidige kennis in het metabolisme worden ingedeeld in acht grote groepen, die 63 metabole paden vertegenwoordigen. Deze acht groepen zijn gerelateerd aan het metabolisme van aminozuren, koolhydraten, vitaminen, energie, lipiden, nucleotiden, peptiden en xenobiotica. De variatie in plasmaconcentraties werd vervolgens gecorreleerd met 145 genetische loci die ergens op de 23 chromosomenparen liggen en verbonden zijn aan genen die coderen voor metabool relevante eiwitten (Shin et al., 2014). Meestal zijn dit enzymen of transporteiwitten die metabolieten binnen het lichaam verplaatsen. In de volgende stap werden genen en metabolieten in een netwerk met elkaar verbonden, waarbij de graad van connectiviteit een idee geeft van de mate van onderlinge samenhang. Het gaat om hubs, net zoals de knoopunten in een schema van de metrolijnen van een stad. In

2.11 • Metabolisme op het internet

73

een laatste grote analyse geeft deze studie (Shin et al., 2014) een schatting van de genetische invloed en de invloed van omgevingsfactoren op de variatie van metabolietenconcentraties tussen mensen onderling. Het werk van Shin en collega’s lijkt deuren te openen naar een nieuw soort geneeskunde. Een systeembiologische verklaring voor een metabool fenotype (synoniem: metabotype) door het samengaan van erfelijkheid en omgevingsfactoren begint vorm aan te nemen (Dumas, 2012). In deze systeembiologische benadering komen verschillende disciplines bijeen, zoals klinische biologie en klinische genetica. Het wordt hierdoor eenvoudiger om zich een toekomstbeeld in te beelden. Een huisarts kan met paar druppels bloed van een pasgeboren baby het complexe metaboloom laten bepalen in het plasma en de erfelijk meegekregen genetische constitutie in de witte bloedcellen. Het antwoord enkele dagen later is dat er bij de start van een nieuw individu aandachtspunten zijn voor de meest aan te bevelen en meest te vermijden levensstijl (voeding bijvoorbeeld), die past bij de genetische constitutie. Wellicht zal dit beeld nog veranderen door nieuwe ontdekkingen en nieuwe technologische mogelijkheden. We zullen in 7 par. 8.5.2 en 7 par. 9.3.1 kort stilstaan bij de neonatale screening voor enkele zeldzame stofwisselingsziekten, die inmiddels uitgevoerd wordt bij pasgeborenen.

2.11 Metabolisme op het internet

Met de explosieve expansie van onze kennis over de biologie en pathologie van het metabolisme en de beperkte studietijd voor dit onderwerp wordt het steeds belangrijker om op een efficiënte manier relevante informatie op publiekelijk toegankelijke en betrouwbare websites van goede kwaliteit te kunnen vinden, dit via het internet. Je moet echter wel weten wat je zoekt: Google geeft bij het zoekwoord ‘metabolism’ ruim 35 miljoen hits: niet echt een aanrader voor een beginnende toerist in internetland. Verfijning in de zoekstrategie en wat ervaring in het vakgebied kunnen de keuze aanmerkelijk beperken. Hier volgt een kleine selectie: zz PubMed (een initiatief van de U.S. National Library of Medicine) 7 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/

Dit is de toegang tot de internationale biomedische wetenschappelijke literatuur (tijdschriftenartikelen). Eerder in dit hoofdstuk werd al gemeld dat 25% van de nu bijna 25 miljoen artikelen in PubMed het woord ‘metabolism’ minstens eenmaal in het abstract vermeldt. Er is dus veel literatuur over dit onderwerp en de kunst bestaat erin om op efficiënte wijze de relevante artikelen te vinden die een antwoord (kunnen) geven op de zo specifiek mogelijk gestelde vraag. zz ‘Gene’ in NCBI (National Center for Biotechnology Information) 7 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene

PubMed valt, samen met een twintigtal andere gegevensbanken, onder de noemer van de in de Verenigde Staten opgerichte National Center for Biotechnology Information (NCBI). Een van die twintig is ‘Gene’ en je kunt die vanuit PubMed kiezen door het menuhokje links van de balk waarin je zoektermen typt, te openen. Wanneer je ‘homo’ of ‘homo sapiens’ in Gene intikt, krijg je alle mogelijke genen van het humaan genoom, sommige onder meerdere noemers. Kies

2

74

2

Hoofdstuk 2 • Wat is metabolisme?

je ‘mus’ in plaats van ‘homo’, dan krijg je een muizengen. Typen we naast homo één gen dat ons interesseert, bijvoorbeeld MTHFR, dan krijgen we één of meerdere mogelijkheden om te kiezen, die we kunnen aanklikken. Als je op MTHFR klikt, kom je op een pagina met zeer veel nuttige informatie. ‘Official Full Name’ geeft de volledige naam voor het gen en het bijbehorende eiwit. In ‘Summary’ wordt uitgelegd wat de functie van de genproducten is (in dit geval een enzym van het foliumzuurmetabolisme). Er staat in dit voorbeeld ook informatie over het verband tussen het gen en bij de mens voorkomende ziekten. Onder de structuurgevens van het gen (een figuur) staan artikelen in PubMed die door de staf van NCBI werden geselecteerd in verband met dit gen. Rechts zie je een menubalk van mogelijkheden om vanuit dit gen andere informatie te zoeken (mRNA-sequentie, eiwitsequentie, OMIM, PubMed). Dit boek meldt voor een groot aantal besproken metabool relevante eiwitten (meestal de enzymen) de officiële Gene-naam, meestal drie tot vijf hoofdletters die worden gevolgd door een nummer als er paralogen zijn. Dit maakt het mogelijk om snel de belangrijke informatie (summary) en eventuele literatuur in PubMed te vinden. zz OMIM (Online Mendelian Inheritance in Man) 7 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/omim

Omim biedt een inventaris van genetisch veroorzaakte ziekten, dus gedetailleerde informatie over aangeboren stofwisselingsziekten (‘inborn errors of metabolism’). Een overzichtelijke Nederlandstalige website voor stofwisselingsziekten is tot stand gekomen via VKS, de patiëntenorganisatie in Nederland voor mensen met alle soorten erfelijke stofwisselingsziekten (7 http://www.stofwisselingsziekten.nl/). Onder ‘Ziekte-informatie’ staat een lijst van ongeveer 200 aangeboren ziekten. zz KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes) 7 http://www.genome.jp/kegg/

Dit is een databank voor het exploreren van metabole paden, enzymen en metabolieten. zz UCSC (genome browser van de University of California, Santa Clara) 7 http://genome.ucsc.edu/

Een browser is een ruimte waarin je elektronisch kunt bladeren of grasduinen. Leuk om in te vertoeven en naar eigen interesse nieuwe fenomenen te ontdekken. De browser van de University of California, Santa Clara is gebruiksvriendelijk en krachtig: deze website bevat informatie over meer dan 100 dierlijke genomen, waaronder die van de mens, en is ook verbonden met alle hiervoor genoemde websites. In de menubalk bovenaan kunt u klikken op ‘Genomes’, waarna een nieuwe pagina verschijnt met het genoom van de mens (u kunt ook met de linker en hiernaast gelegen menuknoppen het genoom van andere zoogdieren of (in)vertebraten kiezen). Vervolgens geeft de knop ‘assembly’ de versie van de genoominformatie; automatisch staat de meest recente versie aan. Rechts zit de ruimte waarin u de zoekterm kunt intypen. Doen we dit voor MTHFR en klikken we op ‘submit’, dan verschijnt een nieuwe pagina met het MTHFR-gen. De bovenste knoppenrij is om te navigeren in het landschap (naar links/rechts, uitzoomen/inzoomen), daaronder de positie in het menselijk genoom (Chromosoom 1 in dit geval). Dan ziet u informatie over de gecodeerde mRNA’s en de conservering van de gecodeerde sequentie onder de vertrebraten.

Literatuur

75

Tientallen knoppen onderaan de pagina bieden de mogelijkheid om andere informatie te verbinden aan het standaardmenu binnen de browser, bijvoorbeeld in verband met genregulatie (ENCODE-knoppen), genvariatie bij de mens (SNP’s) of repetitief DNA (repeats). zz Wetenschappelijke tijdschriften

Er bestaan uitstekende wetenschappelijke tijdschriften in het domein van metabool onderzoek. Sommige stellen hun artikelen alleen tegen betaling ter beschikking van het internetpubliek, zoals Cell Metabolism (7 http://www.cell.com/cell-metabolism/home). Andere goede tijdschriften zijn echter gratis. Voorbeelden zijn The Journal of Biological Chemistry (7 http://www.jbc. org/), Proceedings of the National Academy of Sciences (USA) (7 http://www.pnas.org/), of de tijdschriften van de Public Library of Science, zoals PLoS ONE (7  http://www.plosone.org/ home.action). Op het eerder vermelde PubMed verschijnen icoontjes bij referenties naar tijdschriften die goed via het internet toegankelijk zijn. Literatuur Bain, J.R., Stevens, R.D., Wenner, B.R., Ilkayeva, O., Muoio, D.M. & Newgard, C.B. (2009). Metabolomics applied to diabetes research moving from information to knowledge. Diabetes 58, 2429–2443. Bommer, G.T. & MacDougald, O.A. (2011) Regulation of lipid homeostasis by the bifunctional SREBF2-miR33a locus. Cell Metab. 13,241–247. Bordone, L. & Guarente, L. (2005). Calory restriction, SIRT1 & metabolism: understanding longevity. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 6, 298–305. Cech, T.R. (2002). Ribozymes, the first 20 years. Biochem. Soc. Trans. 30, 1162–1166. Drucker, D.J. (2005). Biologic actions & therapeutic potential of the proglucagon-derived peptides. Nat. Clin. Pract. Endocrinol. Metab. 1, 22–31. Dumas, M.E. (2012). Metabolome 2.0: quantitative genetics and network biology of metabolic phenotypes. Mol Biosyst. 8:2494–2502. Glansdorff, N., Xu, Y. & Labedan, B. (2009). The origin of life & the last universal common ancestor: do we need a change of perspective? Res. Microbiol. 160, 522–528. Glazier, D.S. (2009). Ontogenetic body-mass scaling of resting metabolic rate covaries with species-specific metabolic level & body size in spiders & snakes. Comp. Biochem. Physiol. A Mol. Integr. Physiol. 153, 403–407. Goff, S.A. et al. (2002). A draft sequence of the rice genome (Oryza sativa L. ssp. japonica). Science. 296, 92–100. Goke, R., Fehmann, H.C., Linn, T., Schmidt, H., Krause, M., Eng, J. et al. (1993). Exendin-4 is a high potency agonist & truncated exendin-(9-39)-amide an antagonist at the glucagon-like peptide 1-(7–36)-amide receptor of insulin-secreting beta-cells. J. Biol. Chem. 268, 19650–19655. Helmstetter, C., Reix, N., T’Flachebba, M., Pope, R.K., Secor, S.M., Le, M.Y. et al. (2009). Functional changes with feeding in the gastro-intestinal epithelia of the Burmese python (Python molurus). Zoolog. Sci. 26, 632–638. Illig, T. et al. (2010). A genome-wide perspective of genetic variation in human metabolism. Nat. Genet. 42, 137–142. Jaeken, J. & Matthijs, G. (2007). Congenital disorders of glycosylation: A rapidly expanding disease family. An. Rev. Genom. Human Genet. 8, 261–278. Jaeken, J., Stibler, H., & Hagberg, B. (1991). The carbohydrate-deficiënt glycoprotein syndrome. A new inherited multisystemic disease with severe nervous system involvement. Acta Paediatr. Scand. Suppl. 375, 1–71. Kitatani, K., Idkowiak-Baldys, J. & Hannun, Y.A. (2008). The sphingolipid salvage pathway in ceramide metabolism & signaling. Cellular Signalling 20, 1010–1018. Koeberl, D.D., Pinto, C., Brown, T. & Chen, Y.T. (2009). Gene therapy for inherited metabolic disorders in companion animals. Ilar Journal 50, 122–127. Lander, E.S. et al. (2001). Initial sequencing & analysis of the human genome. Nature. 409, 860–921. Levy, P.A. (2009). Inborn errors of metabolism: part 1: overview. Pediatr. Rev. 30, 131–137. Lomax, J. (2005). Get ready to GO! A biologist’s guide to the Gene Ontology. Brief. Bioinform. 6, 298–304. Lynn, F.C. (2009). Meta-regulation: microRNA regulation of glucose & lipid metabolism. Trends Endocrin. Metab. 20, 452–459.

2

76

2

Hoofdstuk 2 • Wat is metabolisme?

Munoz, M., Villar, I. & Garcia-Erce, J.A. (2009). An update on iron physiology. World J. Gastroenterol. 15, 4617–4626. Newgard, C.B., An, J., Bain, J.R., Muehlbauer, M.J., Stevens, R.D., Lien, L.F. et al. (2009). A branched-chain amino acid-related metabolic signature that differentiates obese & lean humans & contributes to insulin resistance. Cell Metab. 9, 311–326. Notturno, M.A. (2009). Sir Karl Popper (1902-1994): In memoriam, 15 years later. Med. Hypoth. 73, 871–874. Orgel, L.E. (2004). Prebiotic chemistry & the origin of the RNA world. Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol. 39, 99–123. Panagiotou, G. & Nielsen, J. (2009). Nutritional systems biology: definitions & approaches. Annu. Rev. Nutr. 29, 329–339. Pepys, M.B. (2007). Science & serendipity. Clin. Med. 7, 562–578. Piper, M.D. & Bartke, A. (2008). Diet & aging. Cell Metab. 8, 99–104. Reeves, G.A., Talavera, D. & Thornton, J.M. (2009). Genome & proteome annotation: organization, interpretation & integration. J. R. Soc. Interface. 6, 129–147. Scalbert, A., Brennan, L., Fiehn, O., Hankemeier, T., Kristal, B.S., van Ommen, .B., Pujos-Guillot, E. et al. (2009). Mass-spectrometry-based metabolomics: limitations & recommendations for future progress with particular focus on nutrition research. Metabolomics. 5, 435–458. Secor, S.M. & Diamond, J. (1998). A vertebrate model of extreme physiological regulation. Nature. 395, 659–662. Shin, S.Y. et al. (2014). An atlas of genetic influences on human blood metabolites. Nat Genet. 46,543–550. Simopoulos, A.P. (2010). Nutrigenetics/Nutrigenomics. Annu. Rev. Public Health. 31, 53–68. Speakman, J.R. (2005). Body size, energy metabolism & lifespan. J. Exp. Biol. 208, 1717–1730. White, C.R. & Seymour, R.S. (2005). Allometric scaling of mammalian metabolism. J. Exp. Biol. 208, 1611–1619. Wood, V. et al. (2002). The genome sequence of Schizosaccharomyces pombe. Nature. 415, 871–880.

77

Glycolyse Samenvatting Hoofdstuk 3 bespreekt de glycolyse, de splitsing van glucose in twee moleculen pyruvaat. Deze weg wordt voorafgegaan door opname van glucose via glucosetransporters: eiwitkanaaltjes in de celmembraan. De glycolyse verloopt in tien, door specifieke enzymen gekatalyseerde, reacties die in drie fasen kunnen worden onderverdeeld. Tijdens de eerste fase worden twee ATP geïnvesteerd en ontstaat uit glucose het fructose-1,6-bisfosfaat. In de tweede fase wordt fructose-1,6-bisfosfaat omgezet in twee glyceraldehyde-3-fosfaat, die in de derde fase worden gemetaboliseerd tot twee moleculen pyruvaat (netto winst 2ATP). Pyruvaat kan in de mitochondria verder worden geoxideerd tot CO2, maar bij gebrek aan zuurstof wordt pyruvaat gereduceerd tot lactaat (anaerobe glycolyse). Een afgeleide van de glycolyse, het 2,3-bisfosfoglyceraat, regelt de zuurstofafgifte door rode bloedcellen aan de weefsels. De glycolyse is niet alleen katabool, maar sluit ook aan op anabole paden, zoals de pentosefosfaatweg en de vetzuursynthese. Regeling van de glycolytische flux gebeurt via fructose-2,6-bisfosfaat, dat fosfofructokinase-1 activeert.

3.1 Inleiding – 78 3.2 Een oude heirbaan afgelijnd met wetenschappelijke mijlpalen – 78 3.3 Overzicht van de glycolyse – 81 3.3.1 Glucoseopname in de cel – 82 3.3.2 Het chemisch mechanisme van de glycolyse – 85 3.3.3 De verdere metabole bestemming van pyruvaat – 92

3.4 Regeling van de glycolyse – 97 3.4.1 Regeling van bestaande enzymen – 97 3.4.2 Regeling door aanmaak van nieuwe enzymen – 99

3.5 Metabolisme van fructose en galactose – 101 3.5.1 Gevolgen van toegenomen sucrosegebruik – 102 3.5.2 Lactose is de voedingssuiker van zoogdierenmelk – 103

Literatuur – 105 F. C. Schuit, Leerboek metabolisme, DOI 10.1007/978-90-368-0620-6_3, © 2015 Bohn Stafleu van Loghum, onderdeel van Springer Media BV

3

78

Hoofdstuk 3 • Glycolyse

3.1 Inleiding

3

Praktisch alle cellen op onze planeet gebruiken de glycolyse als centraal gelegen hoofdweg die vitaal is in het netwerk van elkaar kruisende metabole paden. Deze weg is zeer oud in de evolutie van het leven en belangrijk voor het maken van ATP. De glycolyse vertrekt van glucose en resulteert in de ‘splitsing’ van deze suiker in twee moleculen pyruvaat. In gistcellen leidt de glycolyse tot de alcoholische fermentatie. Hierbij wordt het pyruvaat omgezet tot ethanol (alcohol van bier en wijn) en CO2. Bij de mens kan een andere gisting optreden: de melkzuurgisting. Hierbij wordt het door de glycolyse gevormde pyruvaat gereduceerd tot lactaat (melkzuur). Beide fermentaties kunnen gebeuren zonder zuurstof (we noemen dit proces daarom anaerobe glycolyse) en zonder tussenkomst van mitochondria. De ATP die zo ontstaat, wordt geleverd via het proces van fosforylering op substraatniveau. Met voldoende zuurstof kan het gevormde pyruvaat door mitochondria worden opgenomen en verder geoxideerd tot CO2. Dit proces van aerobe glycolyse wordt gevolgd door mitochondriaal pyruvaatmetabolisme (7 H. 4) en levert de cel per glucosemolecuul 15 maal meer ATP op dan de anaerobe glycolyse. De glycolyse kan ook dienen om bouwstenen voor de cel te leveren. Voorbeelden zijn glucose-6-fosfaat (naar ribose5-fosfaat, 7  H. 6, en nucleotiden, 7  H. 10); dihydroxyacetonfosfaat (naar glycerol-3-fosfaat en triglyceriden, 7 H. 7); pyruvaat (naar niet-essentiële aminozuren, 7 H. 9, of via acetyl-CoA naar vetzuren, 7 H. 7). De metabole flux door de glycolyse moet exact worden afgestemd op de metabole behoefte van de cel. Vandaar dat aandacht zal worden besteed aan plaatsen van metabole fluxcontrole en de gebruikte moleculaire mechanismen. Leerdoelen 55 inzicht in de structuur van de glycolyse als metabole weg; 55 het mechanisme begrijpen van substraatniveau fosforylering en de stappen die hiertoe voorbereiden; 55 de regeling van de fluxcontrole van de glycolyse begrijpen.

Studeeraanwijzing Kennis en inzicht (Haworth-projectie, Fischer-projectie) van de structuur van de suikers (7 par. 1.2.1) en inzicht in de regeling van enzymen is noodzakelijk. Anderzijds dient dit hoofdstuk als schakel in de verdere opbouw van ‘Metabolisme’. De tijdsbesteding aan de kernleerstof van dit hoofdstuk wordt geschat op 10 uur.

3.2 Een oude heirbaan afgelijnd met wetenschappelijke mijlpalen

Bijna alle boeken die metabole paden bespreken, beginnen met de ‘glycolyse’ en dat lijkt een verantwoorde keuze. Enerzijds loopt de glycolyse als een slagader door het schema van de metabole paden in bijna al wat leeft op aarde. Andere katabole en anabole wegen zullen op deze hoofdweg aansluiten en ‘gevoed’ worden met metabolieten van de glycolyse. De enzymen die voor deze weg zorgen, zijn overvloedig aanwezig in cellen en de metabole flux van de glycolyse is aanzienlijk en tegelijk sterk regelbaar. De glycolyse is heel vroeg in de evolutie van het leven ontstaan. We hebben in het vorige hoofdstuk kennisgemaakt met ATP, het universele betaalmiddel van energie voor alle energievragende processen. Oxidatieve fosforylering blijkt 90% van de ATP-behoefte te dekken (7 par. 2.7.1). Wat echter niet besproken werd, is dat deze weg pas tot

3.2 • Een oude heirbaan afgelijnd met wetenschappelijke mijlpalen

79

. Figuur 3.1  De glycolyse. Links de pionier van het moleculair onderzoek naar het mechanisme van de glycolyse, Eduard Buchner. Rechts: de verschillende manieren waarop de glycolyse in cellen kan worden gebruikt.

stand kwam nadat dizuurstofgas zich in de atmosfeer en de oceanen begon te concentreren, dankzij de evolutie van fotosynthetische bacteriën (tussen 2 en 3 miljard jaar geleden). Vóór die tijd was fosforylering op substraatniveau de enige weg van ATP-synthese; de glycolyse maakt ATP volgens dit principe. Een derde reden om de glycolyse vooraan te plaatsen onder alle metabole paden, is de geschiedenis van de wetenschap. Het ontdekkingsproces op zich is boeiend omdat de studie van de glycolyse het decor is geweest van een veranderende wereld, waarin de levenswetenschappen (‘life sciences’) geboren werden. Men moet beseffen dat amper 150 jaar geleden wetenschappers vooral rekening hielden met de invloedrijke en zeer oude theorie van het vitalisme, waarvan de wortels teruggaan tot in het oude Egypte, maar die als theorie werd bedacht door Aristoteles (384-322 voor Christus). De opkomst van de scheikunde en fysica maakte dat wetenschappers rond 1600 het verschil maakten tussen het organische en anorganische, waarbij anorganische materie bijvoorbeeld gesmolten kon worden en de organische stoffen niet. Het overheersende idee was dat alles wat leeft onderhevig was aan mysterieuze invloeden die niet antwoordden aan de wetten van de scheikunde en de fysica. Ook de grote Zweedse chemicus Jöns Jacob Berzelius (1779-1848), een van de grondleggers van de stoichiometrie en de geestelijke vader van begrippen als katalyse en polymeren, dacht dat het levende niet onderworpen was aan chemische wetten. De fermentatie die optreedt wanneer de glycolyse gevolgd wordt door de productie van ethanol (. figuur 3.1), werd voor het eerst bestudeerd door Louis Pasteur, die concludeerde dat levende micro-organismen verantwoordelijk waren voor het gistingsproces in wijn en bier. De gebroeders Buchner gingen verder en bewezen dat dit gistingsproces (het werk van levende cellen) perfect kon worden nagebootst in de ‘dode wereld’ van een glazen kolf waarin celvrij extract van gistcellen zat. Door deze pioniers werd het vitalisme als wetenschappelijke theorie achterhaald. Dankzij talrijke experimenten weten we inmiddels dat zowel de organische als de anorganische materie inderdaad beantwoordt aan dezelfde universele natuurwetten. Maar er zijn nog rudimenten van de ‘opdeling’ die er geen bleek te zijn: nog steeds wordt in het onderwijs scheikunde in een organisch en een anorganisch deel onderverdeeld, terwijl dezelfde wetten

3

80

3

Hoofdstuk 3 • Glycolyse

van toepassing zijn. Degene die denkt dat complexe reacties in een menselijk lichaam het exclusieve domein zijn van de organische scheikunde, moet maar eens stilstaan bij de talrijke verbindingen tussen metaalionen en koolwaterstofverbindingen in menselijke biomoleculen. We zullen in 7  par. 5.5 ook kennismaken met nanokristallen van ijzerionen en zwavelatomen (anorganische redoxchemie), die rechtstreeks samenwerken met redoxeiwittten en hun heemgroepen (organische verbindingen). Pioniers Eduard Buchner en glycolyse in een celvrij systeem De grootste conceptuele mijlpaal in het denken over het proces van glycolyse was het resultaat van onderzoek van de Duitse chemicus Eduard Buchner (1860-1917). In 1897 wilde hij met zijn broer Hans Buchner (1850-1902) gistextract gaan gebruiken voor farmaceutische doeleinden. Dit extract werd met een speciaal hiervoor ontworpen hydraulische pers met uiterst fijnmazige filters geperst uit gemalen gistcellen; belangrijk was het besef dat in dit preparaat geen levende cel meer zat: het was dode materie geworden. Ze wilden het preparaat ontsmetten voor medisch-farmaceutisch gebruik en zochten naar een alternatief voor het giftige fenol (een toen veelgebruikt ontsmettingsmiddel). Als alternatief probeerden ze sucrose, een oud middel dat we allen kennen van confituur. Tot hun grote verbazing vonden zij dat de toegevoegde sucrose door het extract gefermenteerd werd tot koolzuurgas en ethanol. Er waren dus geen levende cellen nodig voor de fermentatie en daarmee werd het vitalisme als wetenschappelijke theorie voorgoed begraven. Het ging hier om het eerste in vitro (‘in glas’) experiment; dit in tegenstelling tot alle vroegere levensprocessen die in vivo (d.w.z. in intacte organismen) waren bestudeerd. Eduard Buchner stelde dat een wateroplosbaar ferment, een zymase, verantwoordelijk was voor de gisting en kreeg voor zijn bijzonder belangrijke ontdekking in 1907 de Nobelprijs voor Chemie. Zijn lezing ‘Cell-Free Fermentation’ (te vinden als pfd-file op: 7 http://nobelprize. org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1907/buchner-lecture.html) geeft een bijzonder boeiend beeld van de jonge discipline van de biowetenschappen iets meer dan één eeuw geleden. Bijna alles wat verder in dit boek zal worden verteld is de afgelopen honderd jaar ontdekt. De verdere exploratie van de glycolyse werd de volgende decennia van de twintigste eeuw gemarkeerd door nieuwe mijlpalen. Het onderzoek van Arthur Harden (1865-1940) en Hans von Euler-Chelpin (1873-1964) borduurde voort op het zymaseconcept en leverde belangrijke vondsten op (Nobelprijs voor Chemie 1929). Harden toonde samen met William John Young (1878-1942) in het Lister Institute in Londen aan dat er voor de gisting van glucose anorganisch fosfaat nodig is (zie hier weer het samensmelten van de organische en anorganische scheikunde). Harden isoleerde als verklaring van dit fenomeen uit het gistextract een suikerfosfaatverbinding; het bleek later te gaan om het fructose-1,6-bisfosfaat. Ten tweede bewezen Harden en Young dat het gistextract uit twee grote componenten bestaat: 1. een dialyseerbare, hitteresistente component die cozymase werd genoemd; men weet nu dat deze component de cofactoren (metaalionen, NAD+, ATP, ADP, Pi) en metabolieten bevat; 2. een niet-dialyseerbare, hittelabiele component die zymase werd genoemd; deze bleek de macromoleculen (enzymen) te bevatten die verantwoordelijk zijn voor de katalyse van de stappen van de glycolyse.

3.3 • Overzicht van de glycolyse

81

De verdere systematische studie van de moleculaire componenten van het zymase en het cozymase was het toonaangevende biochemische onderzoek van de eerste decennia van de twintigste eeuw. De relatie tussen de melkzuurgisting en het verbruik van zuurstof door spieren werd ontdekt door nog een andere Duitse onderzoeker: Otto Fritz Meyerhof (18841951; Nobelprijs voor Geneeskunde/Fysiologie1922). Meyerhof was opgeleid als arts en had zijn proefschrift geschreven over geestesziekten. Hij kwam echter in contact met Otto Warburg (1883-1970), die werkte in het befaamde Kaiser-Wilhelm-Institut voor Biologie in Berlijn (nu Max-Planck-Institut); Warburg is een van de grondleggers van de biochemie en door hem begon Meyerhof de oxidatie van brandstoffen in levende cellen te bestuderen. Andere belangrijke ontdekkingen van de glycolyse werden gedaan door Carl Cori (1896-1984) en Gustav Embden (1874-1933). Rond 1940 waren de metabolieten en enzymen van de omzetting van glucose in ethanol bekend; vanwege hun specifieke bijdrage aan de opheldering van dit mechanisme wordt de glycolyse ook wel de Emden-Meyerhof-weg genoemd.

3.3 Overzicht van de glycolyse

De glycolyse is een enzymatische reactieketen, die zich in zijn geheel afspeelt in het cytoplasma (cytosol) van de cel. Tijdens dit proces wordt D-glucose dat zich in de cytoplasmaruimte bevindt, gesplitst in twee pyruvaatmoleculen. Zoals in hiervoor werd uitgelegd (7  par. 3.2), is er voor dit proces geen zuurstof nodig. Er komt tijdens een deel van deze reacties voldoende energie vrij om ‘nuttig’ te besteden in de vorm van ATP-synthese, dit via de zogenoemde fosforylering op substraatniveau. Deze vorm van ATP-synthese heeft een laag rendement (2 moleculen per molecuul glucose), maar was lang de enige manier om nuttige energie uit glucoseverbranding te halen. Met het ontstaan van de fotosynthese en het verschijnen van veel dizuurstof in de atmosfeer zijn er aerobe organismen op het toneel verschenen die de glycolyse als voorportaal gebruiken voor de citroenzuurcyclus en oxidatieve fosforylering. In dit proces wordt dizuurstof gereduceerd tot water. Zo ontstond uit de oude glycolyse een metabool systeem met hoog rendement van ATP-synthese (30 moleculen ATP per molecuul glucose). De tien enzymatische reacties kunnen in drie stadia onderverdeeld worden (. figuur 3.2): 1.  Van glucose naar fructose-1,6-bisfosfaat, waarbij er een investering van twee ATP-moleculen per molecuul glucose optreedt om de metabolieten die volgen te activeren. Dit gedeelte van de glycolyse staat het sterkst onder regulatoire controle. De reacties vinden plaats op het niveau van hexosefosfaten. Het is bijzonder dat hier een investering nodig is. Dit gedeelte kan pas zijn ontstaan op het moment dat het derde deel al ATP produceerde. 2.  Van fructose-1,6-bisfosfaat tot glyceraldehyde-3-fosfaat, waarbij het hexosebisfosfaat gesplitst wordt in twee triosefosfaten (dihydroxyacetonfosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat) die in elkaar om te zetten zijn. 3.  Van glyceraldehyde-3-fosfaat naar pyruvaat. In deze fase wordt eerst de energie-investering van de vorige fase teruggewonnen en wordt in de laatste stap een netto winst van twee moleculen ATP per molecuul glucose geboekt. Deze laatste stap leidt tot de vorming van pyruvaat, het eindproduct van de glycolyse. De ATP-productie treedt op door de transfer van een energierijk fosfaat van de metaboliet naar ADP. De eerste transfer wordt ‘voorbereid’ door een oxidatiestap waarbij een elektronenpaar van het triosefosfaat wordt overgedragen op NAD+; het pad naar de tweede transfer verloopt via verplaatsing van de enige overgebleven fosfaatgroep en het onttrekken van een watermolecuul.

3

82

Hoofdstuk 3 • Glycolyse

3

. Figuur 3.2  De glycolyse bestaat uit drie stadia (opdeling horizontaal – verticaal – horizontaal), tien enzymatische reacties (blauwe nummers) en elf metabolieten waarvan naam en structuur zijn getoond. De eerste fase begint met de investering van twee moleculen ATP per molecuul glucose (rood); de derde en evolutionair oudste fase levert per molecuul glucose twee moleculen NADH en vier moleculen ATP op, dus de nettowinst is twee moleculen ATP per molecuul glucose. Het lot van NADH is verschillend in de fermentatie ten opzichte van de aerobe glycolyse. Stoichiometrisch verloopt alles vanaf glyceraldehyde-3-fosfaat maal twee ten opzichte van glucose. Verklaring van de enzymen: 1 = hexokinase, 2 = glucosefosfaatisomerase, 3 = fosfofructokinase-1, 4 = aldolase, 5 = triosefosfaatisomerase, 6 = glyceraldehyde-3-fosfaatdehydrogenase, 7 = fosfoglyceraatkinase, 8 = fosfoglyceraatmutase, 9 = enolase, 10 = pyruvaatkinase. De rode bollen met P stellen een fosfaatester voor.

3.3.1 Glucoseopname in de cel

De glycolyse en alle andere metabole wegen die vertrekken van D-glucose, kunnen alleen plaatsvinden als het substraat is opgenomen door de cel. Dit proces vereist aanwezigheid van transmembraaneiwitten in de plasmamembraan die het polaire glucose door de lipidendubbellaag kunnen laten passeren. . Tabel 3.1 zet de voor de mens belangrijke glucosetransporterende eiwitten op een rij. Deze kunnen in twee groepen worden opgesplitst. De eerste groep van paraloge eiwitten laat passieve diffusie toe, dus een nettoverhuizing van glucosemoleculen van de ene kant van de membraan (hoge concentratie) naar de andere (lage concentratie; . figuur 3.3). De eiwitten die dit type werk doen, heten faciliterende glucosetransporters en worden gecodeerd door leden van een uitgebreide paraloge genenfamilie (14 genen ons genoom) met taakverdeling tussen de familieleden. GLUT1   is aanwezig in vele weefsels, zodat men aanneemt dat een dergelijke isovorm instaat

voor het basale glucoseverbruik van de meeste lichaamscellen.Als de glycolyse (en hierop aansluitende wegen) glucose verbruiken, daalt immers de vrije glucoseconcentratie in het ­cytoplasma. Omdat de bloedglucoseconcentratie constant wordt gehouden, ontstaat de drijfveer voor verdere glucoseopname. GLUT3 is actief in neuronen in de hersenen, maar ook in prolifererende cellen.

83

3.3 • Overzicht van de glycolyse

. Tabel 3.1  Zes menselijke glucosetransporteiwitten. Naam (gennaam)

Weefsel/orgaan

Functie

GLUT1 (SLC2A1)

de meeste weefsels

passief; basale flux van glucosetransport

GLUT2 (SLC2A2)

lever

passief; bufferen glykemie (tijdens/tussen maaltijden)

darmmucosa, niertubuli

passief; glucoseresorptie aan basale pool

GLUT3 (SLC2A3)

prolifererende cellen, neuronen

passief; basale flux van glucosetransport

GLUT4 (SLC2A4)

skeletspieren, vetweefsel

passief insulineafhankelijk glucosetransport

SGLT1 (SLC5A1)

dunne darmmucosa

actief (apicale pool); natrium-/glucoseresorptie uit darmlumen

SGLT2 (SLC5A2)

epitheel niertubuli

actief (apicale pool); natrium-/glucoseresorptie uit lumen

. Figuur 3.3  Glucosetransporters (links) faciliteren de diffusie van glucose door de apolaire barrière van een lipidenmembraan. Per definitie verloopt de nettoflux van de bewegende glucose van de hoogste concentratie naar de laagste. Cellen die door de glycolyse glucose verbruiken, kunnen daarom (bij constante en voldoende hoge extracellulaire glucoseconcentratie) glucose opnemen. In de tekening links is het met water gevuld eiwitkanaaltje van een GLUT doorgesneden. Merkwaardig is dat alleen D-glucose (niet L-glucose) in dit kanaaltje past. Midden: de Na+-glucosecotransporters (SGLT1 en SGLT2). Dit eiwit ‘pompt’ glucose tegen een concentratiegradiënt de cel in, doordat natrium tegelijkertijd van een hoge naar een lage concentratie beweegt; dit door de werking van natrium-kaliumpompen (rechts).

GLUT2  De werking van GLUT2 is van belang voor gespecialiseerde cellen van het organisme. Zoals we verderop zullen zien (7 H. 6 en 12), heeft de lever als belangrijke taak om de glykemie

(de glucoseconcentratie in het circulerende bloed) zo constant mogelijk te houden. GLUT2 in de lever draagt hiertoe bij door, naargelang de omstandigheden, glucose te laten diffunderen vanuit de lever naar het portaal bloed, of omgekeerd (7  par. 12.3). Het bijzondere is dus dat levercellen het vermogen hebben om, door de intracellulaire glucoseconcentratie op te drijven, netto glucose uit de cel te laten stromen. Hiervoor is een speciaal enzym nodig (glucose-6-fosfatase), dat een bijzondere rol speelt in de glycogenolyse en de gluconeogenese (7 par. 6.7.1). Een iets andere situatie bestaat in de epitheliale cellen van de darmmucosa en niertubuli waar er sprake is van een hoge intracellulaire glucoseconcentratie door de ‘pompende’ werking

3

84

Hoofdstuk 3 • Glycolyse

3

. Figuur 3.4  Insuline beïnvloedt de lokalisatie van GLUT4 in skeletspier- en vetweefsel. A Zonder insuline (niet eten) zitten de GLUT4-transporters ‘verscholen’ in de cel in de membraan van endosomen en speciale ‘wacht’-vesikels. B Na een maaltijd stijgt de insulineconcentratie in het bloed. Hierdoor ontstaat een signaaltransductie in deze cellen die tot resultaat heeft dat GLUT4 ‘verhuist’ naar de plasmamembraan. Op deze wijze stijgt de flux van glucoseopname.

aan de apicale pool van de cel van een actief transport (.  figuur 3.3). Dit laatste wordt uitgevoerd door de Na+/glucosecotransporter die bij de mens gecodeerd wordt door de paraloge SGLT1 en SGLT2-genen. Dit eiwit ‘pompt’ glucose tegen een concentratiegradiënt de cel in vanuit het lumen van darm (SGLT1) of niertubuli (SGLT2). De energetische drijfveer voor dit proces is een lage intracellulaire natriumconcentratie, dit dankzij natrium-kaliumpompen die met hulp van ATP-hydrolyse natriumionen uit de cel pompen. Door de werking van SGLT1 en SGLT2 is de intracellulaire glucoseconcentratie in de epitheelcellen van darmmucosa en niertubuli hoger dan in de bloedcirculatie. Aan de basale pool van dezelfde cellen zit GLUT2. Deze transporter laat passieve diffusie van glucose toe vanuit de cellen (hoge concentratie) naar de bloedbaan (lage concentratie). Door de gecombineerde werking van deze transporters wordt glucose efficiënt geresorbeerd uit de urine en uit het lumen van de dunne darm. Merk op dat, indien er te veel glucose in de urine belandt (omdat het bloedsuiker te hoog wordt), deze tubulaire pompen niet alle glucose kunnen pompen, zodat er glucose verloren gaat in de urine. Dit fenomeen noemt men glucosurie en is een typisch symptoom van diabetes (suikerziekte). In pancreatische bèta-cellen van proefdieren (muis, rat) werd aangetoond dat zeer hoge expressie van GLUT2 verantwoordelijk is voor het vrijwel onmiddellijke evenwicht dat bestaat tussen de extra- en intracellulaire glucoseconcentratie. Via deze snelle diffusie kunnen de bètacellen in hun cytoplasma ‘meten’ hoe de bloedglucoseconcentratie van minuut tot minuut evolueert. De bèta-cellen reageren op een verhoogd bloedglucose door het hormoon insuline in de bloedbaan te brengen (secretie). Bij de mens is de GLUT2-expressie echter veel lager en kan dezelfde functie worden waargenomen door GLUT1 (De Vos et al., 1995). GLUT4  Ten slotte bespreken we GLUT4 (.  figuur  3.4). Deze transporter komt specifiek tot expressie in de skeletspieren en in het vetweefsel. Dit zijn de weefsels met de sterkste insulineregelbaarheid van glucoseopname uit het bloed. Het moleculaire en cellulaire mechanisme van regeling is intrigerend (Ishiki & Klip, 2005). Wanneer we niet eten en de insulineconcentratie in het bloed laag is, dan is vrijwel alle GLUT4-eiwit ‘verstopt’ in het binnenste van de cel en dus niet beschikbaar voor gefaciliteerde diffusie van glucose door de plasmembraan. De transportkanaaltjes komen wel tot expressie in de cellen, maar ze liggen ‘te wachten’ in endosomen en andere intracellulaire vesikels. Pas als we eten en de bloedinsulinespiegel begint te stijgen

3.3 • Overzicht van de glycolyse

85

. Figuur 3.5  Fosforylering van glucose gebeurt direct na opname van deze suiker. De meeste weefsels doen dit via hexokinasen 1tem3 (HK1tem3). De lever en pancreatische bèta-cellen katalyseren dezelfde reactie via glucokinase (hexokinase 4; gennaam = GCK). Belangrijke verschillen tussen HK1tem3 en GCK zijn de enzymkinetiek, het expressiepatroon en de allosterische regeling van flux.

(dit door glucose-sensing en geregelde insulinesecretie door de bèta-cellen – zie eerder), komt GLUT4-eiwit aan de oppervlakte van de cellen. Hierdoor kan glucoseopname door spier- en vetcellen plaatsvinden; deze wordt in het hand gewerkt doordat metabole paden die glucose verbruiken, worden geactiveerd. Dit is dus een voorbeeld van regeling van de metabole flux door de conditionele beschikbaarheid van een fluxcontrolerend eiwit. 3.3.2 Het chemisch mechanisme van de glycolyse

Als glucose eenmaal in de cel is opgenomen, kan de eigenlijke glycolyse beginnen. Hierna zullen de tien stappen van de glycolyse worden besproken met vermelding van de chemische veranderingen van de metabolieten en de verantwoordelijke enzymen. Het is opmerkelijk dat deze sequentie van chemische reacties in de twee à drie miljard jaar evolutietijd van alle nu levende organismen hetzelfde is gebleven. 1. Glucosefosforylering  We hebben zojuist besproken hoe de diffusie van glucose van buiten naar binnen in de cel mogelijk is door het metabole glucoseverbruik in deze cel. De meest relevante stap in dit proces is de fosforylering van glucose tot glucose-6-fosfaat (. figuur 3.5). Het wegnemen van het substraat in de chemische reactie verlaagt immers de glucoseconcentratie en het geladen glucose-6-fosfaat kan niet door de GLUT-kanalen naar buiten diffunderen. Enzymen die hun substraat fosforyleren, worden kinasen genoemd (met een prefix voor het substraat). Hexokinase fosforyleert glucose tot glucose-6-fosfaat met verbruik van één ATP molecuul. De overdracht van fosfaat van ATP naar glucose gaat gepaard met een belangrijke val in vrije energie (∆G°’ = -16 kJ/mol; ∆G = -30 kJ/mol). Hierdoor is deze reactie zo goed als onomkeerbaar (eenrichtingspijl in . figuur 3.5). Er bestaan bij de mens en andere zoogdieren vier verschillende iso-enzymen van hexokinase met twee groepen: hexokinase 1tem3 (HK1, HK2 en HK3) aan de ene kant en hexokinase 4 (GCK) aan de andere. Hexokinase 4 wordt meestal glucokinase genoemd. Het verschil tussen hexokinase 1tem3 en glucokinase is belangrijk en situeert zich op drie punten. Ten eerste zijn HK1, HK2 en HK3 aanwezig in bijna alle cellen, terwijl GCK gebruikt wordt in de lever, in de pancreatische bèta-cellen en in speciale glucosemetende cellen van de hypothalamus (Schuit et al., 2001). Een tweede verschil is de enzymkinetiek: HK1, HK2 en HK3 hebben een veel hogere affiniteit voor glucose dan GCK. Een derde verschil is de allosterische controle: HK1, HK2 en HK3 worden geremd door glucose-6-fosfaat, terwijl GCK geregeld wordt door een regulatorisch eiwit. Dit wordt verderop nader uitgelegd (7 par. 3.4).

3

86

Hoofdstuk 3 • Glycolyse

3 . Figuur 3.6  Isomerisatie. Glucose-6-fosfaat en fructose-6-fosfaat zijn in elkaar om te zetten dankzij een omkeerbare reactie (symbool twee halve pijlen).

. Figuur 3.7  Fosfofructokinase-1 katalyseert een onomkeerbare reactie waarvoor een tweede ATP-investering nodig is. Vergelijk deze reactie met die van hexokinase (. fig. 3.5). Deze stap is in veel gevallen de plaats van metabole fluxcontrole in de glycolyse.

2. Isomerisatie van glucose-6-fosfaat naar fructose-6-fosfaat  Deze reactie komt neer op de omzetting van een aldose naar een ketose en gebeurt eigenlijk via de openketenstructuur van beide hexosen (. figuur 3.6). De reactie wordt gekatalyseerd door het enzym glucosefosfaatisomerase (gennaam = GPI). Aangezien de ∆G-waarde van deze reactie zeer klein is, is de reactie omkeerbaar (twee halve pijlen in de figuur). We zullen later inderdaad zien dat de omgekeerde reactie nodig is voor de gluconeogenese (7 par. 6.7). De flux in de glycolyse vereist een nettoreactie van links naar rechts. 3. Fosforylering van fructose-6-fosfaat naar fructose-1,6-bisfosfaat  De derde stap van de gly-

colyse is weer het werk van een kinase, het fosfofructokinase-1, die fructose-6-fosfaat omzet in fructose-1,6-bisfosfaat (. figuur 3.7). Er zijn gelijkenissen met de eerste reactie van de glycolyse. Ten eerste wordt een nieuw ATP-molecuul verbruikt. Ten tweede veroorzaakt deze overdracht van een energierijke fosfaatgroep een belangrijke val in vrije energie (∆G = -22 kJ/mol) waardoor ook deze reactie onomkeerbaar is. Ten derde wordt deze reactie intens geregeld door allosterie. Op dit aspect komen we later in dit hoofdstuk terug. Er bestaan er voor dit enzym drie paraloge genen (PFKM, PFKL, PFKP), waarvan de eerste twee het meeste voorkomen in skeletspieren en de lever. Mutaties in het PFKM-gen geven aanleiding tot een stofwisselingsziekte, de ziekte van Tarui (glycogenose type VII; 7 ook par. 6.9).

4. Vorming van triosefosfaten  De glycolyse gaat nu over van de chemie van hexosen naar die

van triosen door de splitsing van fructose-1,6-bisfosfaat in twee triosefosfaten, glyceraldehyde3-fosfaat (een aldose) en dihydroxyacetonfosfaat (een ketose) (.  figuur  3.8). Hiervoor is het enzym aldolase nodig, dat zijn naam dankt aan de omgekeerde reactie (een aldolcondensatie).

3.3 • Overzicht van de glycolyse

87

. Figuur 3.8  Aldolase klieft fructose-1,6-bisfosfaat in twee triosefosfaten: het glyceraldehyde-3-fosfaat (een aldose) en het dihydroxyacetonfosfaat (een ketose).

. Figuur 3.9  Triosefosfaatisomerase (TPI1) laat omzetting toe van dihydroxyacetonfosfaat (een ketose) tot D-glyceraldehyde-3-fosfaat (een aldose). Tijdens de glycolyse verloopt deze reactie netto naar rechts.

De naam ‘glycolyse’ (letterlijk het splitsen van glucose) kan geassocieerd worden aan deze om­ -atoom keerbare reactie. Merk op dat glyceraldehyde-3-fosfaat ter hoogte van het middelste C chiraal is; de glycolyse produceert alleen D-glyceraldehyde-3-fosfaat en dit is natuurlijk te verklaren doordat er vertrokken werd van D-glucose. Er bestaan in het menselijk genoom drie paraloge aldolase-genen (ALDOA, ALDOB en ALDOC), waarvan het eerste het meest gebruikt wordt in de skeletspieren en het tweede zeer belangrijk is voor de lever. 5. Isomerisatie van dihydroxyacetonfosfaat naar glyceraldehyde-3-fosfaat  Dihydroxyaceton-

fosfaat bevindt zich op een zijspoor van de glycolyse en wordt door het enzym triosefosfaatisomerase omgezet tot glyceraldehyde-3-fosfaat (.  figuur 3.9). De ∆G°’ van deze isomerisatie is +7 kJ/mol, zodat er onder evenwichtscondities ongeveer twintig keer meer dihydroxyacetonfosfaat dan glyceraldehyde-3-fosfaat zou zijn. De cel houdt bij een actieve glycolyse de concentratie glyceraldehyde-3-fosfaat echter zo laag, dat het triosefosfaatisomerase continu nieuw glyceraldehyde-3-fosfaat bijmaakt. Let dus op het verschil tussen reactie-evenwicht en flux. Evenwicht ziet men eigenlijk nooit in het metabolisme van levende systemen. Er bestaat slechts één functioneel gen voor dit enzym (TPI1). 6. Gecombineerde oxidatie en fosforylering van glyceraldehyde-3-fosfaat  De derde fase van

de glycolyse start met de enige oxidatiestap, waarbij het aldehyde van glyceraldehyde-3-fosfaat geoxideerd wordt tot een carboxylgroep (. figuur 3.10). Tegelijkertijd wordt deze carboxylgroep veresterd met vrije fosfaat (Pi), zodat 1,3-bisfosfoglyceraat (1,3-BPG) ontstaat. Het verantwoordelijke enzym is glyceraldehyde-3-fosfaatdehydrogenase met als gennaam GAPDH. De door GADPH gekatalyseerde reactie is omkeerbaar, maar tevens opmerkelijk door de koppeling van twee deelreacties met belangrijke energieveranderingen. Ten eerste wordt een

3

88

Hoofdstuk 3 • Glycolyse

3 . Figuur 3.10  Oxidatie van glyceraldehyde-3-fosfaat door het enzym glyceraldehyde-3-fosfaatdehydrogenase (GADPH). Het energierijke elektronenpaar dat tijdens de oxidatie vrijkomt, wordt chemisch bewaard als NADH.

. Figuur 3.11  Eerste fosforylering op substraatniveau. De energierijke fosfaatgroep van 1,3-bisfosfoglyceraat wordt overgedragen op ADP (gestippelde rode pijl). Hierdoor ontstaan ATP en 3-fosfoglyceraat.

energierijke fosfaatgroep gegenereerd. Verder wordt het eerste koolstofatoom van het substraat geoxideerd, waarbij het energierijke elektronenpaar wordt overgedragen aan NAD+. De optelsom van de energieveranderingen van beide deelreacties is vrijwel nul (∆G = 3 kJ/mol), maar energetisch is dit een belangrijke stap in de glycolyse. Misschien was deze stap, gecombineerd met de volgende, evolutionair de sleutel tot het vormen van een mini-metabole weg. 7. Eerste fosforylering op substraatniveau met vorming van ATP en 3-fosfoglyceraat  Het belang van de vorige, voorbereidende stap komt nu naar voren (. figuur 3.11). Net als in de vorige reac-

tie, vindt er tijdens de zogeheten fosforylering op substraatniveau van 1,3-bisfosfoglyceraat naar 3-fosfoglyceraat, een belangrijke interne energieoverdracht plaats, zonder dat het totale systeem energie verliest aan de buitenwereld. De energierijke fosfaatgroep van 1,3-bisfosfoglyceraat wordt door een kinasereactie overgedragen op ADP. Hierdoor ontstaan ATP en 3-fosfoglyceraat. Het enzym dat deze reactie katalyseert, heet fosfoglyceraatkinase en heeft zijn naam aan de omgekeerde reactie te danken. Het belangrijkste verantwoordelijke gen is PGK1. Het gecodeerde eiwit is een mooi voorbeeld van een zogeheten moonlighting-eiwit. Hiermee wordt bedoeld één eiwit, dat meerdere

3.3 • Overzicht van de glycolyse

89

. Figuur 3.12  Intramoleculaire herschikking van een fosfaatester van positie 3 naar positie 2 van fosfoglyceraat.

functies waarneemt (die niets met elkaar te maken hebben). Fosfoglyceraatkinase speelt niet alleen een rol in de glycolyse, maar is ook een hulpeiwit van DNA-polymerase, het enzym dat DNA-strengen kopieert. De tweede paraloog (PGK2) ontstond op een andere wijze dan in hoofdstuk 1 werd uitgelegd (7 figuur 1.25): het PGK mRNA werd zonder introns als cDNA via een retrovirus in het genoom ingebracht en dit is het huidige PGK2-gen. De gecombineerde werking van glyceraldehyde-3-fosfaatdehydrogenase en fosfoglyceraatkinase is dus opmerkelijk, want glyceraldehyde-3-fosfaat wordt geoxideerd tot 3-fosfoglyceraat; twee elektronen worden afgegeven aan NAD+, zodat NADH ontstaat en één ATP wordt gevormd uit ADP en Pi. Dit resultaat is in feite de essentie van een primitieve katabole weg, die heel vroeg in de evolutie van het leven kan zijn ontstaan. >>Met deze en de vorige reactie zien we tevens een van de meest intrigerende eigenschappen van het metabolisme. Als in een schaakspel worden eerst de ‘stukken’ (= chemische groepen) strategisch goed geplaatst, om dan ‘toe te slaan’, waarbij winst wordt geboekt in de vorm van nuttige potentiële energie (NADH en ATP). Dit in tegenstelling met de chaotische energieoverdracht die altijd energie (warmte) afstaat aan de omgeving. 8. Herschikking van fosfaat van 3-fosfoglyceraat naar 2-fosfoglyceraat  Het moleculaire schaakspel gaat verder. Tijdens de volgende stap wordt 3-fosfoglyceraat door fosfoglyceraatmutase omgezet tot 2-fosfoglyceraat (. figuur 3.12). Merk op dat de fosfaatester na deze achtste reactie van de glycolyse verplaatst is naar het midden van het molecuul. Er bestaan vier paraloge genen (PGAM1, 2, 4 en 5) en bovendien meer dan tien pseudogenen. Er is weefselspecifiek gebruik van de paralogen: type 1 komt voor in de hersenen, terwijl type 2 in de spieren wordt gebruikt. Wat niet in . figuur 3.12 is getoond, is dat deze reactie verloopt via het intermediaire 2,3-bisfosfoglyceraat (2,3-BPG), een stof die in rode bloedcellen een tweede functie heeft, namelijk die van krachtige allosterische regulator van hemoglobine. Zonder 2,3-BPG is de zuurstofaffiniteit van hemoglobine veel te groot en kan de fysiologische rol van de rode bloedcel als zuurstofdrager niet worden uitgeoefend. 9. Onttrekken van water aan 2-fosfoglyceraat; met vorming van een energierijke enolverbinding  In de voorlaatste reactie van de glycolyse wordt een watermolecuul aan het 2-fosfoglyceraat onttrokken, zodat fosfo-enolpyruvaat (PEP) ontstaat (.  figuur 3.13). Deze reactie wordt

gekatalyseerd door het enzym enolase. Dit is energetisch een opmerkelijke reactie, want door het onttrekken van een watermolecuul stijgt de potentiële energie van de fosfaatgroep in grote mate. Dit heeft te maken met het vermogen van ketonen om tautomerie te vertonen met de enolconfiguratie.

3

90

Hoofdstuk 3 • Glycolyse

3 . Figuur 3.13  Enolase onttrekt water aan 2-fosfoglyceraat. De energie-inhoud van de fosfaatgroep verhoogt hierdoor sterk en zo ontstaat fosfo-enolpyruvaat (PEP).

. Figuur 3.14  Tweede fosforylering op substraatniveau. De energierijke fosfaatgroep wordt door pyruvaatkinase overgedragen op ADP (gestippelde rode pijl), zodat er een tweede maal ATP gewonnen wordt.

De mens bezit drie functionele paraloge enolasegenen (ENO1 tem ENO3). Het eerste type komt in de meeste lichaamscellen voor, en is een ander mooi voorbeeld van een moonlightingeiwit. Het ENO1-eiwit maakt namelijk in de ooglens deel uit van de doorzichtige en kristallijnen eiwitstructuur die noodzakelijk is voor het doorlaten en breken van licht. Binnen de hersenen bestaat er een taakverdeling tussen neuronen en gliacellen (figuur in Horizon), waarbij ENO1 in de gliacellen en ENO2 in de neuronen gebruikt wordt. ENO2 is daarom ook bekend als neuronspecifiek enolase. Het ENO3 gen wordt dan weer specifiek in de skeletspieren gebruikt. 10. Tweede fosforylering op substraatniveau met vorming van ATP en pyruvaat  Door de hoge

energiewaarde van de fosfaatester van PEP ontstaat de mogelijkheid tot de tweede fosforylering op substraatniveau van de glycolyse (.  figuur 3.14). Op deze wijze wordt opnieuw een ATPmolecuul geproduceerd. Deze reactie wordt gekatalyseerd door het enzym pyruvaatkinase (de naam is te danken aan het omgekeerde, namelijk het fosforyleren van pyruvaat met vorming van ATP). Ondanks de endergonische deelreactie van synthese van een ATP-molecuul, is de totale reactie sterk exergonisch (let op de eenrichtingspijl in . figuur 3.14). Dit is te verklaren door het feit dat de energiewaarde van de fosfaatester in PEP nog beduidend groter is dan die van de gamma-fosfaatgroep van ATP. Er bestaan bij de mens twee paraloge genen: PKM (het spiertype) en PKLR (het lever/rode bloedcel-type).

3.3 • Overzicht van de glycolyse

91

. Figuur 3.15  Overzicht van de glycolyse. De drie onomkeerbare reacties (sterke negatieve vrije energieveranderingen) worden met eenrichtingspijlen aangeduid. Dit zijn ook de reacties waarvan de enzymen worden geregeld, hetzij door allosterie (hexokinase en fosfofructokinase-1), hetzij door reversibele eiwitfosforylering/-defosforylering (pyruvaatkinase).

Door deze laatste reactie van de glycolyse wordt er nettowinst geboekt in de vorm van twee moleculen ATP per molecuul glucose. Dit wordt hieronder verder verduidelijkt.

Samenvatting

Een overzicht van de tien reacties van de glycolyse, voorafgegaan door de glucoseopname in de cel, is te zien in . figuur 3.15. Zeven van de tien reacties zijn door de kleine energetische veranderingen goed omkeerbaar en dit zal dan ook gebeuren tijdens de gluconeogenese (7 par. 6.7). De overblijvende drie reacties zijn echter exergonisch en daardoor onomkeerbaar (zie netto vrije energieveranderingen in deze figuur). De enzymen die op deze plaatsen werken, zijn onderworpen aan krachtige regelmechanismen, wat goed in overeenstemming is met algemene regels van metabole fluxcontrole (7 par. 2.8). De nettowinst van de glycolyse, zoals getoond in . figuur 3.15 bedraagt slechts twee moleculen ATP per glucosemolecuul, wat relatief weinig is vergeleken met de oxidatieve fosforylering (7  par. 5.7). Om het ATP-rendement te verhogen, wordt de glycolyse daarom vervolgd door

3

92

Hoofdstuk 3 • Glycolyse

3

. Figuur 3.16  Drie metabole opties van pyruvaat. Bij fermentatie (links) is geen zuurstof nodig; de essentie is recycling van het in de glycolyse verbruikte NAD+ door NADH terug te oxideren tot NAD+. Bij verdere verbranding tot acetyl-CoA en CO2 (rechts) wordt nog meer NAD+ verbruikt: deze wordt in de oxidatieve fosforylering met zuurstof gerecycled tot NAD+. De oxidatieve (aerobe) weg vereist de beschikbaarheid van mitochondria en van zuurstof. Andere metabole paden vanuit pyruvaat (transaminatie tot alanine of carboxylatie tot oxaloacetaat) zijn hier niet getoond.

andere metabole paden. Over dit onderwerp – en over de twee NADH-moleculen per molecuul glucose die halverwege de glycolyse zijn ontstaan – zullen we het in 7 par. 3.3.3 hebben. Het nettoresultaat van de glycolyse kan als volgt worden samengevat:

glucose + 2 Pi + 2 ADP + 2 NAD + → 2 pyruvaat + 2 ATP + 2 NADH + 2 H + Het bilan van ATP is hierbij per glucosemolecuul:

verbruik één molecuul ATP tijdens de stap glucose → glucose − 6 − fosfaat verbruik één molecuul ATP tijdens de stap fructose − 6 − fosfaat → fructose − 1, 6 − bisfosfaat winst twee moleculen ATP tijdens de stap 1,3 − BPG → 3 − fosfoglyceraat winst twee moleculen ATP tijdens de stap PEP → pyruvaat 3.3.3 De verdere metabole bestemming van pyruvaat

Wat er na de glycolyse met pyruvaat gebeurt, hangt sterk af van het celtype en van de omstandigheden waarin die cel moet leven, vooral de beschikbaarheid van moleculaire zuurstof en van mitochondria voor het proces van oxidatieve fosforylering. Dit wordt verduidelijkt in .  figuur 3.16. Men moet hierbij goed het onderscheid maken tussen enerzijds fermentatie (de anaerobe omzetting van pyruvaat tot ethanol of tot lactaat (melkzuur) en anderzijds de oxidatieve decarboxyleringen die acetyl-CoA oxideren tot CO2. Deze laatste weg vereist immers mitochondria en kan verder weer verschillende richtingen uit zoals in de volgende hoofdstukken van dit boek wordt besproken.

3.3 • Overzicht van de glycolyse

93

. Figuur 3.17  Metabolisme van ethanol. Alcoholdehydrogenase (ADH, links) verbruikt NAD+ en levert zowel NADH als acetaldehyde. Dit wordt verder geoxideerd tot acetaat door acetaldehydedehydrogenase (ALDH, rechts); hieruit wordt acetyl-CoA gevormd, dat verder kan worden verbrand.

Alcoholische fermentatie (ethanolgisting)

De omzetting van pyruvaat tot ethanol verloopt anaeroob door bepaalde gistsoorten; dit heet de alcoholische fermentatie. De eerste stap is de irreversibele decarboxylering van pyruvaat tot acetaldehyde door het enzym pyruvaatdecarboxylase. Deze stap wordt gevolgd door de reductie van acetaldehyde tot ethanol door alcoholdehydrogenase, waarbij NADH wordt geoxideerd tot NAD+. Dit is voor de gistcel een goede zaak, want de NADH die tijdens de glycolyse is ontstaan wordt op deze wijze weer verbruikt (. figuur 3.16), zodat er geen nettoreductie of oxidatie van NAD+/NADH optreedt in de alcoholische fermentatie. Wel is er een relatief kleine ATP-opbrengst. Het nettoresultaat van de glycolyse in de modaliteit van de alcoholische fermentatie is:

glucose + 2 Pi + 2 ADP → 2 ethanol + 2 CO 2 + 2 ATP Gisten, zoals Saccharomyces cerevisiae en Schizosaccharomyces pombe, gebruiken deze weg niet alleen omdat ze hun NADH-probleem moeten oplossen (.  figuur 3.16), maar ook omdat ze hierdoor een soort chemisch afval produceren dat de groei van concurrerend leven voor hetzelfde voedsel (bacteriën) remt (Piskur et al., 2006). Als gisten en bacteriën op suiker van dezelfde vruchten groeien, hebben de gisten zo een voordeel. Pas bij een ethanolconcentratie van ongeveer 14% worden de gistcellen zelf in hun groei geremd; voor dit probleem heeft de natuur een oplossing gevonden, door het ontstaan van gistcellen die de ethanol uit de buitenwereld kunnen opnemen en verder verbranden tot CO2 (Piskur et al., 2006). De mens maakt van deze biochemische weg gebruik bij de bereiding van alcoholische dranken. De menselijke lever bevat net als gisten alcoholdehydrogenase (ADH in . figuur 3.17), maar bij de mens is dit een familie van wel zeven verschillende paraloge genen (ADH1AtemC, ADH4, ADH5, ADH6 en ADH7) die in een cluster bij elkaar liggen op chromosoom 4 (Yin, 1994). Dit is het resultaat van lokale genduplicaties en is dus iets anders dan de genoomoverspannende duplicaties die in 7 figuur 1.25 besproken werden. Samen behoren deze tot een nog grotere MDR-superfamilie (medium & short chain dehydrogenase/reductase) met meer dan veertig coderende genen in het menselijk genoom (Persson et al., 2008). Er bestaan verschillen tussen etnische groepen in de mate waarin alcohol ‘verdragen’ wordt (dronkenschap, rood aanlopen van de kaken). Deze verschillen zijn voor een deel te verklaren door de snelheid waarmee de diverse ADH-isovormen in de lever van een bepaald individu de ingenomen alcohol kunnen metaboliseren tot acetaldehyde (Yin, 1994). De belangrijkste bijdrage wordt geleverd door een polymorfisme in het ADH1B-gen, waarbij drie verschillende gecodeerde eiwitten een andere enzymkinetiek (Vmax en Km voor het substraat) bezitten. Het Kaukasische ADH1B-allel type 1 (Arg-48/Arg-370) werkt trager dan het Aziatische ADH1Ballel type 2 (His-48/Arg-370) en dan het Afrikaanse ADH1B-allel type 3 (Arg-48/Cys-370) (Wang et al., 2012). De snelle omzetting van alcohol tot acetaldehyde met het allel type 2

3

94

3

Hoofdstuk 3 • Glycolyse

maakt dat mensen van Aziatische oorsprong sneller acetaldehyde opstapelen, met als gevolg de daarmee gepaard gaande intoxicatieverschijnselen. Dit erfelijk bepaald verschil beschermt anderzijds wel tegen alcoholverslaving (Wang et al., 2012). De tweede stap in de oxidatie van ingenomen ethanol wordt gekatalyseerd door het enzym acetaldehyde-dehydrogenase (. figuur 3.17), waarvoor er twee belangrijke paralogen bestaan: het cytoplasmatisch gelegen ALDH1A en het mitochondriale ALDH2. Vooral ALDH2 is belangrijk voor de detoxificatie van acetaldehyde. Binnen de mensheid bestaat er ook een polymorfisme voor ALDH2: het type 2 allel (dat veel voorkomt in Azië) codeert voor een traag werkend enzym. Wanneer ADH sneller werkt dan ALDH, stapelt het toxische acetaldehyde zich op in het bloed op. Dit veroorzaakt een aantal onaangename effecten (misselijkheid, kater). Pas wanneer de acetaldehyde volledig is geëlimineerd, is de ethanol gedetoxificeerd. >>Verschillen tussen etnische groepen in de werking van ADH1B en ALDH2 verklaren dus verschillen in acetaldehydeconcentraties in het bloed na dezelfde hoeveelheid drank (Peng & Yin, 2009; Wang et al., 2012), en dus de verschillen in de dosis alcohol die leidt tot intoxicatieverschijnselen.

In .  figuur 3.17 is goed te zien waarom inname van ethanol een overschot aan NADH in de lever oplevert; samen met de opstapeling van acetyl-CoA werkt dit de vorming van vetten in de hand. Dit veroorzaakt vette lever (leversteatose), het eerste stadium van alcoholische leverbeschadiging (Donohue, 2007). De mens gebruikt ADH dus voor het metabolisme van in dranken ingenomen ethanol, maar heeft het enzym ook voor andere doeleinden nodig. Een hiervan is de eerste stap in het metabolisme van vitamine A, waarbij retinol wordt omgezet in retinaldehyde (Pares et al., 2008), dat in een tweede fase geoxideerd wordt tot retinoïnezuur. VitamineA-afgeleiden hebben een waaier van effecten op het menselijke lichaam (7  par.  11.7.15). Er bestaat interferentie van inname van alcohol op het vitamine-A-metabolisme (Russell, 1980); bovendien verwaarlozen mensen met overdreven en regelmatige alcoholinname hun voeding, wat vitamine-A-deficiëntie verder in de hand werkt (Lieber, 2003). Meer over alcohol en alhoholverslaving is te vinden in 7 par. 11.6.2.

Melkzuurgisting

Deze weg wordt gevolgd in de zogeheten anaerobe glycolyse en gebeurt met wisselende snelheid in de meeste menselijke cellen. De beschikbaarheid van mitochondria en van moleculaire zuurstof die via de bloedvaten en rode bloedcellen wordt aangevoerd zijn hierbij doorslaggevende factoren. Dit is als volgt te verklaren. Tijdens de oxidatie van glyceraldehyde-3-fosfaat tot 3-fosfoglyceraat werd de cofactor NAD+ gereduceerd tot NADH (. figuur 3.15). In afwezigheid van mitochondriale activiteit of van moleculaire zuurstof moet deze cytoplasmatische NADH worden gerecycleerd tot NAD+, want anders valt de glycolyse stil. Deze recycling gebeurt dankzij het enzym lactaatdehydrogenase (LDH), dat pyruvaat reduceert tot lactaat en tegelijkertijd NADH oxideert tot NAD+ (.  figuur 3.18). De nettoreactie van de anaerobe glycolyse met lactaatproductie is:

glucose + 2 Pi + 2 ADP → 2 lactaat + 2 ATP Dit proces is dus vergelijkbaar met de productie van ethanol door gistcellen. Menselijke weefsels maken vijf verschillende LDH-iso-enzymen, die ontstaan door tetramere eiwitten te maken van de eiwitten van twee paraloge genen: LDHA en LDHB (. figuur 3.18 rechts). LDHA wordt ook LDHM genoemd vanwege het feit dat skeletpieren voor het maken van het enzym vooral een beroep doen op dit gen. Dit betekent dat het t­etrameer

3.3 • Overzicht van de glycolyse

95

. Figuur 3.18  Links: reductie van pyruvaat tot lactaat door lactaatdehydrogenase (LDH) gebeurt in anaerobe omstandigheden. Hierdoor wordt het NADH van de glycolyse omgezet in NAD+. Lactaat verlaat de cellen als afval. Rechts: verklaring voor de vijf LDH-iso-enzymen door expressie van de twee paraloge genen LDHA en LDHB.

eiwit in skeletspieren hoofdzakelijk bestaat uit vier gelijke M-subeenheden (LDH5 of M4). Dit in tegenstelling tot de hartspier die vooral een beroep doet op het LDHB-paraloge gen, dat ook LDHH genoemd wordt; daardoor zijn de gevormde tetramere LDH-enzymen in het hart vooral (LDH1 of H4). De andere weefsels in het menselijk lichaam doen een beroep op zowel LDHA als LDHB, zodat tetrameer eiwitten een mengsel zijn van de vijf mogelijke vormen (M4, M3H, M2H2, MH3, H4). Dit onderscheid speelt een rol in de bepaling van de LDH-iso-enzymen als klinische biologische test om een bepaalde diagnose te ondersteunen of het verloop van een ziekteproces op te volgen. Een voorbeeld is een hartinfarct, waarbij er vooral H4 in de bloedbaan terechtkomt. Dit in tegenstelling tot een kneuzing van de intercostale spieren, waarbij men vooral M4 verwacht. Deze klinisch biologische benadering is tegenwoordig uitgebreid naar andere eiwitmerkers, zoals de hartspierspecifieke isovorm van troponine (O’Brien, 2008). Sommige micro-organismen zullen deze modaliteit van de glycolyse bij voorkeur gebruiken. De mens benut dit feit bij de fermentatie van melkproducten. Lactobacillus bulgaricus is verantwoordelijk voor de omzetting van melk in yoghurt. Diverse stammen van de bacterie Lactobacillus casei zijn aanwezig in de natuurlijke microflora bij de mens, in de mondholte, de darmholte en de vagina. De lactaatproductie door deze bacil leidt tot een zuur milieu (pH < 4,5), dat de groei van ziektekiemen tegengaat. In de voedingsindustrie gebruikt men bepaalde stammen van deze bacterie waarvan men vermoedt dat ze de natuurlijke immuniteit van de darm stimuleren (Matsuzaki et al., 2007). Dit terrein behoort tot de probiotica, een onderwerp dat veel aandacht krijgt van de producenten van zuivelproducten (Shah, 2000). Anderzijds kan het voorkomen van Lactobacillus in de mondholte in combinatie met sucroseverbruik bijdragen tot de ontwikkeling van cariës (Badet & Thebaud, 2008). Met zuurstof en mitochondriën is er een andere methode om de elektronen van NADH over te nemen (aerobe glycolyse). Deze wordt in de volgende paragraaf en in hoofdstuk 5 nader besproken.

Oxidatieve decarboxylering

Deze weg zal gevolgd worden onder aerobe omstandigheden. Pyruvaat moet hiervoor eerst in de mitochondria worden opgenomen omdat de oxidatieve decarboxylering zich afspeelt in de mitochondriale matrix. In dat geval zal ook de NADH van de glycolyse via de glycerolfosfaatshuttle of malaat-aspartaat-shuttle (7  figuur 5.14) elektronen afstaan aan het mitochondrium,

3

96

Hoofdstuk 3 • Glycolyse

waar zich de oxidatieve verbranding verder afspeelt. Deze stap zullen we in het volgend hoofdstuk meer in detail bespreken. Horizon

3

Wat is de taakverdeling tussen astrocyten en neuronen in het pyruvaatmetabolisme? Er bestaan reeds lang modellen van een metabole taakverdeling tussen astrocyten (steuncellen in het hersenweefsel) en neuronen. Het meest bekende model voor het glucosemetabolisme is de zogeheten astrocyt-naar-neuron-lactaatshuttle (7 figuur). Dit model werkt als volgt.

Ongelijk pyruvaatmetabolisme in neuronen en astrocyten (gliacellen). Astrocyten reduceren pyruvaat tot lactaat (enzym = LDH), dus er is een anaerobe glycolyse met lage ATP-opbrengst. Neuronen nemen lactaat op en oxideren dit tot CO2, dit met een hoge ATP-opbrengst (14 moleculen ATP per lactaatmolecuul = 28 moleculen ATP per glucose-equivalent). Links is te zien dat neuronen via GLUT3 ook rechtstreeks glucose kunnen opnemen die door de bloed-hersenbarrière passeert.

Vanuit het bloed moet glucose door de bloed-hersenbarrière in de hersenen komen. De astrocyten zetten glucose via de anaerobe glycolyse om in lactaat met lage ATP-opbrengst. Het lactaat verlaat de cel, zodat naburige neuronen het kunnen opnemen, en oxideren tot pyruvaat. Dit wordt dan in de mitochondria opgenomen met verbranding tot CO2. Dit levert een 15 maal hogere ATP-opbrengst. Een argument voor de werking van dit model was een studie van ‘multi-foton’ positronemissietomografie (PET), gecombineerd met lichtmicroscopie (Kasischke et al., 2004). Een meer recente in-vivo-studie met de glucose analoog, 2-fluoro-2-deoxy-D-glucose (FDG) suggereert echter dat een deel van de pyruvaatproductie in neuronen begint met glucoseopname in deze cellen (Patel et al., 2014). Astrocyten zijn ook verantwoordelijk voor het regelen van de bloeddoorstroming in functie van de neuronale activiteit die de vraag naar zuurstof en glucose bepaalt (neurovasculaire koppeling). Deze regeling berust op mediatoren, zoals stikstofmonoxide en glutamaat, die de astrocyten vrijstellen en die inwerken op de bloedvaten. Bovendien werken astrocyten en neuronen samen in het metabolisme van glutamaat en GABA, twee belangrijke neurotransmitters (7 par. 9.4.10). Verderop in dit boek worden er andere situaties besproken waarbij twee of meer celtypen samenwerken in een metabole weg. Voorbeelden zijn de synthese van oestrogenen in de follikels van de ovaria (7 par. 8.5.2), de metabole zonatie in de lever (7 par. 9.3.2) en de arginine-citrullinecyclus (7 par. 9.3.2).

3.4 • Regeling van de glycolyse

97

. Figuur 3.19  Snelle regeling van de flux door de glycolyse speelt zich af op het niveau van de drie onomkeerbare enzymatische stappen (rode gestippelde pijlen). Hexokinase wordt allosterisch geremd door glucose6-fosfaat (feedbackinhibitie). De lever heeft een ontsnappingsroute via glucokinase dat wordt geregeld door een regulatorisch eiwit. In de lever wordt de glycolyse vooral geregeld via het signaalmolecuul fructose-2,6bisfosfaat (F-2,6-BP) dat fosfofructokinase-1 activeert. F-2,6-BP wordt gemaakt door fosfofructokinase 2, dit is één gedaante van het tandemenzym (TE), en afgebroken door fructose-2,6-bisfosfatase, de andere gedaante. De twee gedaanten van TE worden in elkaar omgezet door cAMP-afhankelijk proteïnekinase-A en proteïnefosfatase (niet getoond in de figuur, maar analoog aan de regeling van pyruvaatkinase). Pyruvaatkinase wordt geregeld via fosforylering/defosforylering dankzij een proteïnekinase-A en een proteïnefosfatase. De fosfo-vorm van het levertype pyruvaatkinase (PKLR) is inactief, de defosfo-vorm van het enzym is actief.

3.4 Regeling van de glycolyse 3.4.1 Regeling van bestaande enzymen

Een juiste regeling van de activiteit van de glycolyse is belangrijk voor de fysiologie van de cel. Het gevormde pyruvaat is immers niet alleen een belangrijke energiebron, maar ook (via acetyl-CoA) een belangrijke bouwsteen voor de vetzuur- en cholesterolbiosynthese. Zoals al in het vorige hoofdstuk werd uiteengezet, worden enzymatische reactieketens vooral op de fluxgenererende stappen gereguleerd. Meestal zijn deze stappen beperkt omkeerbaar, dus een ‘point of no return’ in de metabole keten. De beslissing om deze stap te nemen is in de organisatie van het systeem dus relevant. In de glycolyse worden deze stappen gekatalyseerd door hexokinase (of glucokinase), fosfofructokinase-1 en pyruvaatkinase. De eerste geregelde stap van de glycolyse bevindt zich, conform de algemene principes van metabole regeling (7 par. 2.8), aan het begin van de metabole route. In veel celtypen is het geregelde enzym de paralogen HK1, HK2 of HK3 van het enzym hexokinase dat, zoals we eerder zagen, glucose-6-fosfaat produceert (. figuur 3.5). Wanneer fosfofructokinase-1 een algemene fluxvertraging vraagt, dan stapelen fructose-6-fosfaat en glucose-6-fosfaat zich in het cytoplasma op. Glucose-6-fosfaat is een allosterische remmer van het hexokinase (.  figuur 3.19). Bij een traag verlopende glycolyse wordt glucose dus trager gefosforyleerd, waardoor glucose ook trager in de cellen wordt opgenomen.

3

98

Hoofdstuk 3 • Glycolyse

Horizon

3

Een glucosesensor in levercellen en in pancreatische bèta-cellen? De parenchymcellen van de lever en de pancreatische bèta-cellen bezitten een alternatief voor de hexokinaseregeling die hierboven besproken werd: het hexokinase 4 of glucokinase. Deze paraloog wordt niet geremd door glucose-6-fosfaat, zodat de lever ondanks een hoge [glucose-6-fosfaat] toch glucose kan opnemen. Het glucose-6-fosfaat kan in dat geval nog worden omgezet tot glycogeen, of worden verbruikt in de hexosemonofosfaatshunt (pentosefosfaatweg, 7 par. 6.10). Het is in dit verband belangrijk dat glucokinase een veel hogere Km-waarde (lagere affiniteit) voor zijn substraatglucose heeft dan hexokinase 1tem3. De lever (die glucokinase gebruikt) verleent hierdoor prioriteit aan de hersenen en spieren (hexokinase 1tem3) om glucose uit de bloedbaan te halen. Leverglucokinase wordt geregeld door een eiwit, de glucokinaseregulator (GCKR) die zich bevindt in de celkern (Van Schaftingen et al., 1992). Dit eiwit laat een maaltijdgeïnduceerde ‘conditionele’ compartimentalisatie toe, zoals we hebben gezien voor GLUT4 in spier en vetweefsel. Tussen de maaltijden is glucokinaseregulator actief en houdt glucokinase vast op een plaats waar het niet kan deelnemen aan de glycolyse. Tijdens de maaltijd zal fructose-1-fosfaat zich in de levercellen opstapelen; deze metaboliet zal in de kern de remmende werking van glucokinaseregulator opheffen, zodat het glucokinase wordt ‘losgelaten’. Zo kan glucokinase naar het cytoplasma verhuizen en neemt de glycolytische flux toe. De lever bezit een tweede glucosesensor voor een beslissing dieper in het metabolisme: de aanmaak of afbraak van glycogeen (Bollen et al., 1983. Deze tweede glucosesensor is gelegen op de leverparaloog van het enzym glycogeenfosforylase (PYGL, 7 par. 6.3). Het belang van glucokinase in de bèta-cellen van de pancreas werd benadrukt (Froguel et al., 1992) door de ontdekking van mutaties in het glucokinasegen die een Mendeliaans dominante vorm van diabetes uitlokken (MODY = maturity onset diabetes of the young). Het mechanisme is dat glucokinase in de bèta-cellen werkt als glucosesensor die de insulinesecretie meet. Door de mutaties neemt deze sensorfunctie af en zal er minder insulinesecretie optreden na een maaltijd. Dit veroorzaakt de hyperglykemie. Later werden activerende mutaties in hetzelfde gen ontdekt, die juist hypersecretie van insuline en een te laag bloedglucose (hypoglykemie) veroorzaken (Pal & Miller, 2009). Om redenen die nog niet volledig zijn opgehelderd, moet het glucokinase in de bèta-cellen worden geactiveerd voordat het daar zijn metabole werk van glucose-sensing kan uitoefenen. De in de lever gebruikte glucokinaseregulator lijkt in de bèta-cellen geen rol te spelen in de regeling van het enzym. Een van de elementen in deze activering is gelegen in de buitenste mitochondriale membraan, waar het contact maakt met in het cytosol gelegen glucokinase: BAD is een eiwit dat niet alleen apoptose regelt, maar ook na een maaltijd het glucokinase in de bèta-cellen activeert (­Danial et al., 2008). De farmaceutische industrie toont belangstelling voor de ontwikkeling van glucokinaseactivatoren die zowel in de lever als in de bèta-cellen kunnen bijdragen tot een verlaging van het bloedglucose bij diabetespatiënten (Nakamura et al., 2009).

De tweede geregelde stap van de glycolyse bevindt zich ter hoogte van fosfofructokinase-1 (.  figuur 3.19). Dit enzym bezit een complex patroon van allosterische regelknoppen dat een exacte afstemming van de glycolytische flux op de behoefte van de cel toelaat. De energielading (energy charge) van de cel remt het enzym via ATP en dit klopt met het algemene principe dat we in hoofdstuk 2 hebben bekeken. Immers, de glycolyse heeft in zijn katabole functie als doel om het in allerlei processen verbruikte ATP te helpen opbouwen. Wanneer dit voldoende is

3.4 • Regeling van de glycolyse

99

gebeurd, wordt de flux allosterisch vertraagd. Maar de glycolyse is ook anabool. In het volgende hoofdstuk zullen we zien hoe pyruvaat kan worden omgezet tot zowel oxaloacetaat als acetylCoA, die condenseren tot citraat; in 7  par. 7.2.3 zien we dat citraat anabool in het cytoplasma terechtkomt op een weg die leidt naar de synthese van vetzuren. De regeling van fosfofructokinase-1 door ATP en citraat is van toepassing in de meeste cellen. In de lever wordt deze controle overruled door de dominante werking van een andere fructosemetaboliet, fructose-2,6-bisfosfaat (F-2,6-BP; . figuur 3.19). Deze afgeleide van fructose-6-fosfaat is een sterke allosterische activator van fosfofructokinase (Van Schaftingen et al., 1981) en tegelijk een remmer van de gluconeogenese (7 figuur 6.13). Het enzym verliest onder invloed van F-2,6-BP zijn gevoeligheid voor ATP. F-2,6-BP zorgt er dus voor dat de glycolyse in de lever op een zeker peil van activiteit gehouden wordt, zelfs als er genoeg ATP aanwezig is. Dit betekent dat de lever in een periode van energieovervloed vetzuren kan produceren vanuit glucosekoolstof (7 par. 7.2.7). De sleutel tot de metabole fluxcontrole van de glycolyse in de lever is dus de regeling van de F-2,6-BP-concentratie in de levercel. Hoe wordt deze geregeld? Het antwoord is de functionele toestand van een bifunctioneel enzym dat van ‘gedaante’ kan wisselen, door een reversibele eiwit(de)fosforylering. Aan de ene kant is TE een fosfofructokinase-2, dus een enzym dat F-2,6-BP produceert vanuit fructose-6-fosfaat. Anderzijds, ‘met de andere pet op’, is TE een fructose-2,6-bisfosfatase dat F-2,6-BP afbreekt tot fructose-6-fosfaat. De gennamen van de vier 6-fosfofructo-2-kinase/fructose-2,6-bisfosfatase paralogen zijn PFKFB1 tem PFKFB4. Wij zullen voor verdere bespreking een kortere naam hanteren voor dit bifunctionele enzym: het tandemenzym (TE). Tussen de maaltijden worden de levercellen gestimuleerd door glucagon, waardoor de [cAMP] in de levercellen stijgt en proteïnekinase-A wordt geactiveerd. Hierdoor wordt het tandemenzym gefosforyleerd, zodat de fosfofructokinase-2-activiteit daalt en de fructose-2,6bisfosfatase-activiteit stijgt (.  figuur  3.19). Het gevolg is dat F-2,6-BP wordt afgebroken, de concentratie van deze regelaar in de cel daalt en de glycolyse vertraagt. Het omgekeerde gebeurt na een maaltijd: TE wordt gedefosforyleerd, zodat de fosfofructokinase-2-activiteit stijgt en de fructose-2,6-bisfosfatase-activiteit daalt. Daardoor stijgt de [F-2,6-BP] in de cellen en de glycolyse versnelt. De derde schakelaar van de glycolyse bevindt zich op het niveau van pyruvaatkinase. De isovorm van dit enzym dat de lever gebruikt (L-type pyruvaatkinase), wordt vooral gecontroleerd door reversibele eiwit(de)fosforylering, naar analogie met wat hiervóór besproken is rond het ‘tandemenzym’. Tussen de maaltijden wordt L-type pyruvaatkinase gefosforyleerd door proteïnekinase A, waardoor het geïnactiveerd wordt. Tijdens de maaltijden wordt het enzym gedefosforyleerd door een proteïnefosfatase, waardoor het actief wordt (. figuur 3.19). Merk op dat deze regulatie in harmonie verloopt met die van het ‘tandemenzym’. 3.4.2 Regeling door aanmaak van nieuwe enzymen

Een extra niveau van de regeling van de glycolyse bevindt zich op het niveau van de genexpressie. Laat ons beginnen met pyruvaatkinase en de rol van dit enzym in de lever die moet antwoorden op de nutritionele status. Tijdens de maaltijden wordt nieuw mRNA bijgemaakt dat codeert voor L-type pyruvaatkinase, zodat er meer parallel aan elkaar werkende enzymmoleculen de glycolytische flux kunnen versnellen. Metabolieten van het glucosemetabolisme zijn zelf in staat om transcriptiefactoren te activeren in de promotor van het L-type pyruvaatkinasegen. Deze regeling vraagt meer tijd (uren) dan de eiwit(de)fosforylering.

3

100

Hoofdstuk 3 • Glycolyse

3

. Figuur 3.20  Trage regeling van de flux door de glycolyse gebeurt door algemene en specifieke regeling van de expressie van glycolytische enzymen (transcriptie, translatie, eiwitdegradatie). De krachtige transcriptionele verhoging van de enzymen van de anaerobe glycolyse gebeurt via de transcriptiefactor HIF-1α die bindt aan HIF-responsieve elementen (HRE) in de promotor van genen die onder andere coderen voor glycolytische enzymen. Deze activering is intens wanneer de zuurstofspanning in de cel laag is (hypoxie). Onder normale zuurstofspanning (normoxie) wordt dergelijke transcriptionele activering vermeden doordat moleculaire zuurstof substraat is van een posttranslationele verandering van HIF-1α. Door prolylhydroxylasen (PHD’s) worden enkele prolineresiduen in HIF-1α omgezet tot hydroxyprolines; hierdoor wordt HIF-1α via het Von HippelLindau-eiwit (VHL) voorzien van ubiquitine; dit veroorzaakt de degradatie van HIF-1α door het proteasoom.

Een tweede zeer belangrijk voorbeeld is de versnelling van de glycolyse in cellen die langere tijd blootstaan aan lage zuurstofspanning. Dit is absoluut noodzakelijk omdat de glycolyse zonder zuurstof (de anaerobe glycolyse) 15 maal minder moleculen ATP per molecuul glucose oplevert dan de aerobe glycolyse gevolgd door mitochondriale pyruvaatoxidatie. Een compensatie van cellen die aan dit lage ATP-rendement werken, is het tempo van de glycolyse sterk te versnellen, zodat er toch voldoende ATP wordt gemaakt. Een dergelijke regeling is gebaseerd op een transcriptiefactor, de zogeheten hypoxia induced factor 1-alfa (HIF-1α), die naast een groot aantal andere genen die verband houden met de adaptatie van het organisme aan een lage zuurstofspanning, ook de transcriptie van glucosetransportergenen en de genen van de anaerobe glycolyse sterk opdrijft (. figuur 3.20). Het mechanisme van activering van HIF-1α door lage zuurstofspanning is intrigerend (Wenger, 2002). Zuurstof is substraat voor drie prolylhydroxylasen (PHD1-PHD3) die prolinezijketens van HIF-1α enzymatisch veranderen in hydroxyprolines; deze posttranslationele modificatie maakt HIF-1α gevoelig voor afbraak door het proteasoom. Dit vereist een bijkomende posttranslationele modificatie: de ubiquitinylering die geholpen wordt door het Von Hippel-Lindau-eiwit, dat ontdekt werd als tumorsuppressor (Yang & Kaelin, 2001). Wanneer de intracellulaire zuurstofspanning daalt (hypoxie), gaat deze prolinehydroxylering niet door en wordt HIF niet afgebroken, zodat het zijn transcriptionele activering in de celkern kan uitvoeren. Hierdoor stijgen de aantallen mRNA-exemplaren die coderen voor de meeste enzymen van de glycolyse, maar ook van GLUT1 en GLUT3, van lactaatdehydrogenase en van de lactaat/ pyruvaattransporter MCT1. Gevolg is een verhoogde flux van anaerobe glycolyse, die een logische adaptatie is aan de hypoxie. Immers, ondanks een verminderd vermogen tot oxidatieve fosforylering kan er toch ATP gemaakt worden om de cel te doen overleven.

3.5 • Metabolisme van fructose en galactose

101

Horizon Hoe gebeurt metabole programmering van weefsels? De zuurstofspanning in de cel is dus een zeer belangrijke parameter voor de keuze tussen anaerobe en aerobe glycolyse. Daarom evolueerde bij dieren een mechanisme van metabole regeling dat gebaseerd is op zuurstofsensoren die gekoppeld zijn aan de metabole programmering in de richting van anaerobe of aerobe glycolyse. In menselijke weefsels bestaat er een naar de omstandigheden wisselende lactaatproductie, zoals voor het eerst werd aangetoond in de skeletspieren door Meyerhof. Otto Warburg, de leermeester van Meyerhof, had in 1920 al aangetoond dat tumoren veel meer glucose verbruiken dan niettumorale cellen en dit vooral doen via anaerobe glycolyse met lactaatproductie. Dit noemt men het Warburg-effect (DeBerardinis, 2008). De noodzakelijkheid van deze gisting is evident wanneer de cel geen mitochondria bevat (rode bloedcel), wanneer er een zeer intensieve glycolyse plaatsvindt (witte dwarsgestreepte spiercel tijdens arbeid), of wanneer de cellen in zuurstofnood verkeren (ischemie). Lactaat verlaat deze cellen en circuleert in de bloedbaan naar de lever, die deze stof goed kan metaboliseren. Een zeer opmerkelijke uitzondering is de insulineproducerende bèta-cel die een verwaarloosbaar lage anaerobe glycolyse vertoont, zodat alle pyruvaat in de mitochondria wordt verbrand (Schuit et al., 1997). De verklaring hiervoor is eerder omgekeerd: de bèta-cel vermijdt expressie van lactaatdehydrogenase en de lactaattransporter MCT1 om geen onaangepaste (inspanningsgerelateerde) insulinesecretie uit te lokken (Otonkoski et al., 2007). Dat deze adaptatie beschikt over leven en dood van cellen, werd aangetoond door een genetisch gewijzigde muis, waarin een deletie werd aangebracht in het gen dat codeert voor de prolylhydroxylase Phd1 (Aragones et al., 2008). Deze muizen zijn resistent tegen een experimenteel aangebrachte ischemie van de ledematen; daar waar normale dieren necrose ontwikkelen (een infarct van de ischemische spier), vertonen de knockout-muizen geen spierceldood. Een doorgedreven anaerobe glycolyse werd als mechanisme voor dit fenomeen voorgesteld. Ook in tumoren, waar de proliferatie van tumorcellen vaak sneller verloopt dan de groei van bloedvaten, is dit mechanisme erg belangrijk (het eerder vermelde Warburg-effect). De hypoxie in het centrum van de tumoren veroorzaakt een HIF-1α-afhankelijke adaptatie met sterke anaerobe glycolyse. Ook het aggressieve gedrag van de tumorcellen (metastase) wordt door deze regulatie beïnvloed. Verlies van het Von Hippel-Lindau-eiwit lokt tumorgroei uit. Anderzijds leidt de experimentele haplo-insufficiëntie van Pdh2 tot betere tumoroxygenatie en verminderde metastasering (Mazzone et al., 2009). Deze elementen maken de PHD-familie van enzymen een interessant doelwit voor nieuwe geneesmiddelen gericht tegen ischemisch lijden, vaatziekten en kanker.

3.5 Metabolisme van fructose en galactose

We eindigen dit hoofdstuk met de aansluiting van twee andere hexosen, galactose en fructose, op de glycolyse. Dit is relevant voor de mens omdat galactose en fructose belangrijk zijn in onze voeding. Fructose is aanwezig in vruchten en vormt tevens een bestanddeel van sucrose, een disacharide dat veel wordt gebruikt in welvarende beschavingen vanwege de aangename zoete smaak (7 figuur 1.4). Galactose is onderdeel van de disacharide lactose, de belangrijkste suiker in zoogdierenmelk (7 figuur 1.4).

3

102

Hoofdstuk 3 • Glycolyse

3

. Figuur 3.21  Het metabolisme van sucrose sluit aan op de glycolyse. Sucrose (riet- of bietsuiker) wordt aan de oppervlakte van het dunnedarmepitheel enzymatisch gesplitst in fructose en glucose, die via hun membraantransporters (bolletjes) terechtkomen in het portale bloed en van daaruit in de leverparenchymcellen. Fructose sluit aan op glycolyse via een route die verloopt via ketohexokinase, een voor fructose-1-fosfaat specifiek aldolase en triosekinase, dat het reactieve D-glyceraldehyde fosforyleert tot glyceraldehyde-3-fosfaat.

Sucrose (tafelsuiker) is een door de mens graag gebruikte zoete stof, die na inname in de dunne darm ter hoogte van de luminale zijde van de microvilli van de mucosacellen enzymatisch verteerd wordt door het enzym sucrase (gennaam = SI), een disacharidase. Hierdoor ontstaan equimolaire hoeveelheden fructose en glucose, die via membraantransporters geresorbeerd worden en worden afgegeven aan de poortader die naar de lever loopt. Voor fructose en glucose zijn dit aan de apicale pool GLUT5 en SGLT1 en aan de basale pool GLUT2. In de lever worden beide monosachariden in de parenchymcellen via GLUT2 opgenomen (. figuur 3.21). Fructose sluit aan op de glycolyse ter hoogte van glyceraldehyde-3-fosfaat. Dit verloopt via een specifieke route langs ketohexokinase (gennaam = KHK), met vorming van fructose1-fosfaat. Dan klieft het eerder – bij de glycolyse besproken – in de lever werkzame aldolase B (ALDOB) deze suiker in dihydroxyacetonfosfaat en D-glyceraldehyde die wordt omgezet tot tot glyceraldehyde-3-fosfaat. Een verschil met het metabolisme van glucose is dat de lever vrijwel alle fructose uit het portale bloed opneemt en zeer snel omzet tot glycogeen of vetzuren, terwijl dit voor glucose langzamer en slechts gedeeltelijk gebeurt vanwege de invloed van insuline (Tappy & Lê, 2010). 3.5.1 Gevolgen van toegenomen sucrosegebruik

Het sucroseverbruik is met de menselijke beschaving de laatste vier eeuwen sterk toegenomen; dit door de uitvinding van methoden om sucroserijke planten (bieten, suikerriet) te telen en hieruit sucrose te zuiveren. Een ‘zoetekauw’, ‘iemand zoet houden’ en ‘zoetsappig’ zijn uitdruk-

3.5 • Metabolisme van fructose en galactose

103

kingen in onze taal die de goed smakende eigenschap van sucrose in vele vormen van voedsel, dranken en snoepgoed aangeven. Suiker is dan ook niet meer weg te denken uit de dagelijkse voeding van vele mensen (7 ook par. 11.6.1). Nu gaan we nader in op twee belangrijke gevolgen van sucrosegebruik, één voor de mondzorg en één voor de geneeskunde. Het eerste onderwerp (cariës) is een belangrijke oorzaak van de achteruitgang en uiteindelijk het verlies van gebitselementen. Het tweede onderwerp (obesitas) staat sterk in de belangstelling, gezien de snelle opmars van obesitas en overgewicht. Er bestaat een oorzakelijk verband tussen sucrose-inname met het voedsel en de proliferatie van bacteriën, zoals Streptococcus mutans in de mondholte, waarvan zich kolonies als een biofilm afzetten op de tandelementen en in de groeve tussen tand en tandvlees. De bacteriën produceren dextranen, die de kolonie fysische en chemische bescherming bieden. In de tandheelkunde spreekt men van tandplaque. Mineralen in het speeksel (calcium, fosfaten) zullen zich op deze plaque afzetten en deze verharden tot tandsteen, wat leidt tot regressie van het tandvlees en aantasting van het periodontium (periodontose en periodontitis), wat leidt tot verlies van tandelementen. Elke inname van sucrose leidt bovendien tot een golf van anaerobe glycolyse in de bacteriën en productie van zuren zoals melkzuur, die als afval terechtkomen in de extracellulaire ruimte. Dit geeft de zogeheten zuurstoot die de pH lokaal verlaagt, waardoor het mineraal in het tandglazuur (hydroxylapatiet) oplost. Hierdoor ontstaat erosie van de glazuurlaag en komen er gaatjes waardoor bacteriën kunnen doordringen tot de diepere weefsels: met noemt dit cariës. >>Preventie van deze problemen bestaat uit het vermijden van sucrose in het voedsel en het regelmatig verwijderen van tandplaque (poetsen, flossen) en tandsteen (mondhygiëne).

Een ander belangrijk probleem is de relatie tussen het sucroseverbruik en het ontstaan van metabool syndroom en obesitas. De in de lever gemetaboliseerde fructose heeft een sterke invloed op de aanmaak van nieuwe triglyceriden, wat leidt tot leververvetting (Tappy & Lê, 2010). Meer over dit onderwerp is te vinden in 7 par. 12.8. 3.5.2 Lactose is de voedingssuiker van zoogdierenmelk

Lactose (melksuiker) werd tijdens de evolutie van zoogdieren ‘gekozen’ als belangrijkste disacharide van de moedermelk. In de dunne darm van de zuigeling wordt deze disacharide ter hoogte van de luminale zijde van de microvilli van de mucosacellen enzymatisch verteerd door het enzym lactase (gennaam = LCT). Hierdoor ontstaan gelijke hoeveelheden galactose en glucose (. figuur 3.22), die door SGLT1 aan de apicale pool actief in de mucosacellen wordt geresorbeerd en daarna via GLUT2 aan de basale pool wordt afgegeven aan de bloedcirculatie die uitmondt in de vena porta. In de lever worden beide monosachariden via GLUT2 opgenomen. Galactose sluit op glycolyse aan via de Leloir-weg (. figuur 3.22), genoemd naar Louis Leloir (Nobelprijs voor Chemie 1970). Deze weg verloopt via galactokinase, dat galactose-1-fosfaat vormt. Van de twee paraloge menselijke genen bij de mens (GALK1 en GALK2) is de eerste de belangrijkste. Galactose wordt in de tweede stap van de ‘Leloir pathway’ overgedragen op een uridinedifosfaat; dit door uitwisseling van de fosfaatgroep op galactose-1-fosfaat met een UDPgroep van UDP-glucose. Het verantwoordelijke enzym is galactose-1-fosfaaturidyltranferase (gennaam = GALT). Tijdens de derde stap van de ‘Leloir-weg’ wordt de ruimtelijke configuratie van het vierde C-atooom van de hexose in UDP-galactose veranderd, zodat UDP-glucose ontstaat. Het

3

104

Hoofdstuk 3 • Glycolyse

3

. Figuur 3.22  De Leloir-weg van het metabolisme van lactose sluit aan op de glycolyse. Lactose (melksuiker) wordt aan de oppervlakte van het dunnedarmepitheel door het enzym lactase gesplitst in galactose en glucose. Beide monosachariden worden opgenomen door de lever en sluiten aan op de proximale glycolyse. Voor galactose vereist dit een specifieke transporter (rode bolletjes), galactokinase voor de suikerfosforylering en een weg die verloopt via enkele UDP-suikerverbindingen, waarbij glucose-1-fosfaat en galactose-1-fosfaat worden uitgewisseld en (vastzittend aan UDP) in elkaar worden omgezet. Het fosfoglucomutase zet glucose1-fosfaat om in glucose-6-fosfaat.

v­ erantwoordelijke enzym is UDP-galactose-4-epimerase (gennaam = GALE). Ten slotte zet het fosfoglucomutase (met als belangrijkste paraloog het levertype PGM1) glucose-1-fosfaat om in glucose-6-fosfaat. Toepassing Lactosetolerantie, fructosemie en galactosemie De lactose-inname houdt in de fysiologie van alle zoogdieren op na het spenen (vervanging van moedermelk door ‘vast voedsel’). Hiermee gepaard gaat de spontane en progressieve vermindering van de lactase-expressie in de dunnedarmmucosa. Een klein aantal etnische groepen van de mens (Kaukasiërs en sommige Afrikaanse stammen, de zogenoemde lactosetolerante volkeren) heeft echter mutaties ondergaan in de promotor van het lactase-gen, zodat de lactase-expressie hoog blijft, ook op volwassen leeftijd. Deze mensen hebben zich in feite genetisch aangepast aan de cultuur van het domesticeren van melkproducerend vee, waarin melk en melkproducten deel uitmaken van de voeding. De evolutie van het menselijke lactase-gen lijkt dus beïnvloed te zijn geweest door culturele factoren en dit proces heeft zich vrij recent afgespeeld (in de laatste tien millennia). Alle andere mensen (de meerderheid van de wereldbevolking) zijn als volwassenen lactose-intolerant en verteren de lactose niet. Het drinken van melk veroorzaakt bij deze mensen pijnlijke buikkrampen en diarree. Interessant in deze zaak is dat ook de melkeiwitten van de runderen die lactosetolerante volkeren hebben geselecteerd zijn geëvolueerd samen met het menselijke lactase-gen (Beja-Pereira et al., 2003). Er bestaan stofwisselingsziekten (‘inborn errors of metabolism’) van de aansluiting van fructose en galactose op de glycolyse. Een ernstige maar zeldzame aandoening is de

Literatuur

105

e­ rfelijke fructose-intolerantie – (alternatieve naam: fructosemie) – die veroorzaakt wordt door ‘loss of function’-mutaties in het ALDOB-gen (Bouteldja & Timson, 2010). Kinderen die met deze recessieve ziekte geboren worden, verdragen absoluut geen fructose of sucrose in het voedsel. Typisch is dat deze symptomen beginnen op het moment dat de zuigeling overschakelt van melkvoeding (lactose als suiker) op vaste voeding (fruitpap met daarin fructose). Hypoglykemie en zeer ernstige leverstoornis die leidt tot levercirrose is het gevolg als niet ingegrepen wordt. Een dieet zonder sucrose en fructose verbetert de symptomen op spectaculaire wijze. Deze ernstige ziekte dient onderscheiden te worden van de goedaardige essentiële fructosurie, die het gevolg is van een mutatie in het KHK-gen en waarbij de patiënt fructose in de urine uitscheidt. Ook voor galactose bestaat er een levensbedreigende stofwisselingsziekte, de galactosemie, die een gevolg is van inactiverende mutaties in het GALT-gen (Berry, 2012). In dit ziektebeeld is galactose (en dus ook lactose) zeer toxisch voor de pasgeborene. De symptomen zijn een gevolg van de opstapeling van galactose-1-fosfaat in de lever. Ook wordt de in het bloed circulerende galactose door het enzym aldosereductase gereduceerd tot galactitol. In de ooglens veroorzaakt de zich opstapelende galactitol op zeer jonge leeftijd staar (cataract). Bij deze kinderen is de moeder- of koemelk de oorzaak van de problemen. Een genetische screening voor mutaties in het galactose-1-fosfaaturidyltranferase-gen is aangewezen bij pasgeboren baby’s met een te grote lever (hepatomegalie) en andere symptomen, zoals hypoglykemie of geelzucht. Het is erg belangrijk om deze ziekte direct op te sporen, want een lactosevrij dieet verbetert de levensverwachting van de baby ingrijpend.

Literatuur Aragones, J., Schneider, M., Van Geyte, K., Fraisl, P., Dresselaers, T., Mazzone, M., et al. (2008). Deficiency or inhibition of oxygen sensor Phd1 induces hypoxia tolerance by reprogramming basal metabolism. Nat. Genet. 40, 170–180. Badet, C. & Thebaud, N.B. (2008). Ecology of lactobacilli in the oral cavity: a review of literature. Open. Microbiol. J. 2, 38–48. Beja-Pereira, A., Luikart, G., England, P.R., Bradley, D.G., Jann, O.C., Bertorelle, G., et al. (2003). Gene-culture ­coevolution between cattle milk protein genes & human lactase genes. Nat. Genet. 35, 311–313. Berry, G.T. (2012). Galactosemia: when is it a newborn screening emergency? Mol Genet Metab. 106, 7–11. Bollen, M., Hue, L. & Stalmans, W. (1983) Effects of glucose on phosphorylase and glycogen synthase in hepatocytes from diabetic rats. Biochem J. 210,783–787. Bouteldja, N. & Timson, D.J. (2010) The biochemical basis of hereditary fructose intolerance. J Inherit Metab Dis. 33, 105–112. Danial, N.N., Walensky, L.D., Zhang, C.Y., Choi, C.S., Fisher, J.K., Molina, A.J.A., et al. (2008). Dual role of proapoptotic BAD in insulin secretion & bèta-cell survival. Nature Medicine 14, 144–153. De Vos, A., Heimberg, H., Quartier, E., Huypens, P., Bouwens, L., Pipeleers, D. et al. (1995). Human & rat bèta-cells differ in glucose transporter but not in glucokinase gene expression. J Clin. Invest. 96, 2489–2495. DeBerardinis, R.J. (2008). Is cancer a disease of abnormal cellular metabolism? New angles on an old idea. Genet. Med. 10, 767–777. Donohue, T.M., Jr. (2007). Alcohol-induced steatosis in liver cells. World J. Gastroenterol. 13, 4974–4978. Froguel, P., Vaxillaire, M., Sun, F., Velho, G., Zouali, H., Butel, M.O., et al. (1992). Close linkage of glucokinase locus on chromosome-7P to early-onset non-insulin-dependent diabetes-mellitus. Nature. 356, 162–164. Ishiki, M. & Klip, A. (2005). Minireview: Recent developments in the regulation of glucose transporter-4 traffic: New signals, locations, & partners. Endocrinology 146, 5071–5078. Kasischke, K.A., Vishwasrao, H.D., Fisher, P.J., Zipfel, W.R. & Webb, W.W. (2004). Neural activity triggers neuronal oxidative metabolism followed by astrocytic glycolysis. Science 305, 99–103. Lieber, C.S. (2003). Relationships between nutrition, alcohol use, & liver disease. Alcohol Res. Health. 27, 220–231.

3

106

3

Hoofdstuk 3 • Glycolyse

Matsuzaki, T., Takagi, A., Ikemura, H., Matsuguchi, T. & Yokokura, T. (2007). Intestinal microflora: probiotics & autoimmunity. J. Nutr. 137, 798S–802S. Mazzone, M., Dettori, D., Leite, d. O., Loges, S., Schmidt, T., Jonckx, B., et al. (2009). Heterozygous deficiency of PHD2 restores tumor oxygenation & inhibits metastasis via endothelial normalization. Cell 136, 839–851. Nakamura, A., Terauchi, Y., Ohyama, S., Kubota, J., Shimazaki, H., Nambu, T., et al. (2009). Impact of small-molecule glucokinase activator on glucose metabolism & bèta-cell mass 1. Endocrinol. 150, 1147–1154. O’Brien, P.J. (2008). Cardiac troponin is the most effective translational safety biomarker for myocardial injury in cardiotoxicity. Toxicology. 245, 206–218. Otonkoski, T., Jiao, H., Kaminen-Ahola, N., Tapia-Paez, I., Ullah, M.S., Parton, L.E., et al. (2007). Physical exercise-induced hypoglycemia caused by failed silencing of monocarboxylate transporter 1 in pancreatic bèta-cells. Am. J. Hum. Genet. 81, 467–474. Pal, P. & Miller, B.G. (2009). Activating mutations in the human glucokinase gene revealed by genetic selection. Biochemistry 48, 814–816. Pares, X., Farres, J., Kedishvili, N. & Duester, G. (2008). Medium- & short-chain dehydrogenase/reductase gene & protein families: Medium-chain & short-chain dehydrogenases/reductases in retinoid metabolism. Cell Mol. Life Sci. 65, 3936–3949. Patel, A.B., Lai, J.C., Chowdhury, G.M., Hyder, F., Rothman, D.L., Shulman, R.G. & Behar, K.L. (2014). Direct evidence for activity-dependent glucose phosphorylation in neurons with implications for the astrocyte-to-neuron lactate shuttle. Proc Natl Acad Sci USA. 111, 5385–5390. Peng, G.S. & Yin, S.J. (2009). Effect of the allelic variants of aldehyde dehydrogenase ALDH2*2 & alcohol dehydrogenase ADH1B*2 on blood acetaldehyde concentrations. Hum. Genomics. 3, 121–127. Persson, B., Hedlund, J. & Jornvall, H. (2008). Medium- & short-chain dehydrogenase/reductase gene & protein families: the MDR superfamily. Cell Mol. Life Sci. 65, 3879–3894. Piskur, J., Rozpedowska, E., Polakova, S., Merico, A. & Compagno, C. (2006). How did Saccharomyces evolve to become a good brewer? Trends Genet. 22, 183–186. Russell, R.M. (1980). Vitamin A & zinc metabolism in alcoholism. Am. J. Clin. Nutr. 33, 2741–2749. Schuit, F., De, V.A., Farfari, S., Moens, K., Pipeleers, D., Brun, T., et al. (1997). Metabolic fate of glucose in purified islet cells. Glucose-regulated anaplerosis in bèta-cells. J. Biol. Chem. 272, 18572–18579. Schuit, F.C., Huypens, P., Heimberg, H. & Pipeleers, D.G. (2001). Glucose sensing in pancreatic bèta-cells - A model for the study of other glucose-regulated cells in gut, pancreas, & hypothalamus. Diabetes 50, 1–11. Shah, N.P. (2000). Probiotic bacteria: selective enumeration & survival in dairy foods. J. Dairy Sci. 83, 894–907. Tappy, L. & Lê, K.A. (2010). Metabolic effects of fructose and the worldwide increase in obesity. Physiol Rev. 90, 23–46. Van Schaftingen, E., Jett, M.F., Hue, L. & Hers, H.G. (1981). Control of liver 6-phosphofructokinase by fructose 2, 6-bisphosphate & other effectors. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America-Biological Sciences 78, 3483–3486. Van Schaftingen, E., Vandercammen, A., Detheux, M. & Davies, D.R. (1992). The regulatory protein of liver glucokinase. Adv. Enzyme Regulation 32, 133–148. Wang, J.C., Kapoor, M. & Goate, A.M. (2012). The genetics of substance dependence. Annu. Rev. Genomics Hum. Genet. 13, 241–261. Wenger, R.H. (2002). Cellular adaptation to hypoxia: O2-sensing protein hydroxylases, hypoxia-inducible transcription factors, & O2-regulated gene expression. FASEB J 16, 1151–1162. Yang, H. & Kaelin, W.G., Jr. (2001). Molecular pathogenesis of the von Hippel-Lindau hereditary cancer syndrome: implications for oxygen sensing. Cell Growth Differ. 12, 447–455. Yin, S.J. (1994). Alcohol dehydrogenase: enzymology & metabolism. Alcohol Alcohol Suppl. 2, 113–119.

107

Mitochondriale koolstofverbranding Samenvatting Hoofdstuk 4 behandelt de mitochondriale koolstofverbranding van voor de mens belangrijke brandstoffen. Mitochondria zijn katabool bijzonder actieve celorganellen die opgebouwd zijn uit twee membranen, een intermembraanruimte en de centraal gelegen matrix. We beginnen met de verbranding van pyruvaat die verloopt via de oxidatieve decarboxylering tot acetyl-CoA en de verbranding van deze laatste tot CO2 in de citroenzuurcyclus (Krebs-cyclus – beide gebeuren in de matrix). De citroenzuurcyclus werkt als een metabole cirkel met negen enzymatische reacties; hierbij ontstaan naast CO2 energierijke elektronen (NADH en FADH2) en GTP. Andere bronnen van acetyl-CoA ontstaan uit: 1.  vetzuren, dit na opname door de cel, vetuuractivatie, acylcarnitineimport en mitochondriale bèta-oxidatie; 2.  ketonlichamen, brandstof die de lever maakt uit vetzuren tijdens de vastende toestand 3.  aminozuren. De citroenzuurcyclus kan ook anabool werken als vertrekpunt voor de synthese van vetzuren, heem en aminozuren. Via anaplerose (bijvoorbeeld pyruvaatcarboxylase) worden verbruikte citroenzuurcyclusmetabolieten weer aangevuld.

4.1 Mitochondriën – 110 4.2 Oxidatieve decarboxylering – 113 4.2.1 Het pyruvaatdehydrogenasecomplex – 113 4.2.2 Regeling van het pyruvaatdehydrogenasecomplex – 116

4.3 Citroenzuurcyclus – 116 4.3.1 Algemeen – 116 4.3.2 Regeling van de flux van de citroenzuurcyclus – 120 4.3.3 Biosynthetische functies van de citroenzuurcyclus: anaplerose – 121 F. C. Schuit, Leerboek metabolisme, DOI 10.1007/978-90-368-0620-6_4, © 2015 Bohn Stafleu van Loghum, onderdeel van Springer Media BV

4

4.4 Bèta-oxidatie van vetzuren – 122 4.4.1 Vetzuuropname, vetzuuractivering en vetzuurimport in de ­mitochondriale matrix – 124 4.4.2 De eigenlijke bèta-oxidatie – 126 4.4.3 Ketonlichamen – 129 4.4.4 Peroxisomale vetzuuroxidatie – 131

4.5 Aminozuuroxidatie – 133 Literatuur – 135

Mitochondriale koolstofverbranding

109

In de meeste menselijke cellen wordt het in de glycolyse gevormde pyruvaat in de mitochondriën gedeeltelijk verder verbrand tot CO2. Deze vorm van de glycolyse noemt men de aerobe glycolyse, die wordt vervolgd door de mitochondriale koolstofverbranding. Dit laatste proces bestaat uit twee stappen die op elkaar aansluiten: 55 Oxidatieve decarboxylering; dit is de omzetting van pyruvaat tot acetyl-CoA. Deze katabole stap wordt uitgevoerd door een metabolon: het pyruvaatdehydrogenasecomplex. De reactie is irreversibel, want de mens is niet in staat om acetyl-CoA terug om te zetten in pyruvaat. De metabole flux die langs deze stap passeert, wordt daarom sterk geregeld. 55 Citroenzuurcyclus (Krebs-cyclus); dit is een metabole cirkel waarin acetyl-CoA binnentreedt en in negen stappen wordt geoxideerd tot twee moleculen CO2. Hierbij ontstaan naast een molecuul GTP ook drie moleculen NADH en één molecuul FADH2. De elektronenparen worden vervolgens afgestaan aan de ademhalingsketen, die onderdeel is van de oxidatieve fosforylering (7 par. 5.5). De citroenzuurcyclus dient ook voor koolstofverbranding van andere substraten dan glucose: 55 Bèta-oxidatie van vetzuren; in dit proces worden in de mitochondriale matrix opgenomen vetzuren verbrand tot acetyl-CoA. Dit katabole proces levert rechtstreeks geen ATP maar wel onrechtstreeks via FADH2 en NADH die aansluiten op de oxidatieve fosforylering (7 par. 5.5) en via acetyl-CoA die aansluit op de citroenzuurcyclus. 55 Oxidatie van ketonlichamen; in dit proces worden de ketonlichamen acetoacetaat en bètahydroxybutyraat opgenomen en in de mitochondriale matrix overgedragen op CoA; het hierdoor gevormde acetoacetyl-CoA wordt dan gekliefd in twee moleculen acetyl-CoA die mooi aansluiten op de citroenzuurcyclus. 55 Oxidatie van aminozuren; het koolstofskelet van de twintig in eiwitten gebruikte aminozuren kan in citroenzuurcyclus verbrand worden tot CO2. Dit gebeurt omdat het aminozuurskelet wordt omgebouwd tot ofwel pyruvaat, oxaloacetaat, of alfa-ketoglutaraat (dus de metabolieten van glycolyse en Krebs-cyclus; dit zijn de glucogene aminozuren), ofwel ketonlichamen (ketogene aminozuren). Aangezien tussenproducten de cyclus kunnen verlaten voor de synthese van aminozuren, vetzuren of porfyrines, is de cyclus gemengd katabool/anabool. Voor de anabole doeleinden moeten de citroenzuurcyclusmetabolieten worden aangevuld via anaplerose: dit gebeurt via de omzetting van pyruvaat tot oxaloacetaat. Dit hoofdstuk besteedt ook aandacht aan peroxisomale verbranding van bepaalde vetzuren ter voorbereiding van verdere koolstofverbranding in de mitochondria. Leerdoelen 55 inzicht verkrijgen in de werking van een metabolon; 55 begrip opbouwen van de werking van een metabole cyclus; 55 de verbranding van suikers, vetten en aminozuren kunnen integreren tot een geheel.

Studeeraanwijzing Dit hoofdstuk behandelt de aerobe verbranding van pyruvaat, vetzuren en aminozuren tot CO2, en daarmee de onmiddellijke voorloper van de oxidatieve fosforylering (7 par. 5.5). Er zijn aanknopingspunten met andere hoofdstukken (7 H. 3, 7, 8). De tijdsbesteding aan de kernleerstof van dit hoofdstuk wordt geschat op 10-12 uur.

4

110

Hoofdstuk 4 • Mitochondriale koolstofverbranding

4 . Figuur 4.1  Mitochondriën zijn eukaryote celorganellen die sterk gespecialiseerd zijn in het aerobe katabolisme van brandstoffen zoals pyruvaat, vetzuren en aminozuren. Het binnenste compartiment (de mitochondriale matrix) wordt van de buitenwereld afgescheiden via twee lipidenmembranen, de sterk isolerende binnenste membraan en de door poriën goed doorgankelijke buitenste membraan. De oppervlakte van de binnenste membraan is vergroot door talrijke kammen (cristae).

4.1 Mitochondriën

Bijna alle eukaryote cellen, dus ook de meeste cellen van het menselijk lichaam, bevatten mitochondriën (ook mitochondria genoemd). Dit zijn celorganellen die gespecialiseerd zijn in twee zeer belangrijke processen van het energiemetabolisme: 1. oxidatie van de koolstof van pyruvaat, vetzuren en aminozuren; 2. omzetting van de zo vrijgekomen verbrandingsenergie in ATP. In dit hoofdstuk wordt de oxidatie besproken; het volgende hoofdstuk bespreekt de ATPsynthese. Bijna alle zuurstof die de cellen nodig hebben om te leven wordt gebruikt door de mitochondriën. . Figuur 4.1 toont een schema van de ultrastructuur van een mitochondrium, zoals deze te zien is met de elektronenmicroscoop. Een mitochondrium bevat twee lipidenmembranen die de mitochondriale matrix afzonderen van de buitenwereld. Deze isolerende functie van de matrix is vooral te danken aan de binnenste membraan, die polaire moleculen alleen via selectieve transporteiwitten doorlaat. Door deze selectieve permeabiliteit is de protonenconcentratie in het cytoplasma tienmaal hoger dan in de matrix. Deze protonengradiënt is essentieel voor het koppelen van oxidatie van brandstof aan ATP-synthese. In tegenstelling tot de binnenste membraan is de buitenste membraan dankzij porievormende eiwitten doorgankelijk voor bijna alle kleine moleculen in het cytoplasma. De binnenste membraan is sterk golvend, zodat plooien of kammen in de matrix uitsteken. Deze kammen heten cristae en zorgen voor een oppervlaktevergroting van de binnenste membraan. De binnenste membraan is erg rijk aan integrale membraaneiwitten die zorgen voor de oxidatieve fosforylering. Dit uiterst belangrijke katabole proces bevat enerzijds een component van elektronentransport (de ademhalingsketen; in het Engels ‘respiratory chain’) en anderzijds een component van ATP-synthese. Bovendien bevat de binnenste membraan een aantal transporteiwitten die ervoor zorgen dat er een flux kan optreden van alle metabolieten die een rol spelen in het mitochondriale metabolisme. Voorbeelden hiervan zijn de acylcarnitinetransporter (vetzuuroxidatie), de adeninenucleotidetransporter (ATP/ADP-uitwisseling), en de malaat-aspartaat-transporter (malaat-aspartaat-shuttle).

4.1 • Mitochondriën

111

Horizon Hoe ontstaan mitochondriale netwerken? Daar waar de grootte en vorm van een mitochondrium klassiek worden voorgesteld als een worstvormig organel met een diameter van 1 micrometer en een lengte die enkele malen groter is dan de diameter (. figuur 4.1), zijn celbiologen tot de vaststelling gekomen dat deze ‘losstaande’ entiteiten eerder de uitzondering zijn omdat talrijke mitochondria met hun buitenste membranen versmelten tot een mitochondriaal netwerk. Deze versmelting is mogelijk door mitofusine, het product van twee non-allelische mitofusine-genen (Santel & Fuller, 2001). Mitofusine-2 kan de netwerking tussen mitochondria en endoplasmatisch reticulum met elkaar verbinden (De Brito & Scorrano, 2008). Een van de functionele gevolgen van deze interactie is de regeling van de cytoplasmatische calciumconcentratie. Een belangrijke en grotendeels onopgeloste vraag is wat het functionele voordeel is van een mitochondriaal netwerk ten opzichte van losse mitochondria. Er wordt gedacht aan de mogelijkheid dat een terugkerende cyclus van mitochondriale fusie en fissie kan bijdragen tot kwaliteitscontrole van de inhoud (Busch et al., 2014). Dit lijkt vooral relevant te zijn voor cellen die lang ‘meegaan’, zoals zenuwcellen en dwarsgestreepte spiercellen.

De door de binnenste membraan goed geïsoleerde matrix bevat de noodzakelijke enzymen voor de koolstofverbranding die in dit hoofdstuk besproken wordt. Gespecialiseerde paden zorgen voor de oxidatieve decarboxylering, de citroenzuurcyclus en de vetzuuroxidatie. Al deze enzymen worden gecodeerd door genen in het genoom van de celkern, zodat deze proteïnen na hun synthese door cytoplasmatische ribosomen via gestuurde translocatie naar de matrix moeten verhuizen. Anderzijds bevat de mitochondriale matrix enkele exemplaren van een 16,6 kilobasen lang cirkelvormig chromosoom: het mitochondriaal DNA (mtDNA). Dit genoom codeert bij de mens voor twee soorten rRNA, 22 tRNA’s en 13 mRNA’s (.  figuur 4.2) en verschilt qua organisatie zeer sterk van het nucleair genoom. Ten eerste bestrijkt de coderende informatie bijna 100% van het chromosoom, wat contrasteert met het grote aandeel niet-coderend DNA in het nucleair genoom. In een klein gebied in de H-streng is de coderende informatie zelfs overlappend, waarbij de genetische informatie op twee manieren wordt gelezen voor de productie van twee mRNA’s. Er zijn ook geen introns in de eiwitcoderende genen. Ten tweede is de genetische code voor de translatie van mitochondriaal gecodeerde mRNA’s iets verschillend van die van nucleair gecodeerde mRNA’s. Zeer opmerkelijk is de hybride situatie van de genexpressie: de ribosomen in de mitochondriale matrix zijn opgebouwd uit door de nucleus gecodeerde mitochondriale ribosoomeiwitten, samen met het door mtDNA gecodeerde mitochondriaal rRNA. De translatie vereist verder de volledige batterij tRNA’s (gecodeerd door het mtDNA), de activating enzymes en de initiatie- en elongatiefactoren (gecodeerd door het nucleair genoom). Proteoomanalyse heeft aangetoond (Mootha et al., 2003) dat een dierlijk mitochondrium bestaat uit meer dan vijfhonderd verschillende proteïnen en nog een paar honderd geassocieerde eiwitten. Opmerkelijk is dat slechts dertien van deze proteïnen (alle actief in de oxidatieve fosforylering; 7 par. 5.5) gecodeerd worden door het mtDNA. Genetisch bepaalde stoornissen van dit mtDNA geven aanleiding tot een waaier van mitochondriale ziekten (7 par. 5.11).

4

112

Hoofdstuk 4 • Mitochondriale koolstofverbranding

4

. Figuur 4.2  Schema van het 16,6 Kb humaan mitochondriaal genoom. Elk mitochondrium bevat gemiddeld enkele exemplaren van dit cirkelvormige chromosoom. Buitenste cirkel: H-keten, binnenste cirkel: L-keten. De dertien eiwitcoderende genen zijn verantwoordelijk voor subeenheden van complex I (ND1-ND6), complex III (cyt b), complex IV (CO1-CO3) en complex V (A6 en A8). Er zijn tRNA-genen voor alle twintig aminozuren; twee aminozuren hebben twee bijbehorende tRNA-genen. Verder codeert dit genoom voor de twee soorten rRNA die nodig zijn voor mitochondriale ribosomen.

Evolutie Endosymbiontenhypothese In feite lijken mitochondriën met hun dubbele membraan en hun eigen genoom en genexpressie-apparaat op aerobe prokaryotische cellen. Deze gelijkenis is een van de argumenten voor de endosymbiontenhypothese (Lang et al., 1999). Volgens deze hypothese stammen de huidige plantaardige en dierlijke cellen af van een oercel waarin een aerobe archebacterium is binnengedrongen in het cytoplasma van een anaerobe eukaryote cel. Beide partners van deze coalitie hadden voordeel bij de fusie: de bacterie kreeg in het cytoplasma een constant en beschermd milieu met waardevolle metabolieten; de anaerobe gastheercel kreeg door de aerobe machine van de prokaryoot een sterke verhoging van de ATP-synthese. Dergelijk wederzijds voordeel noemt men symbiose. Een bijzonder sterk eerste argument voor de juistheid van deze hypothese is dat de genetische code voor de translatie van de mRNA’s van het mtDNA iets verschilt van de code van alle nucleaire genomen van alle dieren en planten, maar beter lijkt op de code van de archebacteria. Ten tweede lijkt het ribosomaal RNA van mitochondria meer op bacterieel rRNA dan op eukaryotisch rRNA. Ten derde worden de eiwitten die mitochondriale ribosomen opbouwen gecodeerd door (weliswaar in de nucleus gelegen) genen die verschillen van de genen voor de in het cytoplasma gelegen ribosomen. Ten vierde hebben zowel bacteriën als mitochondriën twee membranen; hierbij verschilt de binnenste mitochondriale membraan qua chemische samenstelling erg sterk van alle andere biologische membranen van plantaardige en dierlijke cellen, terwijl deze samenstelling juist goed lijkt op die van de binnenste membraan van bacteriën. Ten vijfde ontstaan nieuwe mitochondria door een aseksueel delingsproces, de zogeheten binaire fissie; een vergelijkbaar mechanisme treedt op bij de deling van bacteriën. Een vergelijkbare endosymbiontenhypothese is aangehaald voor de oorsprong van de fotosynthetische chloroplasten in plantaardige cellen.

4.2 • Oxidatieve decarboxylering

113

Horizon Een gesneuvelde hypothese in verband met mitochondriaal DNA? De overerving van het fenotype dat een gevolg is van een mutatie in het mtDNA verloopt niet volgens de wetmatigheden van Mendel. Hiervoor zijn twee belangrijke redenen te bedenken. 1. Bij de mens zijn de mitochondria van het jonge embryo (en van alle lichaamscellen die hiervan afstammen) bijna uitsluitend afkomstig van de eicel. Hierdoor wordt het mtDNA vrijwel exclusief geërfd van de moeder. Vergelijking van mtDNA-sequenties van diverse etnische bevolkingsgroepen op aarde was aanleiding tot de in 1987 geformuleerde hypothese van de ‘mitochondriale Eva’. Alle mensen zouden volgens deze hypothese afstammelingen zijn van één vrouw die circa 200.000 jaar geleden ergens in Afrika leefde. Deze theorie is echter onjuist gebleken (Templeton, 2007). De foutieve interpretatie van gemeten mtDNA-polymorfismen kan te maken hebben met heterogeniteit in mutatiefrequenties of nog onbekende genoomherschikkingen (Hagelberg, 2003). Bovendien wordt de ‘mitochondriale Eva’-hypothese tegengesproken door schattingen van menselijke evolutie op basis van andere polymorfismen in het menselijk genoom. Een voorbeeld is de reconstructie van ‘ancestrale haplotypen’ binnen het HLA-systeem (Ayala, 1995) die tot een andere conclusie leidt, namelijk dat alle voorouders van de huidige mensen sinds miljoenen jaren binnen populaties van voldoende personen hebben geleefd om complexe en unieke combinaties van allelen (haplotypen) te bewaren voor een slagvaardig immuunsysteem. 2. Het feit dat één cel een paar duizend exemplaren van het mtDNA bevat. Immers, elk van de menselijke mitochondria bevat enkele mt-chromosomen. Als er een mutatie optreedt in het mtDNA, zullen de gemuteerde cellen doorgaans én normale én mutante exemplaren van het mtDNA bevatten. Een dergelijke toestand noemt men heteroplasmie en dit betekent dat cellen een mozaïcisme vertonen van mutante en normale allelen (Larsson & Clayton, 1995). Deze wijze van totstandkoming van een fenotype werd duidelijk uit een aantal ziekten die het gevolg zijn van mutaties in het mitochondriale DNA. Doorgaans zijn de symptomen van deze mitochondriale ziekten te vinden in afwijkingen van het centraal zenuwstelsel (doofheid, aantasting van de oogzenuw), maar ook vindt men ze in bepaalde vormen van suikerziekte (7 ook par. 5.11).

4.2 Oxidatieve decarboxylering 4.2.1 Het pyruvaatdehydrogenasecomplex

De mitochondriale oxidatie van glucosekoolstof en die van andere suikers zoals mannose, galactose en lactose begint met de opname van pyruvaat in de mitochondriale matrix. Vervolgens wordt een deel van dit pyruvaat geoxideerd tot acetyl-CoA. Dit proces wordt oxidatieve decarboxylering genoemd en wordt gekatalyseerd door het pyruvaatdehydrogenasecomplex. De reactie is:

pyruvaat + NAD + + CoA → acetyl − CoA + NADH + H + + CO 2

4

114

Hoofdstuk 4 • Mitochondriale koolstofverbranding

4

. Figuur 4.3  Reactieschema en structuur van het pyruvaatdehydrogenasecomplex. Links: De drie soorten enzymen van het metabolon zijn pyruvaatdehydrogenase (E1), transacetylase (E2) en dihydrolipoyldehydrogenase (E3). Thiaminepyrofosfaat (TPP) van E1 houdt het gedecarboxyleerde pyruvaat als hydroxyethylgroep vast en geeft deze door aan de lipoamidegroep, een co-enzym van E2. Hierbij ontstaat de acetylgroep (onderaan), die wordt overgedragen aan co-enzym A. De mobiele arm van het gereduceerde lipoamide zwenkt vervolgens naar E3, waar deze weer geoxideerd wordt. Ten slotte staat het gereduceerde E3 zijn elektronenpaar af aan NADH. Rechts: het complex is opgebouwd als een kubische kern van 24 E2-subeenheden (Mattevi et al., 1992); op elk vlak van acht subeenheden ligt een zesring van E1; een dimeer van E3 bevindt zich in elk van de zes E1-ringen. Door deze geometrie hebben de E2-subeenheden maximaal contact met elkaar en met E1 en E3.

Deze reactie lijkt eenvoudig, misschien analoog aan de oxidatie van lactaat tot pyruvaat, maar dit is zeer zeker niet het geval. In feite wordt de irreversibele oxidatie van pyruvaat tot acetylCoA waargenomen door een meer complexe opeenvolging van drie reacties waarin eerst pyruvaat, dan CoA en dan pas NAD+ worden verbruikt, terwijl als gescheiden producten van drie reacties eerst CO2, dan acetyl-CoA en dan pas NADH vrijkomt. Deze opeenvolgende serie reacties wordt gekatalyseerd door drie soorten subeenheden (. figuur 4.3): 1. het eigenlijke pyruvaatdehydrogenase (E1), dat pyruvaat decarboxyleert; 2. een transacetylase (E2), dat het gedecarboxyleerde substraat doorgeeft aan co-enzym A; hierbij wordt het substraat geoxideerd zodat twee energierijke elektronen vrijkomen; 3. een lipoyldehydrogenase (E3) dat de energierijke elektronen afgeeft aan NAD+. De stoichiometrische verhouding E1:E2:E3 in het complex is 2:2:1. Echter de omvang van het complex is zelfs in bacteriën enorm. Inderdaad zijn maar liefst zestig verschillende subeenheden

4.2 • Oxidatieve decarboxylering

115

via niet-covalente krachten aan elkaar verbonden in een quaternaire structuur (. figuur 4.3): 24 pyruvaatdehydrogenasen, 24 transacetylasen en 12 lipoyldehydrogenasen. De precieze ruimtelijke ordening is essentieel voor de taakverdeling, wat goed past bij het idee dat we hier te maken hebben met een groot metabolon (voor een definitie 7  par.  2.8.4). Het mechanisme van de katalyse is geconserveerd van bacterie tot mens en wordt schematisch weergegeven in . figuur 4.3. Kort samengevat verloopt de reactie als volgt: 1. De eigenlijke decarboxylering wordt uitgevoerd door het pyruvaatdehydrogenase (E1), dat een CO2-groep van het pyruvaat losmaakt. Op eiwitniveau bestaat E1 als een heterotetrameer met twee alfa- en twee bèta-subeenheden. Op genniveau zien we voor de alfasubeenheden paralogen (PDHA1 en PDHA2). Tijdens de katalyse wordt de C3-structuur van het substraat ingekort met één koolstofatoom. Hierbij wordt het gedecarboxyleerde reactieproduct tijdelijk covalent vastgebonden op thiaminepyrofosfaat (TPP), het co-enzym van E1. Na deze reactie zit er dus een hydroxyethylgroep gebonden aan TPP, terwijl het eerste product van de reactie (CO2) is vrijgekomen. 2. Het dihydrolipoamide S-acetyltransferase (E2 – gennaam = DLAT) gaat vervolgens met een lange en zwenkende redoxarm deze hydroxyethylgroep ophalen uit het actieve centrum van E1, via lipoamide dat covalent gebonden zit aan het meest beweeglijke domein van E2. Tijdens de overdracht van substraat van E1 naar E2 is het lipoamide gereduceerd en de hydroxyethylgroep geoxideerd tot een acetylgroep. De lipoamide-arm beweegt dan met zijn substraat naar de kern van E2 (de actieve site van het transacetylase, die gelegen is op de interface tussen de E2-subeenheden). Hier ligt het tweede substaat, co-enzym A, te wachten. 3. De volgende stap is de transfer van de acetylgroep van E2 naar CoA. Hierbij ontstaat acetyl-CoA, het tweede product van de reactie. 4. Het lipoamide is gereduceerd en moet worden geoxideerd om weer een nieuwe ronde van katalyse te kunnen beginnen. Hiervoor moet de lange lipoamide-arm van het centrum van E2 zwenken naar de oppervlakte van het complex, waar hij in contact komt met de actieve site van E3 (. figuur 4.3). E3, het dihydrolipoamide dehydrogenase, (gennaam = DLD) neemt een elektronenpaar van lipoamide af en draagt dit over op FAD, dat wordt gereduceerd tot FADH2. 5. E3 keert ten slotte terug tot de begintoestand door het elektronenpaar af te geven aan NAD+; hierbij ontstaat NADH, het derde product van de reactie. Na deze reactie is een volledige cyclus doorlopen en kan E1 weer een nieuw molecuul pyruvaat opnemen (. figuur 4.3). De binding van het gedecarboxyleerde pyruvaat op een flexibele arm die van enzym 1 naar enzym 3 beweegt, zal zeker bijdragen tot een snelle katalyse. Het is niet moeilijk zich in te beelden dat dit metabolon veel sneller werkt dan een situatie waarin losse enzymen dezelfde reacties uitvoeren. Immers, in die laatste toestand moeten alle intermediaire metabolieten en cofactoren via diffusie de actieve site van het relevante enzym bereiken. Bij de mens is het pyruvaatdehydrogenasecomplex nog ingewikkelder dan in bacteriën en het bestaat uit meer dan honderd polypeptideketens, die ook onderverdeeld kunnen worden in E1, E2 en E3. Bovendien bevat dit complex bij de mens een van de paralogen van een specifiek pyruvaatdehydrogenasekinase (PDK1 tem PDK4), dat de alfa-subeenheden van E1 fosforyleert, en een PDH-fosfatase, dat de gefosforyleerde alfa-subeenheden weer defosforyleert. Om de betekenis hiervan te begrijpen, wordt verwezen naar 7 par. 4.2.2.

4

116

Hoofdstuk 4 • Mitochondriale koolstofverbranding

4 . Figuur 4.4  Regeling van pyruvaatdehydrogenase gebeurt via fosforylering/defosforylering van het enzym, waarbij de gefosforyleerde vorm (open bol) actief is. De regulatie van de verantwoordelijke kinasen (PDK1 tem PDK4) door allosterie en door genexpressie is complex (Sugden & Holness, 2006). Het activerende PDH-fosfatase met twee paralogen (PDP1 en PDP2), dat de fosfaatgroep van E1 verwijdert, wordt allosterisch aangezet wanneer insuline op zijn receptor bindt, wat leidt tot een stijging van de cytoplasmatische calciumconcentratie.

4.2.2 Regeling van het pyruvaatdehydrogenasecomplex

Het pyruvaatdehydrogenasecomplex controleert een zeer belangrijke metabole beslissing die bij de mens irreversibel is. Na deze stap kan er met acetyl-CoA het volgende gebeuren: 55 verdere verbranding tot CO2 in de Krebs-cyclus; 55 synthese van vetzuren, cholesterol of ketonlichamen. Het is dus niet verwonderlijk dat de decarboxylering van pyruvaat sterk gecontroleerd wordt. De controle gebeurt in feite zoals bij het pyruvaatkinase (7 par.  3.4.1), door een proces van omkeerbare eiwitfosforylering (. figuur 4.4). De fosforylering grijpt plaats op een serineresidu van de alfa-ketens van het menselijk pyruvaatdehydrogenase (E1) en schakelt de katalytische activiteit uit. De vier verschillende paralogen van het PDH-kinase (PDK1 tem PDK4) vertonen weefselspecifieke expressie en subtiele verschillen in regeling. Algemeen genomen wordt de activiteit van PDK allosterisch gestimuleerd door een hoge ATP/ADP-en/of acetyl-CoA/CoAen/of NADH/NAD+-ratio. Hierdoor is de activering van pyruvaatdehydrogenase een ingewikkelde metabole schakelaar die reageert op de energy charge van de cel, de redoxtoestand en de hoeveelheid reactieproduct. De defosforylering van E1 is het werk van een specifiek PDH-fosfatase; hierdoor wordt het PDH-complex geactiveerd (.  figuur 4.4). Het pyruvaatdehydrogenasefosfatase (PDP1 en PDP2) wordt geactiveerd door Ca2+-ionen en in de skeletspieren, vetcellen en de lever door de binding van insuline op de insulinereceptor; dit dankzij tussenkomst van een specifieke regulatorsubeenheid (PDPR). 4.3 Citroenzuurcyclus 4.3.1 Algemeen

De citroenzuurcyclus of Krebs-cyclus (met in het Engels ook vaak de naam TCA-cycle) bestaat uit negen enzymatische stappen (. figuur 4.5), waarbij er een acetyleenheid (= C2) volledig verbrand wordt tot CO2 en H2O. Een aanzienlijke hoeveelheid van de vrijgekomen energie wordt gerecupereerd in de vorm van chemische dragers van energierijke elektronenparen (NADH,

4.3 • Citroenzuurcyclus

117

. Figuur 4.5  Overzicht van de Krebs-cyclus, genoemd naar de ontdekker, Hans Krebs. Door gebrek aan ruimte zijn de gennamen van de enzymen (blauw) niet in het figuur opgenomen. Acetyl-CoA treedt deze cyclus bovenaan binnen. In een condensatie met oxaloacetaat ontstaat citraat, een tricarboxylzuur. Na de isomerisatie tot isocitraat treden twee oxidatieve decarboxyleringen op die het koolstofskelet reduceren tot C4 (succinyl-CoA). De rest van de cyclus leidt tot de recyclage van oxaloacetaat. Tijdens één ronde worden er twee koolstofatomen (dus evenveel als de binnentredende acetylgroep) volledig verbrand tot CO2 en hierbij ontstaan vier energierijke elektronenparen (groen) en één GTP (rood). De omkeerbare en niet-omkeerbare stappen zijn aangeduid met respectievelijk blauwe en rode pijlen. De laatste zijn voorwerp van metabole fluxcontrole. Alle getoonde enzymen en metabolieten maken deel uit van de matrix, behalve succinaatdehydrogenase, dat als enige enzym van de citroenzuurcyclus in de binnenste mitochondriale membraan zit als deel van complex II van de ademhalingsketen.

FADH2) en energierijk fosfaat (GTP). De cyclus kan eenvoudig worden voorgesteld als een condensatie van een C2-eenheid (acetylgroep) met een C4-eenheid (oxaloacetaat) tot een C6eenheid (citraat), die in acht stappen wordt afgebroken tot de oorspronkelijke C4-eenheid. De acetylgroep wordt door een volledige cyclus omgezet in twee CO2-groepen, waarvoor er vier verschillende dehydrogenasen nodig zijn (de acetylgroep is meer gereduceerd dan CO2). Drie van die vier dehydrogenasen bevatten NAD+ als prosthetische groep; de vierde gebruikt FAD. Deze enzymen genereren dus energierijke elektronen, die vanuit de mitochondriale matrix overgedragen worden aan de binnenste mitochondriale membraan, waar de eiwitten van de elektronentransportketen liggen (7 par. 5.5).

4

118

Hoofdstuk 4 • Mitochondriale koolstofverbranding

De cyclus is het eindstation voor de verbranding van acetyl-CoA van diverse oorsprong (glucose en andere suikers, vetzuren, ketonlichamen, aminozuren). Een overzicht van de negen reacties van de citroenzuurcyclus is te zien in . figuur 4.5. Pioniers

4

Hans Krebs De citroenzuurcyclus wordt Krebs-cyclus genoemd naar de ontdekker, Hans Krebs (19001981). Krebs studeerde eerst geneeskunde en vervolgens werd hij aan het Kaiser-WilhelmInstitut für Biologie in Berlijn assistent van Otto Warburg, de ontdekker van NAD, FAD en de ademhalingsketen. Hans Krebs bedacht in 1930 dat de synthese van ureum door de lever gebaseerd is op een metabole cyclus. In 1933 werd zijn academische positie door de nazi’s afgeschaft. In 1934 verliet hij Duitsland om in Cambrigde biochemie te gaan studeren; later werd hij hoogleraar in Oxford. Het concept van een metabole cyclus is een van de grootste ontdekkingen van metabole paden geweest. De experimentele waarneming die aan de basis ligt van dit idee was dat toevoeging van kleine hoeveelheden van een van de metabolieten aan het gezuiverde systeem een disproportioneel groot effect heeft op de verbranding van acetyl-CoA. In 1953 ontving Krebs voor zijn werk de Nobelprijs voor Geneeskunde/ Fysiologie.

We zullen nu de negen enzymatische stappen van de cyclus bespreken. zz 1. Condensatie van acetyl-CoA met oxaloacetaat

De geactiveerde acetylgroep van acetyl-CoA wordt in deze stap aan het dicarboxylzuur oxaloacetaat gehecht waardoor citraat ontstaat. Deze reactie wordt gekatalyseerd door citraatsynthase (gennaam = CS) en is een exergonische reactie omdat acetyl-CoA een energierijke binding is die in de reactie wordt verbroken:

oxaloacetaat + acetyl – CoA → citraat + CoA zz 2/3. Isomerisatie van citraat tot isocitraat

Stappen 2 en 3 van de Krebs-cyclus worden door hetzelfde enzym, aconitase, dat werkt als een isomerase, gekatalyseerd. Het enzym dankt zijn naam aan het tussenproduct van de isomerisatie, het cis-aconitaat, dat een dehydratatieproduct is van citraat. De isomerisatie verloopt dus via een dehydratatie-rehydratatiereactie, waarbij de posities van een –H- en een –OH-groep onderling van plaats wisselen. Beide reacties zijn goed omkeerbaar (.  figuur 4.5). Er bestaan bij mens en andere vertebraten twee paraloge genen: ACO1 en ACO2.

zz 4. Eerste oxidatieve decarboxylering

Het enzym isocitraatdehydrogenase katalyseert de eerste oxidatieve decarboxylering van de citroenzuurcyclus (. figuur 4.5). Hierbij wordt het C6-tricarboxylzuur isocitraat ingekort tot het C5dicarboxylzuur alfa-ketoglutaraat (ook wel 2-oxoglutaraat genoemd). Deze reactie verloopt via een geoxideerd tussenproduct, het oxalosuccinaat, waarvan CO2 afgesplitst wordt. De reactie is:

isocitraat + NAD + → alfa − ketoglutaraat + CO 2 + NADH + H + Er bestaan bij de mens drie paraloge isocitraatdehydrogenase genen waarvan de gecodeerde eiwitten samen werken in een heterotetrameer van twee alfa-subeenheden (IDH3A), één bètasubeenheid (IDH3B) en één gamma subeenheid (IDH3C).

119

4.3 • Citroenzuurcyclus

zz 5. Tweede oxidatieve decarboxylering

Nu volgt een stap die bijzonder veel lijkt op de oxidatieve decarboxylering van pyruvaat. Het alfa-ketoglutaraat-dehydrogenasecomplex (2-oxoglutaraat-dehydrogenasecomplex) gaat het koolstofskelet van alfa-ketoglutaraat verder reduceren tot C4-dicarboxyl zuursuccinaat, dat tegelijkertijd wordt overgedragen op co-enzym A. Net als bij de oxidatieve decarboxylering van pyruvaat, worden hierbij CO2 en NADH gevormd. De opbouw van het complex doet heel sterk denken aan die van het pyruvaatdehydrogenasecomplex (Patel & Harris, 1995). Weer hebben we te maken met een groot metabolon met zestig subeenheden van drie soorten: E1 (alfaketoglutaraat-dehydrogenase, met als paralogen OGHD en OGHDL), E2 (dihydrolipoamide S-succinyltransferase, gennaam = DLST) en E3 (dihydrolipoamide dehydrogenase, gennaam = DLD, dus hetzelfde gen als in de oxidatieve decarboxylering van pyruvaat). Het reactiemechanisme is goed vergelijkbaar met dat in .  figuur  4.3, maar het eerste substraat en tweede reactieproduct verschillen in detail van de oxidatieve decarboxylering van pyruvaat. De totale reactie wordt als volgt samengevat:

α − ketoglutaraat + CoA + NAD + → CO 2 + succinyl − CoA + NADH + H + zz 6. Fosforylering op substraatniveau

De energierijke thio-esterbinding tussen CoA en succinaat wordt in deze stap gebruikt om een GTP-molecuul te genereren. Het verantwoordelijke enzym succinaat-CoA ligase katalyseert de reactie die genoemd is naar de omgekeerde richting. Het enzym bestaat uit alfa- en bètasubeenheden, die gecodeerd worden door de SUCLG1- en SUCLG2-genen. Hierdoor ontstaan dus vrij CoA, succinaat en GTP:

succinyl − CoA + Pi +GDP  succinaat + CoA + GTP GTP heeft eenzelfde energie-inhoud als ATP en kan er in één stap in worden omgezet door de reactie van een van de zeven paralogen van het enzym nucleosidedifosfokinase (NME1 tem NME7):

GTP + ADP → GDP + ATP

Door toedoen van succinaat-CoA ligase is de C6-eenheid (die ontstaan was uit een C2-C4-condensatie) dus alweer omgezet in een C4-eenheid. De volgende drie stappen (oxidatie, hydratatie en een tweede oxidatie) zorgen voor een recycling van het oorspronkelijk C4-beginproduct (oxaloacetaat). zz 7. Oxidatie

De eerste van deze drie stappen is de oxidatie van succinaat tot fumaraat door het succinaatdehydrogenasecomplex dat deel uitmaakt van complex II van de oxidatieve fosforylering (7 par. 5.5) en dat energierijke elektronen laat ontstaan in de vorm van FADH2. Het eigenlijke enzym bestaat uit vier verschillende – niet paraloge – subeenheden, waarvan er twee de katalytische kern vormen (SDHC en SDHD) en twee de redoxelektronen laten stromen naar FAD (SDHA, een FAD-bevattend flavoproteïne; SDHB, een ijzerzwavel redoxeiwit). Vanwege de SDHA- en SDHB-subeenheden is succinaatdehydrogenase het enige enzym van de citroenzuurcyclus dat als integraal eiwit vastzit in de binnenste mitochondriale membraan. Het tweede reactieproduct, fumaraat, heeft een trans-onverzadigde C=C-binding gekregen (. figuur 4.5) en gaat nu de eindfase van de citroenzuurcyclus in.

4

120

Hoofdstuk 4 • Mitochondriale koolstofverbranding

zz 8. Hydratatie

Het enzym fumaraathydratase (alternatieve naam fumarase; gennaam = FH) zorgt vervolgens voor een hydratatie van fumaraat, waarbij er malaat gevormd wordt. De additie van –H en –OH is stereospecifiek, zodat alleen L-malaat gevormd wordt.

zz 9. Tweede oxidatie

4

L-malaat wordt ten slotte door malaatdehydrogenase geoxideerd tot oxaloacetaat. In deze redoxreactie, waarvan het mechanisme goed te vergelijken is met dat van lactaatdehydrogenase, is NAD+ de elektronenacceptor. Het verantwoordelijke gen is MDH2; de paraloog MDH1 codeert voor een cytoplasmatisch gelegen enzym dat oxaloacetaat in het cytoplasma reduceert tot malaat. Dit enzym speelt een rol in de citraatpyruvaat-shuttle (7 par. 7.2.3). De nettoreactie van een volledige ronde van de citroenzuurcyclus is:

acetyl − CoA + 3 NAD + + FAD + GDP + Pi + 2 H 2 O → 2 CO 2 + CoA + 3 NADH + FADH 2 + GTP + 2 H + De energieoverdracht gebeurt dus vooral in de vorm van vier energierijke elektronenparen van reactieproducten in de cyclus naar elektronencarriers (driemaal NAD+ en eenmaal FAD). Slechts één energierijke fosfaatbinding wordt in dit stadium gevormd. 4.3.2 Regeling van de flux van de citroenzuurcyclus

Het in de mitochondriale matrix gevormde acetyl-CoA kan twee kanten uit: 55 verder verbruik in de mitochondriën (verbranding in de citroenzuurcyclus); 55 export naar het cytosol, waar het zal dienen als bouwsteen voor de vetzuur- of cholesterolbiosynthese. De beslissing welke kant acetyl-CoA op zal stromen, hangt in hoge mate af van de energy charge van de cel: is er voldoende energie, dan zal het acetyl-CoA verbruikt worden voor de vetzuurof cholesterolbiosynthese; is er integendeel te weinig energie in de cel, dan zal de activiteit van de Krebs-cyclus verhoogd worden. De volgende elementen zijn relevant (. figuur 4.6): 55 NAD+ en FAD zijn stoichiometrisch nodig om de cyclus te doen draaien. Deze elektronendragers worden in de matrix verbruikt door de Krebs-cyclus en gerecycled door de oxidatieve fosforylering. We zullen in het volgende hoofdstuk zien dat de flux van de oxidatie in de ademhalingsketen gekoppeld is aan die van de ATP-productie, waarbij deze laatste weer is afgestemd op de ATP-behoefte. Een intense oxidatieve fosforylering betekent snelle regeneratie van NAD+ en FAD en een groot verbruik door de dehydrogenasen van de Krebs-cyclus. 55 Sommige enzymen van de cyclus worden bovendien allosterisch gecontroleerd. Het isocitraat dehydrogenase wordt allosterisch geremd door ATP en geactiveerd door ADP (hoge ADP-concentraties betekent energietekort in de cel, dus de noodzaak van een hogere turn-over in de Krebs-cyclus). Het alfa-ketoglutaraat-dehydrogenasecomplex lijkt niet alleen qua subeenheden en reactiemechanismen op het pyruvaatdehydrogenasecomplex, maar heeft ook analoge allosterische eigenschappen. Zo is er ook hier sprake van een allosterische feedbackinhibitie door de reactieproducten NADH en succinyl-CoA, en van een bijkomende inhibitie door ATP. Ten slotte worden de vier dehydrogenasen geactiveerd door een verhoging van de calciumconcentratie in de mitochondriale matrix.

121

4.3 • Citroenzuurcyclus

. Figuur 4.6  De allosterische controle van metabole flux in de citroenzuurcyclus gebeurt ter hoogte van de onomkeerbare reacties (rode pijlen). Belangrijk is de controle van de drie oxidatieve decarboxyleringen (de aanmaak van acetyl-CoA en de omzetting van isocitraat tot succinyl-CoA). Deze drie reacties worden allosterisch geremd door ATP en NADH. Verder leidt het opgebruiken van NAD+ en FAD door trage oxidatieve fosforylering tot het stilvallen van de citroenzuurcyclus.

4.3.3 Biosynthetische functies van de citroenzuurcyclus: anaplerose

Het is belangrijk om zich te realiseren dat gedurende het doorlopen van één volledige ronde van de citroenzuurcyclus er niets van de tussenproducten wordt verbruikt; er komt ook niets aan intermediaire producten bij door acetyl-CoA in de cyclus te brengen; deze wordt gewoon verbrand. De citroenzuurcyclus kan echter koolstofskeletten leveren voor diverse biosynthetische wegen (. figuur 4.7). Zo wordt het koolstofskelet van alfa-ketoglutaraat en dat van oxaloacetaat gebruikt voor de biosynthese van diverse aminozuren. Daarnaast dient succinyl-CoA als uitgangspunt voor de biosynthese van porfyrinen en wordt citraat gebruikt als voorloper voor de synthese van vetzuren. Om voor het verlies van tussenproducten van de citroenzuurcyclus te compenseren, beschikt het mitochondrium over een speciaal enzym dat als taak heeft de voorraad tussenproducten op te vullen. Er is inderdaad een minimale (katalyserende) hoeveelheid tussenproducten nodig om de cyclus mogelijk te maken; zonder dit enzym zou de cyclus stilvallen door uitputting van de metabolieten (dit fenomeen lag ook aan de basis van de ontdekking van de cyclus door Hans Krebs). Het verantwoordelijke enzym voor het ‘bijvullen’ van de Krebs-cyclus met nieuwe metabolieten heet pyruvaatcarboxylase (gennaam = PC). Het zorgt ervoor dat pyruvaat via een carboxylatiestap wordt omgezet in oxaloacetaat. De reactie kost de energie van een ATP; het enzym wordt allosterisch geactiveerd door acetyl-CoA.

pyruvaat + CO 2 + ATP → oxaloacetaat + ADP + Pi Vanwege het ‘aanvullende’ doel wordt deze metabole stap anaplerose genoemd.

4

122

Hoofdstuk 4 • Mitochondriale koolstofverbranding

4

. Figuur 4.7  Anaplerose compenseert voor kataplerose van metabolieten van de citroenzuurcyclus. Een belangrijke vorm van anaplerose verloopt via het enzym pyruvaatcarboxylase (groene pijl), waarbij pyruvaat wordt omzet in oxaloacetaat (acetyl-CoA is een allosterische activator). Merk op dat dit fundamenteel verschillend is van de pyruvaatdecarboxylering via het PDH-compex tot acetyl-CoA; dit kan de Krebs-cyclus niet aanvullen met metabolieten, maar enkel koolstof doen verbranden. Metabolieten van de citroenzuurcyclus zijn immers ook voorlopers van diverse biomoleculen zoals aminozuren, vetzuren en heem en verdwijnen via kataplerose (rode pijlen).

. Figuur 4.8  De bèta-oxidatie van vetzuren is verbonden met de citroenzuurcyclus en de oxidatieve fosforylering. Het proces start met de opname van acyl-CoA-moleculen in de mitochondriale matrix via het acylcarnitine-importsysteem (rechtsboven). De bèta-oxidatie gebeurt in de matrix en zorgt voor een re-iteratie van een dubbele oxidatie en keteninkorting. De oxidatie levert FADH2-en NADH-elektronen voor de oxidatieve fosforylering (7 par. 5.5) en de keteninkorting levert acetyl-CoA, die verder verbrand wordt in de Krebs-cyclus.

4.4 Bèta-oxidatie van vetzuren

Niet alleen de koolstofatomen van glucose, maar ook die van vetzuren kunnen volledig in de mitochondriale matrix worden verbrand. Het eindstadium van deze verbranding is de hiervoor besproken Krebs-cyclus; om hierop te kunnen aansluiten, moeten vetzuren eerst afgebroken worden tot acetyl-CoA (. figuur 4.8). Dit gebeurt vooral in de mitochondriale matrix via het proces van bèta-oxidatie. Daarnaast is er ook de peroxisomale vetzuuroxidatie die in 7 par. 4.4.4 wordt besproken.

4.4 • Bèta-oxidatie van vetzuren

123

De mitochondriale bèta-oxidatie van vetzuren is een re-iteratief proces dat vertrekt van een gereduceerde vetzuurketen die in drie stappen wordt geoxideerd tot een 2-ketozuur, gevolgd door een klievingsreactie die acetyl-CoA oplevert en een met twee koolstofatomen gereduceerde ketenlengte van het vetzuur. Deze laatste kan opnieuw worden geoxideerd en ingekort. De oxidatie levert energierijke elektronenparen voor de oxidatieve fosforylering en de acetylCoA wordt verder geoxideerd in de citroenzuurcyclus. Pioniers Franz Knoop De bèta-oxidatie van vetzuren werd als concept bedacht door de Duitser Franz Knoop, die in 1904 als eerste een in-vivo-experiment van metabole merking deed bij proefdieren. Knoop voedde kleine hoeveelheden met een benzeenring gemerkt vetzuur aan honden. De benzeenring wordt niet door het organisme gemetaboliseerd, maar als afvalstof in de urine uitgescheiden.

Merking van vetzuren met een fenylgroep door Franz Knoop (1875-1946) gaf aanwijzingen over de wijze van vetzuuroxidatie die in het organisme plaatsvindt ter hoogte van de (met rood aangeduide) C-C-bindingen. Deze oxidatie accentueert zich ter hoogte van het bèta-koolstofatoom van de vetzuurketen, zodat per ronde van bèta-oxidatie een C2-eenheid wordt afgesplitst.

De opmerkelijke vaststelling was de volgende regelmaat (zie figuur): wanneer het aan benzeen verbonden vetzuur een oneven aantal koolstofatomen had, werd in de urine benzoëzuur gemeten. Wanneer het aan de honden gevoede fenylvetzuur een even aantal C-atomen bezat, werd fenylacetaat teruggevonden. Deze observaties waren te verklaren met een oxidatiepatroon op basis van verwijdering van twee koolstofatomen per keer, beginnende bij de pijl met nummer 1 in het figuur. Per ronde van de zogeheten bèta-oxidatie wordt een C2-eenheid (acetyl-CoA) gevormd. Knoop redeneerde dat wanneer het organisme opeenvolgende oxidaties van de binding tussen het tweede en derde koolstofatoom (tellend vanuit de carboxylgroep) uitvoert, er een ‘rest’ aan de fenylgroep overblijft die, overeenkomstig met de waarnemingen, wordt uitgescheiden. Dit was de basis van het idee van de bèta-oxidatie (1905). Later pas werd dit werk verder bevestigd door de ontdekking van de enzymen en metabolieten. We zullen in de volgende paragraaf (7 par. 4.4.1) zien dat de bèta-oxidatie bestaat uit opeenvolgende cycli van telkens vier enzymatische stappen en wordt genoemd naar het bèta-koolstofatoom van de vetzuurketen dat geoxideerd wordt tot een ketogroep. De alfaen omega-oxidatie bestaan ook, maar zijn kwantitatief minder belangrijk voor de energiehuishouding van de cel.

4

124

Hoofdstuk 4 • Mitochondriale koolstofverbranding

4.4.1 Vetzuuropname, vetzuuractivering en vetzuurimport

in de mitochondriale matrix

4

De vetzuurverbranding vindt plaats in de mitochondriale matrix en vertrekt van acyl-CoA. Anderzijds neemt de cel vrije vetzuren op vanuit de extracellulaire ruimte. Er liggen vier stappen tussen de beschikbaarheid van vrije vetzuren in de extracellulaire ruimte en de beschikbaarheid van vetzuren voor verbranding (bèta-oxidatie en Krebs-cyclus) in de mitochondriale matrix. 1. Opname van het ‘vrije vetzuur’ door de cel.  In de bloedbaan circuleren ‘vrije vetzuren’ niet

vrij, maar gebonden aan eiwitten zoals albumine. Hoe de vetzuren passeren door de plasmamembraan van de extracellulaire ruimte naar het cytoplasma wordt nog altijd niet begrepen. Een hele batterij verschillende eiwitten lijkt bij dit proces betrokken te zijn (Duttaroy, 2009), waaronder het ‘fatty acid translocase’ (FAT/CD36) en de familie van de vetzuurtransporters (SLC27A1 tem SLC27A6). Deze opname is normaal gesproken niet fluxbepalend voor de snelheid van vetzuuroxidatie.

2. Intracellulaire binding.  ‘Vrije vetzuren’ zijn ook slecht oplosbaar in de waterfase van het cytoplasma. De juist opgenomen vetzuren zullen daarom binden aan zogeheten vetzuurbindende proteïnen. Deze eiwitten worden gecodeerd door een genetisch arsenaal van maar liefst een tiental paraloge genen in het genoom van mens en andere vertebraten. Waarom deze rijkdom is nog niet goed bekend. Het betreft een grote familie van eiwitten met uitgesproken weefselspecifieke expressie die een rol spelen in de verdeling van ‘vrije vetzuren’ in het lichaam en binnen de cel (Storch & Corsico, 2008). Dit kan ‘vrije vetzuren’ dirigeren naar plaatsen van membraansynthese of naar de nucleus waar sommige een rol spelen in de transcriptionele regeling. FABP1 wordt bijvoorbeeld selectief gebruikt in de lever, FABP2 in de dunne darm en FABP4 in de vetcellen. 3. Vetzuuractivering.  Om in het energiemetabolisme te treden, moet de volgende stap plaatsvinden, namelijk de activering van het vetzuur door de energierijke thio-esterverbinding met co-enzym A. Het reactieproduct draagt de naam acyl-CoA. Deze activeringstap vergt energie (ATP) en wordt gekatalyseerd door acyl-CoA-synthetase:

vetzuur + ATP + CoA → Acyl − CoA + AMP + 2 Pi Opnieuw bestaat er bij vertrebraten een arsenaal aan paraloge genen in het genoom, waarvan de gecodeerde enzymen verschillen in de keuze van ketenlengte van het substraat en orgaanexpressie (bijvoorbeeld ACSL1 tem ACSL6 voor lange acylketens en ACSM1 tem ACSM4 voor middellange acylketens). De zeer lange vetzuren in de hersenen (die verwerkt worden in de myelineschede) worden geactiveerd door de ‘bubblegum’-type enzymen ACSBG1 en ACSBG2. Merk op dat deze stap vergelijkingspunten vertoont met de start van de glycolyse, waarin het net opgenomen glucose ook via een investering geactiveerd wordt tot glucose-6-fosfaat. Een tussenstap in de vorming van acyl-CoA is het vormen van een acyladenylaat (acyl-AMP), waarbij PPi van ATP afsplitst en hydrolyseert. Een dergelijke tussenstap treedt ook op bij de aminozuuractivering (koppeling aan tRNA voor de eiwitsynthese). De geactiveerde acylgroep wordt van AMP overgedragen naar CoA, zodat acyl-CoA ontstaat.

4.4 • Bèta-oxidatie van vetzuren

125

. Figuur 4.9  Vetzuurtransport van het cytoplasma naar de mitochondriale matrix is de fluxbepalende stap voor de vetzuuroxidatie. Een transporteiwit (translocase) in de binnenste mitochondriale membraan draagt een acylcarnitineverbinding naar de matrix. Het enzym carnitine-palmitoyltransferase-1 (CPT1) koppelt vetzuurketens in de intermembraanruimte aan carnitine. Dit enzym wordt allosterisch geremd door malonyl-CoA, de sleutel tot de vetzuursynthese (7 par. 7.2.6) die gevormd wordt door het fluxbepalende enzym acetyl-CoAcarboxylase (ACC). Wanneer cellen dus overgaan tot het aanzetten van de vetzuursynthese, stapelt malonylCoA zich op en wordt de vetzuuroxidatie reciprook uitgeschakeld. Wanneer cellen vetzuren opnemen uit de buitenwereld en deze geactiveerd worden met CoA (links), zullen deze bij een lage malonyl-CoA-concentratie worden opgenomen in de mitochondriale matrix en verbrand worden via bèta-oxidatie en de Krebs-cyclus. Links: structuur van carnitine en acylcarnitine.

4. Vetzuurimport in de mitochondriale matrix.  Acyl-CoA is niet in staat om zelf te diffunderen van het cytoplasma naar de matrix van het mitochondrium. De barrière voor zulke diffusie bevindt zich in de binnenste mitochondriale membraan (.  figuur 4.9). De geactiveerde acylgroep van het vetzuur wordt daarom door het enzym carnitine-palmitoyltransferase-1 met als paralogen CPT1A tem CPT1C overgedragen van co-enzym A naar carnitine, een aminoverbinding (.  figuur 4.9 inzet). Het aldus gevormde acylcarnitine wordt vervolgens door een translocase (een transporter) in de mitochondriale matrix gebracht, waar carnitine-palmitoyltransferase-2 (CPT2) zorgt voor een nieuwe overdracht van de acylgroep: ditmaal gaat de transfer weer terug van acylcarnitine naar co-enzym A met vorming van acyl-CoA. Het vrije carnitine wordt dan door het translocase teruggevoerd naar het cytoplasma (. figuur 4.9). Het is belangrijk om te vermelden dat het vervoer van acyl-CoA in het mitochondrium de snelheidsbeperkende (fluxgenererende) stap is voor de vetzuuroxidatie. De regeling van de flux gebeurt op het niveau van CPT1: dit enzym wordt allosterisch geremd door malonylCoA, een cruciale bouwsteen voor de vetzuursynthese. Dit betekent dat als de vetzuursynthese als metabole weg wordt ‘aangezet’ in cellen, de malonyl-CoA-concentratie stijgt. Dit zal dan allosterisch de import van acylgroepen in de mitochondriale matrix verhinderen door een rem

4

126

Hoofdstuk 4 • Mitochondriale koolstofverbranding

4

. Figuur 4.10  Schema van de mitochondriale bèta-oxidatie van vetzuren. Vier verschillende acyl-CoAdehydrogenasen (zeer lange, lange, intermediaire, korte keten) leveren FADH2-elektronen aan Q en vormen onderdeel van de ademhalingsketen. De andere drie enzymactiviteiten liggen als trifunctioneel enzym in de mitochondriale matrix. Na een volledige oxidatieronde is de acylgroep van acyl-CoA met twee C-atomen ingekort, maar verder is de situatie identiek aan de uitgangspositie. Zodoende kan een nieuwe ronde van bètaoxidatie beginnen (stippellijn links).

van CPT1. Zodoende is er een reciproke regeling van de vetzuursynthese en de vetzuuroxidatie (. figuur 4.9). Op dit laatste komen we terug in 7 par. 7.2.6. 4.4.2 De eigenlijke bèta-oxidatie

Door de succesvolle en fluxgenererende import van acylgroepen in de mitochondriale matrix is er acyl-CoA beschikbaar voor de bèta-oxidatie. Dit gebeurt als een re-iteratief proces van vier opeenvolgende stappen, zoals is samengevat in . Figuur 4.10. De essentie is dat de binding tussen C2 en C3 van de koolstofketen wordt verbroken door oxidatie van het derde (bèta) koolstofatoom. Er zijn schematisch vier stappen, waarvan de eerste en stap 2tem4 gebeuren in afzonderlijke enzymsystemen: 1. Oxidatie van acyl-CoA tot enoyl-CoA.  In deze stap wordt het eerste elektronenpaar onttrokken aan het substraat. Er ontstaat in het reactieproduct (enoyl-CoA) een C=C-binding met transconfiguratie. Voor de katalyse van deze stap beschikt het menselijke genoom over een tiental paraloge genen, waarvan de belangrijkste vier enzymen opleveren die verschillen vertonen in keuze van de lengte van de acylketen van het substraat. Onder de acyl-CoAdehydrogenasen onderscheidt men inderdaad paralogen met voorkeur voor zeer langeketen-

4.4 • Bèta-oxidatie van vetzuren

127

. Figuur 4.11  Drie opeenvolgende ronden van bèta-oxidatie zorgen voor een inkorting van palmitoyl-CoA met zes C-atomen. Let op de kleurcode van de binnentredende CoA en uittredende elektronenparen.

(ACADVL), langeketen- (ACADL), intermediaireketen- (ACADM) en korteketen- (ACADS)acyl-CoA’s. Naarmate de ronden van bèta-oxidatie elkaar opvolgen en de acylgroep korter wordt (.  ook  figuur 4.11), zullen deze enzymen elkaar opvolgen van ACADVL naar ACADS. Elk van deze enzymen draagt FAD als co-enzym, dat wordt gereduceerd tot FADH2. Via het ‘elektrontransferproteïne’ zullen deze energierijke FADH2-elektronen worden overgedragen op co-enzym Q van de elektronentransportketen(7 figuur 5.9). Deze elektronen slaan dus complex I van de ademhalingsketen over (7 par. 5.5). 2. Hydratatie van enoyl-CoA.  De volgende stap komt neer op een stereospecifieke additie van een H2O-molecuul aan de C=C-binding (. figuur 4.10). Hierbij ontstaat L-3-hydroxyacyl-CoA.

Deze reactie wordt gekatalyseerd door enoyl-CoA-hydratase.

3. Oxidatie van L-3-hydroxyacyl-CoA tot 3-ketoacyl-CoA.  In deze stap wordt het tweede elektro-

nenpaar afgenomen van het substraat. Er ontstaat in het reactieproduct (3-ketoacyl-CoA) een C=O-binding. Het hydroxyacyl-CoA-dehydrogenase voert deze tweede oxidatiestap uit, waarbij NAD+ wordt gereduceerd tot NADH. De elektronen van dit NADH treden de elektronentransportketen binnen ter hoogte van het NADH-Q-reductase (7 par. 5.5).

4. Afsplitsing van de carboxyterminale C2-eenheid als acetyl-CoA.  Dit is de laatste stap van één ronde van de bèta-oxidatiecyclus (.  figuur 4.10). Het enzym bèta-ketothiolase zorgt voor

deze klieving, waarbij een nieuw CoA-molecuul een thio-esterbinding vormt met het bètakoolstofatoom (nu de nieuwe carboxyterminus). Deze reactie brengt het acyl-CoA terug bij het begin van de oxidatiecyclus, met het verschil dat de acylketen twee C-atomen is ingekort en dat er een nieuw bèta-koolstofatoom is ontstaan. Stappen 2tem4 worden bij vertebraten gekatalyseerd door trifunctioneel enzym, dat uit twee subeenheden bestaat (de coderende genen heten HADHA en HADHB). Dit betekent dus dat de enzymactiviteiten voor enoyl-CoA-hydratase (stap 2), hydroxyacyl-CoA-dehydrogenase

4

128

4

Hoofdstuk 4 • Mitochondriale koolstofverbranding

(stap 3) en 3-ketoacyl-CoA-thiolase (stap 4) structureel verenigd zijn in één multifunctioneel enzym, waarvan het principe besproken werd in 7 par. 2.8.4. We zullen andere voorbeelden van multifunctionele enzymen zien tijdens de vetzuursynthese en synthese van purinen en pyrimidinen. De opeenvolging van drie ronden van bèta-oxidatie is geïllustreerd in . figuur 4.11, waarin de koolstofstaart van palmitoyl-CoA ingekort wordt tot een C10-structuur. Na nog drie bijkomende ronden van bèta-oxidatie is het reactieproduct een C4-keten (butyryl-CoA); de laatste bèta-oxidatie levert aceto-acetyl-CoA (C4), dat door bèta-ketothiolase in twee moleculen acetyl-CoA wordt gesplitst. De volledige oxidatie van palmitaat (C16) gebeurt dus in zeven bèta-oxidatieronden. Hierbij worden zeven moleculen FADH2 en zeven moleculen NADH gevormd, die respectievelijk 10,5 en 17,5 ATP opleveren tijdens de oxidatieve fosforylering. Bovendien ontstaan er acht moleculen acetyl-CoA, die de citroenzuurcyclus binnentreden en daar elk drie moleculen NADH, één molecuul FADH2 en één molecuul GTP opleveren. Om de energiebalans te vervolledigen, moeten we nog vermelden dat de activering van palmitaat (vóór de oxidatie) twee moleculen ATP heeft gekost. Het totaal nuttig ATP-rendement hangt af van de koppeling tussen oxidatie en fosforylering (7 par. 5.8). In 7 tabel 5.2 is te zien dat één mol palmitaatoxidatie ongeveer viermaal meer ATP oplevert dan één mol glucoseoxidatie. De drie reactieproducten van de vetzuuroxidatie zijn dus NADH, FADH2 en acetyl-CoA. Wanneer de cel energie nodig heeft, zal dit acetyl-CoA vlot in de citroenzuurcyclus worden verbrand tot CO2, zoals is aangegeven in . figuur 4.7. In de lever bestaat een andere mogelijkheid, namelijk de productie van ketonlichamen. Dit zal besproken worden 7 par. 4.4.3. Evolutie Trifunctioneel enzym en bèta-oxidatie Bij bacteriën zijn alle enzymatische stappen van de bèta-oxidatie het werk van monofunctionele enzymen; bij de mens en andere vertrebraten worden de laatste drie reacties van de cyclus van de bèta-oxidatie dus uitgevoerd door het al genoemde trifunctionele enzym. In feite is de enzymstuctuur nog iets ingewikkelder, want het trifunctioneel enzym is opgebouwd als een octameer met vier alfa- en vier bèta-subeenheden en onderlinge taakverdeling: alfa-subeenheden zijn verantwoordelijk voor de hydratase- en de dehydrogenasestap en de bèta-subeenheden voor de thiolasestap. Opmerkelijk is dat de beide coderende niet-paraloge genen (HADHA en HADHB) vlak naast elkaar liggen in het genoom. Er zijn twee strengen in de dubbele helix en de coderende streng is verschillend voor beide genen. Bovendien liggen deze genen in ‘kop-kop’oriëntatie, waarbij één gemeenschappelijke promoter regulerende informatie bevat om de transcriptie van beide genen tegelijk te laten beginnen. We zullen precies hetzelfde gegeven terugzien bij twee genen van de de novo purinesynthese (7 par. 10.2). Wellicht kijken we bij het genoom van de mens naar een momentopname van een nog niet volledig afgelegde weg van ‘losstaande’ enzymen naar één gen, dat codeert voor één polypeptideketen met alle enzymactiviteiten zoals in vetzuursynthase (7 par. 7.2.4). Een andere evolutionaire overweging is dat de triade oxidatie-hydratatie-oxidatie met vorming van een ketozuur zeer gelijklopend is met de drie laatste reacties van de Krebs-cyclus (succinaat → fumaraat → malaat → oxaloacetaat). Ook de co-enzymen (FAD en NAD+)

4.4 • Bèta-oxidatie van vetzuren

129

. Figuur 4.12  Ketogenese (de productie van ketonlichamen uit acetyl-CoA) is een proces dat plaatsvindt in de lever tijdens de gevaste toestand. Dit proces volgt op de bèta-oxidatie van vetzuren en komt neer op de enzymatische condensatie van drie moleculen acetyl-CoA. De splitsing van HMG-CoA door het HMG-CoA-lyase is de fluxgenererende en onomkeerbare stap. Niet getoond is de omzetting van acetoacetaat in aceton, die niet-enzymatisch in kleine hoeveelheden plaatsvindt.

zijn dezelfde. Vermoedelijk is er lang geleden in de evolutie van aerobe cellen het volgende gebeurd: 55 de oudste cellen beschikten over enzymen die zowel vetzuren als succinaat en malaat gebruikten als substraat; 55 daarna ontstond er een genduplicatie voor de genen die voor deze oerenzymen codeerden; 55 de gensequenties van de identieke paren ‘groeiden uit elkaar’ door de opstapeling van kleine veranderingen (mutaties). Door selectiedruk werden die veranderingen weerhouden die een voordeel boden aan het metabolisme; 55 er ontstonden gespecialiseerde enzymen voor de oxidatie van vetzuren (bèta-oxidatie) en succinaat (citroenzuurcyclus) die veel beter werken voor hun eigen substraat (K3, Km) dan de gemeenschappelijke oerenzymen; 55 de enzymen voor de bèta-oxidatie hergroepeerden zich door exon shuffling, waardoor het trifunctionele enzym is ontstaan.

4.4.3 Ketonlichamen

Niet alle acetyl-CoA moet in de Krebs-cyclus worden verbrand. De lever zal dit tijdens de gevaste toestand van een organisme, wanneer intensieve vetzuuroxidatie plaatsvindt, zelfs nauwelijks laten gebeuren. Dit zal verder uitgelegd worden in 7 hoofdstuk 12. Belangrijk is dat de vetcellen op dat moment hun vetvoorraad langzaam afbreken tot vrije vetzuren en glycerol. De lever gaat deze vetzuren opnemen en via bèta-oxidatie omzetten in acetyl-CoA, dat dan wordt omgezet tot ketonlichamen (.  figuur 4.12). Deze synthese vergt drie stappen, waarvan er één

4

130

Hoofdstuk 4 • Mitochondriale koolstofverbranding

4

. Figuur 4.13  Mitochondriale verbranding van ketonlichamen gebeurt in vele weefsels en is erg belangrijk voor overleving in de hersenen tijdens de langdurig gevaste toestand. Dit proces wordt vervolgd door de verdere verbranding van acetyl-CoA in de Krebs-cyclus. Buiten de energie van twee moleculen acetyl-CoA (zie Krebs-cyclus) levert één molecuul bèta-hydroxybutyraat nog één molecuul NADH op, maar anderzijds moet één molecuul succinyl-CoA worden omgezet tot één molecuul succinaat (verlies van één molecuul GTP).

vermeden kan worden door de allerlaatste stap van de laatste ronde van de bèta-oxidatie (de splitsing van acetoacetyl-CoA door bèta-ketothiolase) niet uit te voeren. De volgende stap is een condensatie tussen een nieuwe acetyl-CoA en acetoacetyl-CoA met vorming van 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA, dat meestal wordt afgekort als HMGCoA. Deze belangrijke reactie wordt gekatalyseerd door het enzym HMG-CoA-synthase 2 (HMGCS2), waarvan de expressie specifiek in de lever voorkomt, dit in tegenstelling met de paraloog HMGCS1, die in veel cellen verantwoordelijk is voor cholesterolsynthese (7 par. 7.3.3). De volgende stap, de splitsing van HMG-CoA in acetyl-CoA en acetoacetaat, is irreversibel en fluxgenererend voor de ketogenese en wordt gekatalyseerd door HMG-CoA-lyase (verantwoordelijk gen = HMGCL). Acetoacetaat is het eerste ketonlichaam en is geschikt voor export naar het bloed. Het meeste acetoacetaat wordt echter voor export nog eerst gereduceerd tot bèta-hydroxybutyraat (. figuur 4.12), dit dankzij het enzym bèta-hydroxybutyraatdehydrogenase (paraloge genen: BDH1 en BDH2) en de investering van één molecuul NADH. Kleine hoeveelheden acetoacetaat kunnen tevens (niet-enzymatisch?) decarboxyleren tot het vluchtige keton aceton dat wordt uitgeademd. Dit verklaart waarom de adem van vastende mensen (zij hebben een verhoogde acetoacetaatconcentratie in het lichaam) naar aceton ruikt. De geproduceerde ketonlichamen verlaten de lever om in de bloedbaan te worden opgenomen. Ketonlichamen zijn uitstekende brandstoffen die sommige weefsels, zoals de hartspier, in feite liever gebruiken dan glucose. In 7 hoofdstuk 12 wordt uitgelegd dat de hersenen zich tijdens een periode van langdurig vasten geleidelijk aanpassen, dit door een progressieve verhoging van de verbranding van ketonlichamen en een evenredige verlaging van de verbranding van glucose om in hun constante dagelijkse energiebehoefte te voorzien. Dit heeft belangrijke gevolgen voor de afbraaksnelheid van spiereiwitten en is dus zeer relevant voor het volhouden van een toestand van uithongering (Cahill, 2006). De mitochondriale koolstofverbranding van ketonlichamen wordt vervolgd door de Krebscyclus en is getoond in .  figuur  4.13. De cellen nemen bèta-hydroxybutyraat en acetoacetaat uit de bloedbaan op. Het eerste wordt in de cel omgezet tot het laatste door het enzym

4.4 • Bèta-oxidatie van vetzuren

131

. Figuur 4.14  Vergelijking tussen de mitochondriale en peroxisomale vetzuuroxidatie. De eerste oxidatiestap is fundamenteel verschillend in beide organellen, omdat de FADH2-elektronen in de mitochondria worden overgedragen aan complex II van de ademhalingsketen, terwijl de peroxisomen deze elektronen overdragen aan dizuurstof met vorming van waterstofperoxide. Katalase is nodig om deze sterk oxiderende en potentieel gevaarlijke H2O2 te neutraliseren.

bèta-hydroxybutyraat-dehydrogenase; dit levert de cel al een winst van één molecuul NADH op. Het acetoacetaat wordt vervolgens door het enzym OXCT1 (3-oxozuur-CoA-transferase 1) verbonden met co-enzym A tot acetoacetyl-CoA. Hiervoor wordt de Krebs-cyclusmetaboliet succinyl-CoA verbruikt en omgezet tot succinaat. Het hierdoor gevormde acetoacetyl-CoA wordt vervolgens door het enzym bèta-ketothiolase gesplitst in twee moleculen acetyl-CoA, die de citroenzuurcyclus binnentreden. De balans van de volledige verbranding van één mol bèta-hydroxybutyraat is zeven moleculen NADH, twee moleculen FADH2 en één molecuul GTP, wat netto 20 mol ATP oplevert. Per gram brandstof is dit 0,2 mol ATP, wat goed vergelijkbaar is met de koolstofverbranding van glucose. 4.4.4 Peroxisomale vetzuuroxidatie

Een deel van de vetzuren wordt niet in de mitochondriale matrix maar in de peroxisomen geoxideerd, en wel via peroxisomale alfa- en bèta-vetzuuroxidatie. Alfa-oxidatie is noodzakelijk om het 3-methyl-vertakteketen-C17-vetzuur fytanoaat (afkomstig van chlorophyl) om te zetten tot pristanoaat, dat verder door peroxisomale bèta-oxidatie wordt afgebroken. Deze route is zeer actief in de lever; een stofwisselingsziekte van deze alfa-oxidatie door een mutatie in het verantwoordelijk enzym (fytanoyl-CoA 2-hydroxylase; gen = PHYH) veroorzaakt de ziekte van Refsum. In .  figuur 4.14 worden de mitochondriale en peroxisomale bèta-oxidatie met elkaar vergeleken; voor didactische doeleinden met als beginpunt de eerste ronde van oxidatie van palmitoyl-CoA. Overeenkomstig is het cyclische proces van inkorten van het koolstofskelet van het vetzuur met twee C-atomen met vorming van acetyl-CoA; dit dankzij twee oxidatiereacties met daartussen een hydratatie. Verschillend is dat de energierijke elektronenparen van de

4

132

Hoofdstuk 4 • Mitochondriale koolstofverbranding

peroxisomale vetzuuroxidatie niet worden overgedragen naar de complexen van de ademhalingsketen. Het eerste elektronenpaar dat tijdens de peroxisomale vetzuuroxidatie door acylCoA-oxydase 1 (ACOX1) wordt onttrokken aan het substraat, wordt overgedragen op dizuurstof met vorming van waterstofperoxide. Peroxisomen hebben daarom katalase (Engels: catalase met als gennaam = CAT) nodig om het chemisch reactieve oxidans H2O2 (waterstofperoxide) te neutraliseren (detoxificatie). Het tweede elektronenpaar belandt op NADH, dat net als het gevormde acetyl-CoA naar het cytoplasma moet worden geëxporteerd.

4

Toepassing Peroxisomale metabole ziekten De bèta-oxidatie in peroxisomen verschilt verder van die in de mitochondriale matrix door de keuze van het te oxideren substraat (7 figuur) en de specifieke enzymen voor deze reacties (Wanders & Waterham, 2006). Bovendien wordt de bèta-oxidatie in de peroxisomen maar één of enkele ronden uitgevoerd, zodat een mengsel van acyl-CoAs en acetyl-CoA ontstaat dat verder in de mitochondria wordt verbrand (7 figuur). Het lijkt aannemelijk dat deze diverse peroxisomale oxidatiereacties dienen om een waaier van zeer lange of methylvertakte vetzuren te herleiden tot een meer ‘uniform’ substraat dat geschikt is voor mitochondriale oxidatie (Wanders & Waterham, 2006).

Peroxisomale biogenese vereist PEX-importproteïnen voor de passage van in het cytoplasma aangemaakte peroxisomale enzymen, transporters, zoals ABCD1 voor het ‘binnenstromen’ van substraat, en transporters voor het ‘uitstromen’ van reactieproducten. De drie ACOX-isovormen verschillen in de keuze van substraat. MFP = multifunctioneel proteïne. Voor de bèta-oxidatie van het 3-methyl-vertakte vetzuur pristanoaat moet eerst een vertakt C-atoom worden verwijderd (alfa-oxidatie). De synthese van plasmalogenen, een andere peroxisomale functie, is hier niet getoond.

4.5 • Aminozuuroxidatie

133

Vanwege de diversiteit aan substraten zijn voor elke stap van de peroxisomale bèta-oxidatie meerdere enzymen nodig. ACOX1 is gespecialiseerd in de bèta-oxidatie van CoA-esters van zeerlangeketenvetzuren (VLCFA). ACOX2 verkiest de bèta-oxidatie van pristanoyl-CoA die ontstaat uit fytanoyl-CoA (7 basistekst hierboven en de ziekte van Refsum). De derde route van peroxisomale bèta-oxidatie (ACOX3) vertrekt van tri-hydroxycoprostanolyl-CoA en is noodzakelijk voor de vorming van galzouten uit cholesterol, een proces dat zeer actief plaatsvindt in de lever (7 figuur). De hydratatie en tweede oxidatiestap worden gekatalyseerd door het multifunctionele proteïne, dat dus een variant is op het thema van het mitochondriale trifunctionele proteïne. Het coderende gen bij de mens heeft de verwarrende naam hydroxysteroid (17-bèta) dehydrogenase 4 (HSD17B4). Een andere (niet het in figuur getoonde) functie van peroxisomen is de synthese van plasmalogenen, lipiden met een etherbinding gemaakt door het enzym glyceronfosfaatO-acyltransferase (GNPAT). Een inborn error van dit enzym is zeer zeldzaam en veroorzaakt ‘rhizomelische chondrodysplasia punctata’ (Beams-Mengerink et al., 2006). Bovendien inactiveren leverperoxisomen glyoxylaat via het enzym alanineglyoxylaataminotransferase (AGT), waardoor glycine ontstaat en voorkomen wordt dat oxaalzuur wordt gevormd. Een ‘inborn error’ van het AGT-gen veroorzaakt type-1-hyperoxalurie, met nierstenen en nierfalen tot gevolg. Naast deze enzymen heeft het peroxisoom talrijke transporteiwitten nodig die substraten, producten en nieuw aangemaakte peroxisomale enzymen door de membraan laten passeren. Een voorbeeld van een substraattransporter is VLCFA-transporter, een eiwit dat wordt gecodeerd door het ABCD1-gen dat betrokken is bij adrenoleukodystrofie, een X-gebonden Mendeliaans overgeërfde peroxisomenziekte die behoort tot de stofwisselingsziekten. De door cytoplasmatische ribosomen gemaakte peroxisomale enzymen worden in het peroxisoom gebracht door een translocasecomplex van PEX-eiwitten. Knock-out-muizen voor een aantal van deze PEX-genen (Baes & Van Veldhoven, 2006) leveren fenotypen die gelijkenis vertonen met het menselijke Zellweger-syndroom (Baes et al., 1997). Patiënten met deze ziekte hebben een tekort aan plasmalogenen en stapelen fytaanzuur en VLCFA op. Er is belangrijke pathologie in lever, nieren en hersenen, wat de andere naam voor deze ziekte, cerebrohepatorenaal syndroom, verklaart (Brown et al., 1982).

4.5 Aminozuuroxidatie

Als laatste groep brandstof waarvan de koolstofverbranding in de mitochondriale matrix heel wat nuttige energie oplevert, moeten we even stilstaan bij de aminozuren. Het metabolisme van de twintig bouwstenen van eiwitten zal nader worden bekeken (7 par. 9.3.1), maar in deze paragraaf bekijken we de aansluiting van de verbranding van de koolstofskeletten op de eerder besproken Krebs-cyclus (. figuur 4.15). Proline, glutamine, arginine en histidine worden eerst gemetaboliseerd tot glutamaat, dat wordt omgezet in alfa-ketoglutaraat. Deze laatste omzetting is het werk van het glutamaatdehydrogenase. Methionine, leucine, isoleucine en valine komen via succinyl-CoA de citroenzuurcyclus binnen. De drie vertakte aminozuren worden eerst omgezet tot alfa-ketozuren via een vertakt aminozuurtransaminase; ze worden vervolgens door het zogeheten vertakte alfa-ketozuur-dehydrogenasecomplex (‘branched chain amino acid dehydrogenase‘) omgezet tot methylmalonyl-CoA.

4

134

Hoofdstuk 4 • Mitochondriale koolstofverbranding

4

. Figuur 4.15  Mitochondriale verbranding van aminozuren sluit aan op Krebs-cyclusmetabolieten (rode pijlen). Er wordt onderscheid gemaakt tussen aminozuren die worden afgebroken tot acetyl-CoA (ketogene aminozuren) en aminozuren die worden afgebroken tot pyruvaat of een Krebs-cyclusmetaboliet (glucogeen). De vertakteketen-aminozuren isoleucine en valine hebben een dehydrogenasecomplex nodig voor oxidatieve decarboxylering tot methylmalonyl-CoA. Dit vertakte alfa-ketozuurdehydrogenasecomplex (3) lijkt qua opbouw en werking op het pyruvaatdehydrogenasecomplex (1) en het alfa-ketoglutaraatdehydrogenasecomplex (2).

Dit is dus, naast de twee eerder in dit hoofdstuk besproken complexen, een derde alfaketozuurdehydrogenasecomplex, dat specifiek als taak heeft om de koolstofskeletten van de alifatisch vertakte aminozuren (isoleucine en valine) toegang te geven tot volledige verbranding in de Krebs-cyclus (.  figuur 4.15). De opbouw van dit complex is zeer goed vergelijkbaar met die van de twee andere mitochondriale alfa-ketozuurdehydrogenasecomplexen. We vinden dus weer E1, dat de vertakte ketozuren decarboxyleert en vastzet op TPP. De verantwoordelijke alfaen bèta-ketens worden gecodeerd door de BCKDHA- en BCKDHB-genen. Daarnaast zien we weer een E2 (dihydrolipoamide branched chain transacylase, gen = DBT) dat deze groep overdraagt op CoA, en E3 (dihydrolipoamide dehydrogenase, gen = DLD) dat NADH produceert. Het gedecarboxyleerde product, methylmalonyl-CoA, wordt via een vitamine B12-afhankelijk enzym omgebouwd tot succinyl-CoA. Toepassing Aangeboren stoornissen van de mitochondriale koolstofverbranding Voor elk van de drie 2-oxozuurdehydrogenasecomplexen bestaan er ‘inborn errors of metabolism’. Mutaties in E1 van het pyruvaatdehydrogenasecomplex leveren bij kinderen een klinisch ziektebeeld op waarbij lactaatacidose op de voorgrond treedt (Robinson, 2006). Dit is te verklaren door een verminderde aerobe glycolyse en daardoor een compensatorische verhoging van de flux van de anaerobe glycolyse (De Meirleir, 2002). Deze kinderen vertonen ook vaak achterstand in de psychomotorische ontwikkeling en een abnormale hersenstructuur.

Literatuur

135

Mutaties in de genen (BCKDHA en BCKDHB) die coderen voor het vertakteketen-2-oxozuurdehydrogenasecomplex geven aanleiding tot de zogeheten maple syrup urine disease (vertakteketen-ketoacidurie) (Burrage, 2012). De naam is te danken aan de sterk gestegen concentraties van de vertakteketen-alfa-ketozuren in de urine, die hierdoor een typische kleur en geur krijgt (Chuang et al., 2006). De encefalopathie (hersenletsel) die door deze ziekte ontstaat, is toegeschreven aan een tekort aan de neurotransmitters GABA en glutamaat en een opstapeling van de toxische vertakte alfa-ketozuren. Een genetisch bepaald defect in het alfa-ketoglutaraatdehydrogenasecomplex (2-oxoglutaraatdehydrogenasecomplex) wordt geassocieerd met een verhoogd risico op het ontstaan van de ziekte van Alzheimer en de ziekte van Parkinson (Hengeveld & De Kok, 2002).

Literatuur Ayala, F.J. (1995). The myth of Eve: molecular biology & human origins. Science 270, 1930–1936. Baes, M. & Van Veldhoven, P.P. (2006). Generalised & conditional inactivation of Pex genes in mice. Biochimica et Biophysica Acta-Molecular Cell Research 1763, 1785–1793. Baes, M., Gressens, P., Baumgart, E., Carmeliet, P., Casteels, M., Fransen, M., et al. (1997). A mouse model for Zellweger syndrome. Nature Genetics 17, 49–57. Beams-Mengerink, A.M., Majoie, C.B.L.M., Duran, M., Wanders, R.J.A., Van Hove, J., Scheurer, C.D., et al. (2006). MRI of the brain & cervical spinal cord in rhizomelic chondrodysplasia punctata. Neurology 66, 798–803. Brito, O.M. de & Scorrano, L. (2008). Mitofusin 2 tethers endoplasmic reticulum to mitochondria. Nature 456, 605–610. Brown, F.R., Mcadams, A.J., Cummins, J.W., Konkol, R., Singh, I., Moser, A.B., et al. (1982). Cerebro-hepato-renal (Zellweger) syndrome & neonatal adrenoleukodystrophy - Similarities in phenotype & accumulation of very long-chain fatty-acids. Johns Hopkins Medical Journal 151, 344–361. Burrage, L.C., Nagamani, S.C., Campeau, P.M. & Lee, B.H. (2014). Branched-chain amino acid metabolism: from rare Mendelian diseases to more common disorders. Hum Mol Genet. Apr 1. [Epub ahead of print] PubMed PMID: 24651065. Busch, K.B., Kowald, A., Spelbrink, J.N. (2014). Quality matters: how does mitochondrial network dynamics and quality control impact on mtDNA integrity? Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 369(1646). Cahill, G.F., Jr. (2006). Fuel metabolism in starvation. Annu. Rev. Nutr. 26, 1–22. Chuang, D.T., Chuang, J.L. & Wynn, R.M. (2006). Lessons from genetic disorders of branched-chain amino acid metabolism. J Nutr. 136, 243S–249S. De Meirleir, L. (2002). Defects of pyruvate metabolism & the Krebs cycle. J Child Neurol. 17 Suppl 3, 3S26–3S33. Duttaroy, A.K. (2009). Transport of fatty acids across the human placenta: a review. Prog. Lipid Res. 48, 52–61. Hagelberg, E. (2003). Recombination or mutation rate heterogeneity? Implications for Mitochondrial Eve. Trends Genet. 19, 84–90. Hengeveld, A.F. & de Kok, A. (2002). Structural basis of the dysfunctioning of human 2-oxo acid dehydrogenase complexes. Curr. Med. Chem. 9, 499–520. Lang, B.F., Gray, M.W. & Burger, G. (1999). Mitochondrial genome evolution & the origin of eukaryotes. Annu. Rev. Genet. 33, 351–397. Larsson, N.G. & Clayton, D.A. (1995). Molecular genetic aspects of human mitochondrial disorders. Annu. Rev. Genet. 29, 151–178. Mattevi, A., Obmolova, G., Schulze, E., Kalk, K.H., Westphal, A.H., de Kok, A., et al. (1992). Atomic structure of the cubic core of the pyruvate dehydrogenase multienzyme complex. Science 255, 1544–1550. Mootha, V.K., Bunkenborg, J., Olsen, J.V., Hjerrild, M., Wisniewski, J.R., Stahl, E., et al. (2003). Integrated analysis of protein composition, tissue diversity, & gene regulation in mouse mitochondria. Cell 115, 629–640. Patel, M.S. & Harris, R.A. (1995). Mammalian alpha-keto acid dehydrogenase complexes: gene regulation & genetic defects. FASEB J 9, 1164–1172. Robinson, B.H. (2006). Lactic acidemia & mitochondrial disease. Mol. Genet. Metab. 89, 3–13.

4

136

Hoofdstuk 4 • Mitochondriale koolstofverbranding

Santel, A. & Fuller, M.T. (2001). Control of mitochondrial morphology by a human mitofusin. J Cell Sci. 114, 867–874. Storch, J. & Corsico, B. (2008). The emerging functions & mechanisms of mammalian fatty acid-binding proteins. Ann. Rev. Nutr. 28, 73–95. Sugden, M.C. & Holness, M.J. (2006). Mechanisms underlying regulation of the expression & activities of the mammalian pyruvate dehydrogenase kinases. Arch. Physiol Biochem 112, 139–149. Templeton, A.R. (2007). Genetics & recent human evolution. Evolution 61, 1507–1519. Wanders, R.J.A. & Waterham, H.R. (2006). Biochemistry of mammalian peroxisomes revisited. Ann. Rev. Biochem. 75, 295–332.

4

137

Oxidatieve fosforylering Samenvatting In hoofdstuk 5 wordt uitgelegd hoe de eerder in het katabolisme gevormde energierijke elektronenparen van NADH en FADH2 worden gebruikt om ATP te produceren. Deze oxidatieve fosforylering gebeurt in de binnenste mitochondriale membraan via een aantal eiwitcomplexen die de redoxenergie van de elektronenparen omzetten in een elektrochemisch potentiaal van een protonengradiënt. Een belangrijke component van deze complexen zijn cytochromen die hun redoxreacties uitvoeren zonder veel kans op ongewenste reacties, zoals vorming van zuurstofradicalen. Pas de allerlaatste elektronenacceptor is dizuurstof, dat wordt gereduceerd tot water. De nuttige energie van de protonengradiënt wordt vervolgens in complex V (mitochondriaal ATP-synthase) gebruikt voor de reactie ADP + Pi ⇒ ATP. Een geconcerteerd samenspel van de complexen I tem V zorgt voor een flux van oxidatie die afgestemd is op de flux van ATP-synthese (respiratoire koppeling). In de aanwezigheid van UCP’s (‘uncoupling proteins’) ontstaat echter een protonenlek zonder ATP-synthese (respiratoire ontkoppeling).

5.1 Inleiding – 138 5.2 Overzicht van de oxidatieve fosforylering – 138 5.3 Energetica van redoxreacties – 140 5.4 Overzicht van de elektronentransportketen – 143 5.5 Eiwitcomplexen van de elektronentransportketen – 144 5.6 Mitochondriale ATP-synthase – 148 5.7 Maximaal rendement van de oxidatieve fosforylering – 149 5.8 Respiratoire ontkoppeling – 153 5.9 Zuurstof is een potentieel gevaarlijk molecuul – 154 5.10 Shuttles voor cytoplasmatisch NADH – 156 5.11 Mitochondriale ziekten – 156 Literatuur – 160 F. C. Schuit, Leerboek metabolisme, DOI 10.1007/978-90-368-0620-6_5, © 2015 Bohn Stafleu van Loghum, onderdeel van Springer Media BV

5

138

Hoofdstuk 5 • Oxidatieve fosforylering

5.1 Inleiding

5

We eindigen het deel ‘energiemetabolisme’ met de oxidatieve fosforylering, een mitochondriaal proces waarmee ongeveer 90% van alle ATP in ons lichaam wordt geproduceerd. De oxidatieve fosforylering gebruikt de energie van de elektronenparen van NADH en FADH2, die stroomopwaarts in het metabolisme worden gegenereerd om ATP te maken. Via een reeks redoxreacties die plaatsvinden in ingewikkelde eiwitcomplexen (complex I tem IV) van de binnenste mitochondriale membraan, worden energierijke elektronen aan zuurstof afgestaan, dat daardoor gereduceerd wordt tot water. Dit feit verklaart grotendeels waarom de meeste cellen zuurstof nodig hebben om te kunnen leven. De bio-energetica van de oxidatieve fosforylering is intrigerend. De energie die tijdens de elektronenoverdracht van NADH en FADH2 naar zuurstof ontstaat, wordt op efficiënte wijze gebruikt om protonen uit de matrix van het mitochondrium naar de intermembranaire ruimte te pompen. De zo verkregen protonengradiënt is de directe energiebron voor de mitochondriale ATP-productie. De efficiënte koppeling tussen de snelheid van NADH/FADH2-productie, de oxidatie van NADH/FADH2-elektronen en de ATP-productie maakt van het mitochondrium een verbluffend goed systeem om uit brandstof nuttige energie te maken naar behoefte van de cel. In sommige gevallen zal de graad van deze respiratoire koppeling op gecontroleerde wijze worden verminderd door introductie van ontkoppelingseiwitten (UCP’s) in de binnenste mitochondriale membraan. In het actuele onderzoek naar ontstaan, behandeling en preventie van obesitas spelen UCP’s een grote rol. Leerdoelen 55 inzicht opbouwen in de wijze waarop oxidatie van NADH/FADH2-elektronen en mitochondriale ATP-productie aan elkaar verbonden zijn; 55 het mechanisme van respiratoire ontkoppeling begrijpen; 55 begrijpen hoe zuurstof schade kan berokkenen en hoe deze schade kan worden voorkomen.

Studeeraanwijzing Dit hoofdstuk behandelt kwantitatief het belangrijkste aspect van de bio-energetica van ATP-synthese. Er zijn talrijke raakvlakken met andere hoofdstukken van dit boek. Voorkennis van redoxchemie en enige kennis van de thermodynamica zijn gewenst. De tijdsbesteding aan de kernleerstof van dit hoofdstuk wordt geschat op 10-12 uur.

5.2 Overzicht van de oxidatieve fosforylering

Tijdens de laatste fase in de energie-extractie uit nuttige brandstof worden de energierijke elektronenparen in NADH en FADH2 afgegeven aan zuurstof, waarbij er ATP ontstaat. We hebben in de vorige twee hoofdstukken gezien hoe deze energierijke elektronenparen tijdens de glycolyse, de oxidatieve decarboxylering, de bèta-oxidatie van vetzuren en vooral de citroenzuurcyclus, werden afgenomen van het substraat. De oxidatieve fosforylering vindt plaats ter hoogte van de binnenste mitochondriale membraan en de twee ruimten die deze membraan afgrenzen (matrix en intermembranaire ruimte). Opmerkelijk is dat aan weerszijden van deze slechts 30 nm dunne membraan een tienvoudig verschil bestaat in de protonenconcentratie, waarbij de pH in de matrix één eenheid hoger is dan die in de intermembranaire ruimte. Door het bestaan van deze protonengradiënt worden twee processen aan elkaar gekoppeld (. figuur 5.1):

5.2 • Overzicht van de oxidatieve fosforylering

139

. Figuur 5.1  Oxidatieve fosforylering. Links: Peter Mitchell, de vader van de chemio-osmotische verklaring van door redoxpompen aangedreven ATP-synthese. Dit proces speelt zich af in en rond de binnenste mitochondriale membraan. De drijfveer is perifeer ATP-verbruik, dat via de ‘energy charge’ het katabolisme aandrijft. De hierbij gevormde NADH- en FADH2-elektronen worden via de complexen I tem IV van de ademhalingsketen naar zuurstof gebracht. Daardoor worden protonenpompen aangedreven die de pH van de matrix één eenheid hoger maken dan die in de intermembranaire ruimte. De protonengradiënt dient om de mitochondriale ATPsynthase (complex V) aan te drijven. Het in de matrix gevormde ATP wordt door het adeninenucleotidetranslocase (ANT) naar de intermembranaire ruimte gepompt. Een porie in de buitenste membraan zorgt voor goede uitwisseling van ATP en ADP met de rest van de cel. De protonengradiënt kan verloren gaan door ontkoppelingseiwitten (UCP’s; zie verder); hierbij ontstaat warmte in plaats van ATP. Zie voor een review-artikel Saraste (1999) en Schultz & Chan (2001).

1. Een aaneenschakeling van redoxreacties die elektronen van sterke reductoren (NADH en FADH2) doet verhuizen naar een sterke oxidator (dizuurstof). Hierdoor ontstaan NAD+ en FAD en anderzijds water. De energie die bij deze redoxreacties vrijkomt, wordt gedeeltelijk gebruikt om nuttige energie op te wekken in de vorm van de protonengradiënt. De essentie hiervan is dat de eiwitcomplexen I, III en IV van de ademhalingsketen de elektronenstroom die ze laten passeren, koppelen aan hun eigen protonenpompen die H+ van de matrix naar de intermembranaire ruimte pompen. Het ontstaan van de protonengradiënt kan worden vergeleken met het opladen van een batterij. 2. De opgeslagen energie in deze batterij wordt aangesproken door de protonen in een roterend kanaaltje van complex V (mitochondriaal ATP-synthase) te laten stromen van de intermembranaire ruimte naar de matrix. De hierbij vrijgekomen energie wordt door het roterend kanaal gebruikt om het ATP-synthase van complex V aan te drijven; hierdoor wordt ATP gevormd uit ADP en Pi. De snelheid van oxidatie (elektronentransport door de ademhalingsketen) en de fosforyleringssnelheid (vorming van ATP) zijn dankzij de tussenliggende schakel van de protonengradiënt mooi op elkaar afgestemd (respiratoire koppeling). De mate van koppeling kan worden verminderd door expressie van ontkoppelingseiwitten (UCP’s of uncoupling proteins; deze worden verderop in dit hoofdstuk besproken). Er bestaat een ADP/ATP-transportsysteem in de binnenste mitochondriale membraan (ANT in .  figuur 5.1), die ATP van de matrix naar

5

140

Hoofdstuk 5 • Oxidatieve fosforylering

de intermembranaire ruimte pompt en ADP in de andere richting beweegt. De energetische drijfveer voor deze actieve vorm van transport is de protonengradiënt. Door dit adeninenucleotidetransport is de [ATP]/[ADP]-ratio in de matrix veel lager dan in de intermembranaire ruimte en wordt de in de cel verbruikte ATP vervangen door nieuwe moleculen en de gevormde ADP afgevoerd naar de plaats van ATP-synthese. Er is een goede uitwisseling van ATP en ADP met het cytoplasma door het bestaan van porievormende eiwitten (porine) in de buitenste mitochondriale membraan. Pioniers Peter Mitchell Peter Mitchell (1920-1992) formuleerde in het begin van de jaren zestig de zogenoemde chemio-osmotische hypothese en werd hiervoor in 1978 bekroond met de Nobelprijs voor Chemie. Het geniale idee was het bedenken van het bestaan van aparte ‘protonmotive’ redox- en ‘protonmotive’ ATP-synthasesystemen die met elkaar verbonden zijn via protonen geleidende waterige media aan weerszijden van de binnenste mitochondriale membraan (. figuur 5.1); de membraan zelf is een goede protonenisolator, zodat een gradiënt in de protonenconcentratie wordt opgebouwd door de redoxpompen en wordt verbruikt door de ATP-synthase. Mitchell voorspelde door zijn werk het bestaan van vier elementen die de door redoxenergie aangedreven ATP-synthese kunnen verklaren. 55 een reversibele chemio-osmotische ATPase (die genoemd is naar de omgekeerde richting, een door ATP aangedreven pomp van protonen); 55 een irreversibel chemio-osmotisch redoxsysteem (ademhalingsketen); 55 een isolerende membraan die de chemio-osmotische gradiënt (de protonengradiënt) onderhoudt; 55 een aantal transporters om ATP, ADP, Pi (anorganisch fosfaat) en metabolieten uit te wisselen over de ruimten aan weerszijden van de isolerende membraan.

5

Het prachtige van Mitchell’s werk is dat deze chemio-osmotische hypothese ook relevant is voor andere systemen, zoals de fotosynthese. Zie voor de tekst van Mitchell’s Nobel-lezing: 7 http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1978/mitchell-lecture.pdf

5.3 Energetica van redoxreacties

We zullen ons eerst bezighouden met de vraag hoeveel nuttige energie er theoretisch kan vrijkomen wanneer we in een redoxreactie één elektronenpaar overdragen van NADH naar een half dizuurstofmolecuul:

NADH + H + + 1/ 2 O 2 → H 2 O + NAD + Om dit te kunnen berekenen, moeten we de redoxreactie ontbinden in twee halfreacties, waarvoor een redoxkoppel geldt: oxidator + elektron(en) → reductor: 

½ O2 + 2 H + + 2 e− → H 2 O



NAD + + 2 H + + 2 e − → NADH + H +

Eo’ = + 0.82 V Eo’ = − 0.32 V

(1) (2)

5

141

5.3 • Energetica van redoxreacties

. Tabel 5.1  Standaard redoxpotentiaal (Eo’) van metabool belangrijke redoxkoppels. Oxidator

Reductor

n

Eo’

NAD+

NADH + H+

2

-0,32

FAD

FADH2

2

-0,22

pyruvaat

lactaat

2

-0,19

fumaraat

succinaat

2

0,03

cytochroom b (+3)

cytochroom b (+2)

1

0,07

ubiquinon

ubiquinol (gereduceerd)

2

0,10

cytochroom c (+3)

cytochroom c (+2)

1

0,22

Fe (+3)

Fe (+2)

1

0,77

H 2O

2

0,82

½ O 2+

2H+

Eo’ is de standaard redoxpotentiaal, gemeten bij pH 7 en 25°C; n is het aantal elektronen dat wordt overgedragen van reductor naar oxidator.

Eo’ is de zogeheten standaard redoxpotentiaal, die gemeten kan worden met een voltmeter tegen een referentiekoppel (H+-oplossing met pH = 0 en H2 gas van 1 atmosfeer). De Eo’-waarden van enkele belangrijke redoxkoppels staan in . tabel 5.1. Hoe groter de Eo’-waarde, hoe groter de elektronegativiteit van de oxidator, dus hoe ‘liever’ deze elektronen opneemt. We zien dan dat de Eo’-waarde van dizuurstof als oxidator (de hoogste in de tabel) veel groter is dan de Eo’waarde van NAD+ (de laagste waarde in de tabel). Daarom zal dizuurstof ‘liever’ optreden als oxidator dan NAD+. Omgekeerd is NADH een sterkere reductor dan H2O. De totale reactie van hierboven verloopt (1) naar rechts en (2) naar links. Wanneer we reactie (2) omdraaien, begint NADH als reductor en moeten we schrijven:

NADH + H + → NAD + + 2H + + 2 e −

Eo’ = + 0,32 V

(3)

 Wanneer we halfreacties (1) en (3) optellen, wordt het:

NADH + H + + 1/2 O 2 → NAD + + H 2 O

(4) ∆Eo’ = + 1,14 V  De optelsom van (1) en (3) geeft voor de totale redoxreactie een samengestelde ∆ Eo‘-waarde van 1,14 volt, dit onder experimentele standaardomstandigheden, die niet optreden in het mitochondrium. Toch is het interessant om na te gaan wat deze 1,14 volt, die energetisch worden afgelegd wanneer de elektronen ‘vervallen’ van de sterke reductor NADH naar de sterke oxidator O2, oplevert aan potentiële energie. Dit is via de volgende vergelijking eenvoudig uit te rekenen:

∆G°’ = − n F ∆ Eo’ waarbij ∆ G°’ de vrije energieverandering is van de redoxreactie (kJ/mol), n het aantal elektronen dat tijdens de reactie stoichiometrisch ‘verhuist’ en F de Faraday-constante (96 kJ.V-1. mol-1). De standaard vrije energieverandering tijdens deze redoxreactie is dus:

− 2 × 96 × 1,14 = − 220 kJ/mol

142

Hoofdstuk 5 • Oxidatieve fosforylering

5

. Figuur 5.2  Energierijke elektronenparen (e−) komen op NADH en FADH2 terecht dankzij koolstofverbranding (7 H. 4) en worden afgestaan aan eiwitcomplexen van de ademhalingsketen. In NADH zit het elektronenpaar gebonden op de pyrimidinering, waardoor er minder mogelijkheden tot resonantie zijn dan in de geoxideerde toestand (NAD+). In een soortgelijke situatie verkeert het elektronenpaar dat gebonden zit op de isoalloxazinering van FADH2. Ook in dit geval zijn er minder resonantiemogelijkheden van de pi-orbitalen dan in het geoxideerde FAD (rechtsonder). R- is voor NAD en FAD dezelfde adenineribonucleotide (linksonder).

Merk op dat dit vergeleken met eerder besproken ∆ G°’-waarden in de ‘energierijke’ stappen van de glycolyse en citroenzuurcyclus een groot getal is, wat wijst op een sterk exergonische reactie (er komt meer energie vrij dan nodig is). Ten tweede is deze waarde meer dan zevenmaal hoger dan de endergonische (energievragende) reactie van ATP-synthese (∆ G°’ van ADP + Pi → ATP = + 30 kJ/mol). We eindigen deze paragraaf met de vraag: waarom is NADH zo’n sterke reductor? We kunnen deze vraag beantwoorden met behulp van . figuur 5.2. Het energierijke elektronenpaar ligt opgeslagen in de pyrimidinering, waar de elektronenwolk verdeeld wordt over orbitalen tussen koolstof-, stikstof- en waterstofatomen. Vergeleken met zuurstof hebben deze elementen een lagere elektronegativiteit, dus een redoxoverdracht naar zuurstof levert energie op. Maar we moeten de elektronenwolk van de geoxideerde vorm (NAD+, rechts in de figuur) nader bekijken. Drie geconjugeerde dubbele bindingen zijn getekend. Zoals in benzeen (de Kékulé-structuur) is de geschetste situatie in feite een grenstoestand (er bestaat een tweede, kun je die bedenken?) en zitten de elektronen uitgespreid in een pi-orbitaal dat boven en onder het vlak van de ring loopt. De resonantiemogelijkheden van de geoxideerde vorm van de nicotinamidering zijn dus groter dan die van de gereduceerde vorm. Er komt dus energie vrij in een exergonische reactie als NADH een elektronenpaar afstaat. Zeer vergelijkbaar is de situatie in FADH2, waar het energierijke elektronenpaargebonden wordt op de isoalloxazinering (.  figuur  5.2). De redoxreactie die verloopt van FADH2 naar dizuurstof begint in complex II van de ademhalingsketen.

5.4 • Overzicht van de elektronentransportketen

143

. Figuur 5.3  Energieverval van het elektronenpaar dat start van NADH en dat terechtkomt op zuurstof. In de complexen I, III en IV van de ademhalingsketen (elektronentransportketen) daalt de potentiële energie van de elektronen omdat ze doorgegeven worden naar dragers met toenemende elektronegativiteit (E0 stijgt).

FADH 2 + ½ O 2 → H 2 O + FAD De energietransfer is iets minder groot dan met NADH, want FADH2 is een iets minder sterke reductor dan NADH (. tabel 5.1). 5.4 Overzicht van de elektronentransportketen

Uit het voorgaande blijkt dat de redoxpotentiaal van het elektronenpaar dat van NADH naar dizuurstof verhuist, meer dan voldoende energie bevat voor de productie van verschillende moleculen ATP. In deze paragraaf zal besproken worden dat deze redoxreactie niet in één stap gebeurt, maar in vele kleine stapjes. Deze opdeling is geheel overeenkomstig het principe dat we eerder hebben gezien in verband met de oxidatie van koolstof in suikers en vetten tot CO2. De splitsing van de redoxreactie in een serie redoxreacties kan vergeleken worden met een rivier die ofwel in één keer 100 meter naar beneden duikt in een waterval, ofwel via een langere weg, bestaande uit een aaneenschakeling van punten met een kleiner verval, op dezelfde plaats kan uitkomen. In beide gevallen is eenzelfde totaal hoogteverschil afgelegd, zodat de verandering in de potentiële energie van het water identiek is. Precies hetzelfde geldt voor de elektronen in de redoxreactie van NADH naar zuurstof die ofwel in één keer ofwel in opgedeelde stappen kan gebeuren. Wanneer we de ademhalingsketen ‘op afstand’ bekijken, dan blijkt dat er vanuit NADH drie plaatsen zijn met een duidelijke val in potentiële energie van de elektronen (. figuur 5.3). Deze punten komen overeen met complexen I, III en IV van de ademhalingsketen. In 7 par. 5.5 zal blijken dat elk van deze complexen het verval in redoxpotentiaal weer opsplitst in een aantal deelprocessen, waarbij de elektronen verspringen van de ene drager naar de volgende. Het bijzondere is dat de redoxgroepen precies op de juiste afstanden van elkaar liggen om een ‘weg te banen’ die elektronen kunnen doorlopen. Een tweede opmerkelijk punt in deze aaneenschakeling van ‘watervalletjes’ is dat de elektronenaffiniteit van de chemische dragers van deze elektronentransportketen zijn gerangschikt met een toenemende elektronegativiteit naar stroomafwaarts toe (stijgende Eo’). Een derde opmerkelijk punt is dat de energie die tijdens het doorlopen van deze weg vrijkomt, gebruikt wordt om protonen van matrix naar intermembranaire ruimte te pompen, dit dankzij een conformatieverandering in de betrokken eiwitten. Tussen de eiwitcomplexen die door hun grootte weinig mobiel zijn, bevinden zich twee meer beweeglijke elektronendragers:

5

144

Hoofdstuk 5 • Oxidatieve fosforylering

5

. Figuur 5.4  Co-enzym Q en cytochroom c zijn twee mobiele elektronendragers die voor elektronentransport tussen de eiwitcomplexen zorgen. Co-enzym Q (boven) is vetoplosbaar en beweegt in de binnenste mitochondriale membraan tussen complexen I en III. De apolaire lange isopreenstaart (10 × C5 = C50) verankert de drager stevig in de lipidendubbellaag. Cytochroom c (onder) is een eiwit (klein stukje van de polypeptideketen getekend) dat zijn actieve heemgroep covalent verbindt via twee cysteïnezijketens. Midden in de heemring bevindt zich een ijzerion dat een redoxverandering kan ondergaan van Fe2+ (gereduceerde vorm) naar Fe3+ (geoxideerde vorm). Twee extra aminozuren van de polypeptideketen (histidine-18 en methionine-80) houden het ijzer ruimtelijk op zijn plaats.

co-enzym Q en cytochroom c (. figuur 5.4). Deze moleculen halen de energierijke elektronen stroomopwaarts in de ademhalingsketen op en geven die stroomafwaarts af. Op deze wijze worden complexen I tem IV met elkaar verbonden tot een soort geleidingsbaan voor metabole elektronen, waarvan de potentiële energie op een efficiënte wijze wordt gebruikt. 5.5 Eiwitcomplexen van de elektronentransportketen

Het eerste eiwitcomplex van de ademhalingsketen (complex I) draagt ook de naam NADH dehydrogenase (ubiquinon). Het gaat om een zeer groot quaternair eiwitcomplex (massa 880 kDa), dat uit meer dan veertig polypeptideketens bestaat(. figuur 5.6), waarvan de meeste gecodeerd worden door het nucleair genoom en zeven door het mitochondriaal genoom (. figuur 5.14). Het gaat te ver om de genen van deze structuur te benoemen, maar het is opmerkelijk dat er in het menselijk genoom (A) een taakverdeling bestaat tussen het nucleaire en het mitochondriale gedeelte van het genoom, en (B) er geen paralogen zijn, met daardoor een tegenargument tegen de totale genoomduplicaties als verklaring voor paralogen (7 par. 1.4.3). Dit complex ontvangt de NADH-elektronen vanuit de matrixzijde, waardoor NAD+ ontstaat, en geeft het elektronenpaar via een complexe reeks redoxreacties op interne dragers door aan ubiquinon, dat ook co-enzym Q genoemd wordt. Ubiquinon is een lipide van de binnenste membraan (. figuur 5.4).

5.5 • Eiwitcomplexen van de elektronentransportketen

145

. Figuur 5.5  De redoxketen van elektronenoverdracht binnen complex I vertrekt van NADH en eindigt bij ubiquinon dat ook wel co-enzym Q (Q) genoemd wordt. Onderweg passeren de elektronen via een flavinemononucleotide (FMN) en via nanometers grote ijzer-zwavelkristallen, waarvan één variant is getoond. Deze kristallen zitten aan de polypeptideketen van bepaalde subeenheden van complex I via het zwavelatoom van bepaalde cysteïneresiduen.

Belangrijke elektronendragers, zoals FMN (flavinemononucleotide) en ijzer-zwavel-nanokristallen (Fe-S-complexen), zitten covalent als prosthetische groepen vast aan subeenheden van het complex (.  figuur 5.5) en zijn ruimtelijk zo geplaatst dat elektronen over sub-nanometerafstanden ‘springen’ van drager naar drager. De drijfkracht voor deze sprongen is de toename in Eo’ (.  figuur 5.3). De aaneenschakeling van redoxreacties in complex I wordt in . figuur 5.5 samengevat. Tegelijk met de redoxreactie wordt door een groot domein van complex I, dat is verankerd in de binnenste membraan, een pakket van vier protonen gepompt van de matrix naar de intermembranaire ruimte (.  figuur 5.6). De elektronen van complex I worden vervolgens afgestaan aan Q, een vetoplosbaar co-enzym dat vrij in de binnenste mitochondriale membraan circuleert. Tussen co-enzym Q en zuurstof zijn de meeste elektronendragers cytochromen. Dit zijn redoxeiwitten met in het centrum een redoxactieve heemgroep, met daarin een centraal ijzerion dat alterneert tussen Fe2+ en Fe3+ (. figuur 5.4). In tegenstelling tot NADH en co-enzym Q kunnen deze redoxdragers slechts één elektron aannemen/afstaan. Dit betekent dat de cytochromen van complex III (ubiquinol-cytochrome c reductase) het elektronenpaar van QH2 op een gesplitste manier (elektron per elektron) moeten aannemen. Wanneer het eerste elektron van Q is afgenomen, blijft een ongepaard elektron op Q achter. Een dergelijke vrije radicaal is zeer reactief en het is de taak van complex III om dit reactieve molecuul ‘veilig’ te bewaren tot het tweede elektron is afgestaan. De beide elektronen verhuizen via de cytochromen b en c1 en het Rieske-eiwit, met daarin een Fe-S-kristal, naar het cytochroom c, dat als klein eiwit ‘vrij’ kan bewegen in de intermembranaire ruimte (. figuur 5.6; 7 ook par. 5.9). Tegelijk met de redoxreactie pompt complex III twee protonen van de matrix naar de intermembranaire ruimte (.  figuur 5.6). Bovendien gaan er twee zogeheten chemische protonen van Q naar de intermembranaire ruimte. De twee gereduceerde moleculen cytochroom c gaan vervolgens op zoek naar complex IV (. figuur 5.7). De heemgroep in de diepte van cytochroom c draagt per molecuul slechts één elektron van complex III naar complex IV, dat ook wel cytochroom c oxidase wordt genoemd. Complex IV is weer een grote structuur die bestaat als een dimeer van meer dan tien verschillende subeenheden. De centrale subeenheden I, II en III van dit complex zijn evolutionair het oudst en worden bij de mens gecodeerd door het mitochondriale genoom (7 par. 5.11). In dit centrale deel bevinden zich de belangrijkste reactieve centra, zoals twee redoxreactieve koperionen en de heemgroepen a en a3 (. figuur 5.7). Tevens is het centrale gedeelte van complex IV verantwoordelijk voor het pompen van twee protonen van de matrix naar de intermembranaire ruimte per elektronenpaar dat passeert van twee moleculen Cyt c naar een half molecuul O2 De overige subeenheden die door de celkern gecodeerd worden, hebben een regelende werking op het geheel.

5

146

Hoofdstuk 5 • Oxidatieve fosforylering

5

. Figuur 5.6  Complexen I en III van de oxidatieve fosforylering. Links: De tweeledige structuur van complex I. In de matrix bevindt zich het bolvormig gedeelte waarin enkele subeenheden genummerd zijn. Nqo1 neemt het elektronenpaar van NADH aan. De andere subeenheden helpen bij het doorgeven van deze elektronen aan de langwerpige intramembranaire structuur. Hier wordt de vrijkomende redoxenergie benut om vier protonen van de matrix naar de intramembranaire ruimte te pompen. De elektronen komen terecht bij co-enzym Q (Q) dat gereduceerd wordt tot QH2. Voor een review, zie Janssen et al. (2006). Rechts: Complex III bestaat uit een dimeer van telkens elf subeenheden. De kern van het complex bestaat uit een protonenpomp die gekoppeld is aan twee belangrijke cytochromen (Cyt b en Cyt c1). Vier redoxgroepen in deze centrale subeenheden zijn belangrijk voor het afnemen van het elektronenpaar, dat via de gescheiden wegen van twee aparte elektronen terechtkomt op twee moleculen cytochroom c; tegelijkertijd worden twee protonen van de matrix naar de intermembranaire ruimte gepompt; twee bijkomende chemische protonen gaan van Q naar de intermembranaire ruimte. De structuur van complex III werd door eiwitkristallografie bepaald (Iwata et al., 1998).

Er is een bijzonderheid met de stoichometrie van de redoxreactie in complex IV, want één molecuul dizuurstof (O2) heeft vier elektronen en vier protonen nodig om te reduceren tot twee watermoleculen (. figuur 5.8). Deze vier elektronen worden gedurende een reactiecyclus een voor een afgestaan aan het O2-molecuul. Omdat er op weg naar twee watermoleculen zeer reactieve zuurstofradicalen ontstaan, moet complex IV deze chemische tussenvormen goed ‘bewaren’ tot de redoxreactie is voltooid. Merk op dat complex IV per half molecuul dizuurstof in feite vier protonen uit de matrix verbruikt: twee ‘pomp’-protonen en twee ‘chemische’ protonen (. figuur 5.7 en . figuur 5.8). Co-enzym Q dient ook als elektronenacceptor voor de elektronen die via het al in hoofdstuk 4 besproken complex II (succinaatdehydrogenasecomplex)) de ademhalingsketen binnenkomen (. figuur 5.9). Hierop sluiten ook de FADH2-elektronen aan die ontstaan tijdens de eerste stap van de bèta-oxidatie van vetzuren. Dit dankzij het zogeheten elektrontransferproteïne (ETF) (. figuur 5.9), met als coderende genen ETFA en ETFB voor de niet-paraloge subeenheden van het eiwit. Een derde bron van elektronen die hier aansluit is de glycerolfosfaat-shuttle, die toelaat om de NADH-elektronen van de glycolyse te laten aansluiten op de oxidatieve fosforylering (. figuur 5.14). Deze redoxreacties drijven geen protonenpompen aan. Elektronenmicroscopische foto’s na negatieve contrastkleuring met uranylacetaat van elektroforetisch gezuiverde complexen van de ademhalingsketen duiden op het bestaan van de supercomplexen (Schafer et al., 2006). Hiermee wordt bedoeld dat één complex I, twee complexen

5.5 • Eiwitcomplexen van de elektronentransportketen

147

. Figuur 5.7  Complexen IV en V van de oxidatieve fosforylering. Links: de elektronenstroom in complex IV verloopt van gereduceerd cytochroom c (Cyt c) naar de acceptor O2. Let op de stoichiometrie: twee moleculen cytochroom c zijn nodig om een half molecuul O2 te reduceren tot water. Voor één dizuurstofmolecuul zijn dus vier afzonderlijke cytochroom-c-moleculen noodzakelijk. De potentiële energie die vrijkomt door de redoxreactie in complex IV wordt gebruikt om twee protonen van de matrix naar de intermembranaire ruimte te pompen. Twee bijkomende chemische protonen worden in de matrix verbruikt om water te vormen. De centraal gelegen en door het mitochondriaal DNA gecodeerde subeenheden zijn grijs; de meer perifeer gelegen nucleair gecodeerde subeenheden zijn blauw. Rechts: de protonengradiënt wordt door complex V benut voor ATP-synthese. Complex V bestaat uit een roterend deel (blauw) en een statisch deel (zwart/grijs). In dit complex stromen er protonen van de intermembranaire ruimte naar de matrix door een niet-continu kanaal dat bestaat uit één statische a-subeenheid en tien roterende c-subeenheden (revolvermodel). De rotatie in de revolver maakt een contact tussen niet met elkaar verbonden delen van het kanaal in de a-subeenheid en twee naburige c-subeenheden; hierdoor kan één voor de matrix bestemd proton loslaten en een ander proton, afkomstig van de intermembranaire ruimte, binden. De potentiële energie van de rotatie van de revolver wordt via een draaiende steel ‘overgedragen’ aan het ATP-synthetiserende deel van het complex dat zich als een (αβ)3hexameer in de matrix bevindt. Per volledige rotatie van de revolver wordt in elk van de drie αβ-monomeren één ATP gemaakt uit één ADP + Pi. Zie voor het rotatiemodel Wang & Oster (1998).

. Figuur 5.8  Vier elektronen en vier chemische protonen worden door complex IV afgegeven aan één dizuurstofmolecuul. De vier elektronen zijn afkomstig van vier afzonderlijke moleculen cytochroom c.

III en één complex IV samen via niet-covalente interacties een gigantische superstructuur genereren (massa 1500 kDa). Cardiolipine (difosfatidylglycerol – een abundant lipide van de binnenste mitochondriale membraan) treedt hierbij op als een soort moleculaire lijm tussen de oppervlakten van de individuele complexen). Het belang van cardiolipine werd aangetoond in proefdieren met enzymatische defecten in de cardiolipinesynthese. Het exacte voordeel voor de cel van dergelijke supercomplexen is nog

5

148

Hoofdstuk 5 • Oxidatieve fosforylering

5 . Figuur 5.9 FADH2-elektronen worden aan complex III afgegeven via QH2. Diverse enzymsystemen onttrekken FADH2-elektronen aan substraat. Voorbeelden zijn het succinaatdehydrogenase (SDH) van de Krebs-cyclus dat deel uitmaakt van complex II van de ademhalingsketen (links). Een ander voorbeeld (rechts) zijn de acylCoA-dehydrogenasen van de bèta-oxidatie van vetzuren, die contact maken met het elektrontransferproteïne (ETF). Een derde voorbeeld (niet getoond) is de mitochondriale glycerolfosfaatdehydrogenase, die deel uitmaakt van de glycerolfosfaat-shuttle (zie . figuur 5.14).

helemaal niet duidelijk (Acin-Perez & Enriquez, 2014). Misschien is er een voordeel door een kortere diffusieafstand voor de elektronen van NADH naar zuurstof, met vooral een kortere te overbruggen afstand voor Q en Cyt c. Ook zou cardiolipine door zijn zeer lage permeabiliteit voor protonen kunnen bijdragen tot de pH-gradiënt. Kwantitatief is de met protonenpompen opgebouwde potentiële energie uit te drukken als de proton motive force (pmf). Mitchell postuleerde dat de grootte van de opgebouwde potentiële energie (uitgedrukt in volt) bestaat uit de optelsom van de elektrische en een chemioosmotische (de pH-gradiënt) component:

pmf = Ψ – (RT/F × ∆ pH) Hierbij is Ψ de membraanpotentiaal over de binnenste membraan, ΔpH het negatieve logaritme van het concentratieverschil aan protonen en RT/F een constante (R = gasconstante, T = lichaamstemperatuur, F = Faraday-constante). De normale pmf bedraagt -0,18 V en wordt verklaard door het membraanpotentiaal (-0,12 V) en de concentratiegradiënt aan protonen (-0,06V). Cytochroom c speelt niet alleen een rol in de oxidatieve fosforylering maar ook in geprogrammeerde celdood (apoptose). Een sleutel tot het ontsnappen van cytochroom c uit de intermembranaire ruimte is de porie in de buitenste mitochondriale membraan (ook wel VDAC genoemd; voltageafhankelijk anionenkanaal). Deze porie vormt een complex met ANT in de binnenste membraan (. figuur 5.1) en samen met de eiwitten BCL2, BAX en BAD, die de door mitochondria gestarte apoptose regelen. 5.6 Mitochondriale ATP-synthase

Uit het voorgaande blijkt dat de door redoxenergie aangedreven protonenpompen voor een elektrochemisch potentiaal zorgen over de binnenste mitochondriale membraan. De laatste stap van de oxidatieve fosforylering wendt op een zeer doelgerichte wijze kleine pakketjes

5.7 • Maximaal rendement van de oxidatieve fosforylering

149

van dit potentiaal aan om de endergonische synthese van ATP uit ADP en Pi mogelijk te maken. Deze stap wordt uitgevoerd door het mitochondriale ATP-synthase, ook wel complex V genoemd, waarvan de coderende genen beginnen met de letters ATP5 en dan weer een letter (voorbeeld ATP5G1). Dit complex bestaat uit twee grote onderdelen: 1. een protonenkanaal (F0) dat de binnenste mitochondriale membraan overspant; 2. de eigenlijke plaats van ATP-synthese: een met de elektronenmicroscoop zichtbaar bolletje (F1) van de cristae van de binnenste mitochondriale membraan uitsteekt in de matrix. F0 en F1 zijn aan elkaar verbonden via twee stelen, waarvan er één als een as kan draaien en doordringt op een plek centraal tussen de ATP-synthetiserende subeenheden (. figuur 5.7). De structurele basis van de door een protonengradiënt aangedreven ATP-synthese ligt precies in deze draaibeweging. De oorsprong van het draaien berust in het protonenkanaal, dat eruitziet als een revolver. De ‘kogels’ die hierin passen zijn de protonen die vanuit de matrix een voor een worden opgenomen. De proton motive force drijft in de revolver een rotatie aan die per 36° (een tiende omwenteling) het pad effent voor de verhuizing van één proton van de intermembranaire ruimte naar de matrix. Er zijn tien subeenheden in de revolver, dus na één volledige rotatie van de revolver zijn tien protonen van de intermembranaire ruimte naar de matrix verhuisd. Dit pakket komt ongeveer overeen met wat de protonenpompen (complexen I, III en IV) samen hebben verhuisd dankzij de redoxenergie van het elektronenpaar van één NADH. Men heeft het concept van de roterende revolver experimenteel aangetoond met gezuiverde mitochondriale ATP-synthase (Wang & Oster, 1998) en het omgekeerde gedaan: met ATPhydrolyse een as aandrijven die beweging kan veroorzaken. Daarmee werd mitochondriale ATP-synthase een nanometers kleine moleculaire motor. Inzicht in de juiste wijze waarop het terugstromen van protonen door de revolver gekoppeld wordt aan de productie van ATP, werd verkregen door analyse van röntgenstraaldiffractie en Nucleaire Magnetische Resonantie-studies van gezuiverd complex V (Yoshida et al., 2001). De samenvatting van dit inzicht is te zien in . figuur 5.10. De door het protonenkanaal aangedreven steelvormige gamma-subeenheid draait tussen de drie ATP-synthetiserende bèta-subeenheden van F1. Hierdoor veranderen de ruimtelijke contacten van de gamma-subeenheid met elk van de drie bèta-subeenheden en dit werkt als een drijfveer voor allosterische transities (O naar L, T naar O en L naar T in . figuur 5.10). Elke 120° wordt één transitie uitgevoerd en het doorlopen van de drie ruimtelijke toestanden is nodig voor een volledige katalytische cyclus. Hierdoor wordt per 360° rotatie van de gammasubeenheid een volledige katalytische cyclus doorlopen in elk van de bèta-subeenheden, zodat we kunnen besluiten dat tien protonen voldoende zijn om drie ATP-moleculen te produceren uit drie moleculen ADP en drie moleculen Pi. Ten slotte maken we de bedenking dat FADH2, dat complex I overslaat, slechts zes pompprotonen oplevert; dit volstaat bij benadering voor de productie van twee moleculen ATP. 5.7 Maximaal rendement van de oxidatieve fosforylering

Het inzicht van de vorige paragraaf brengt ons tot een globaal overzicht van de oxidatieve fosforylering en de chemio-osmotische protonengradiënt die oxidatie en fosforylering stoichiometrisch aan elkaar verbindt naar rato van drie moleculen ATP per tien ‘gepompte’ protonen (. figuur 5.11). Verder weten we dat de protonenpompen samen tien protonen pompen per molecuul NADH dat wordt geoxideerd, terwijl er slechts zes protonen worden gepompt met het FADH2elektronenpaar. Vanuit deze getallen en de stoichometrie van de volledige glucoseverbranding

5

150

Hoofdstuk 5 • Oxidatieve fosforylering

5

. Figuur 5.10  Rotatiemechanisme voor het aandrijven van de ATP-synthese. We ‘kijken’ van de binnenste membraan in de richting van de matrix naar een doorsnede door F1, op een plaats waar de roterende gammasubeenheid van F1 (blauw) doordringt in het centrum tussen de drie statische bèta-subeenheden. Een rotatie van de gamma-subeenheid met 360 graden wordt aangedreven door de energie van tien protonen en is goed voor de netto synthese van één molecuul ATP in elk van de drie bèta-subeenheden. Het mechanisme van de ATP-synthese heeft te maken met drie conformatietoestanden van elk van de drie actieve sites. O = open (actieve site die ATP loslaat en vervolgens nieuwe ADP en Pi binnenlaat). L = loose (actieve site met een zwakke binding voor ADP en Pi, de beide substraten); T = tight (de door de gamma-steel ‘opgespannen’ bèta-subeenheid waarin een actieve site met een zeer hoge energietoestand die toelaat de activeringsenergie te overbruggen van de transitiestaat (tussen ADP/Pi en ATP) en die de netto energie kan leveren (bij ‘terugval’ naar de ‘ontspannen’ O-toestand) om ATP te vormen). Zie voor een review Yoshida et al. (2001).

. Figuur 5.11  Maximaal rendement van de oxidatieve fosforylering van drie moleculen ATP per geoxideerde NADH. De energierijke elektronen die afkomstig zijn van suiker-, vetzuur- en aminozuuroxidatie, stromen via NADH binnen in complex I van de ademhalingsketen en verhuizen via een reeks redoxmoleculen naar zuurstof dat door complex IV wordt gereduceerd tot water. Gedurende deze redoxreacties wordt per elektronenpaar een pakket van tien protonen gepompt van de matrix naar de intermembranaire ruimte. Daardoor ligt de pH in de matrix één eenheid hoger dan die in de intermembranaire ruimte. Dit protonenpakket is nodig om het revolversysteem van complex V precies 360° te doen draaien; per slag van 36° (één subeenheid van de blauw gekleurde revolver) ‘lekt’ één proton van de intermembranaire ruimte terug naar de matrix. De totale energie die de revolver in één ronde opwekt, is voldoende om drie ATP-moleculen te synthetiseren. FADH2, dat complex I overslaat, levert slechts zes pompprotonen op, wat nagenoeg volstaat voor twee moleculen ATP per elektronenpaar.

151

5.7 • Maximaal rendement van de oxidatieve fosforylering

. Tabel 5.2  Berekening van het maximale ATP-rendement (ATP-moleculen per verbrand molecuul brandstof ) bij volledige oxidatie van glucose en palmitaat tot CO2. Metabole weg

Substraatniveau

Elektronenparen

Ox Fos

Totaal

Glycolyse

2 ATP

2 NADH

4*

6

oxidatieve decarboxylering

-

2 NADH

6

6

Krebs-cyclus

2 GTP

6 NADH + 2 FADH2

22

24

totaal (ATP-equivalenten)

4

32

36

Glucose

Palmitaat vetzuuractivering

-2 ATP

7 ronden van bèta-oxidatie

-

7 FADH2 + 7 NADH

35

35

-2

Krebs-cyclus (8 Ac CoA)

8 GTP

24 NADH + 8 FADH2

88

96

totaal (ATP-equivalenten)

6

123

129

* Transport van cytosol-NADH-elektronen naar de ademhalingsketen via de glycerolfosfaatshuttle levert twee moleculen ATP op per molecuul NADH; in geval van transport via de malaat-aspartaat-shuttle is de waarde echter drie moleculen ATP per molecuul NADH.

tot CO2 kunnen we daarom een maximaal rendement berekenen waarmee cellen nuttige chemische energie in de vorm van ATP halen uit de verbranding van glucose (.  tabel 5.2). De tien NADH-moleculen en twee FADH2-moleculen (samen 24 energierijke elektronenparen) worden overgedragen op twaalf zuurstofatomen met de vorming van twaalf watermoleculen. Er wordt eerder zes moleculen water verbruikt. Globaal betekent dit:

glucose + 36 ADP + 36 Pi + 6 O 2 → 6 CO 2 + 6 H 2 O + 36 ATP Uit deze vergelijking valt een aantal interessante kwantitatieve parameters van het energiemetabolisme van een cel te halen. De respiratoire quotiënt (RQ) geeft informatie over de aard van de verbrande brandstoffen. Definitie RQ is de ratio tussen het aantal mol CO2 dat is geproduceerd en het aantal mol O2 dat is gereduceerd.

Uit de vergelijking hierboven blijkt dat bij de volledige oxidatie van suikers deze ratio gelijk is aan 1,0. Vetten en eiwitten zijn per koolstofatoom gemiddeld minder geoxideerd dan koolhydraten. Hun volledige verbranding tot CO2 resulteert dan ook in een RQ die kleiner is dan 1 (0,80 en 0,71 voor respectievelijk eiwitten en vetten). Inderdaad, voor de volledige verbranding van 1 molecuul palmitaat (7 rondes van bèta-oxidatie, gevolgd door Krebs-cyclus) worden 16 moleculen CO2 geproduceerd, maar 23 moleculen O2 verbruikt. De koolstofverbranding levert 31 NADH-moleculen en 15 FADH2-moleculen (samen 46 energierijke elektronenparen die worden overgedragen op 46 zuurstofatomen). Globaal betekent dit dus:

5

152

Hoofdstuk 5 • Oxidatieve fosforylering

palmitaat + 129 ADP + 129 Pi + 23 O 2 → 16 CO 2 + 16 H 2 O + 129 ATP

5

Een interessant aspect van deze ratio is dan men deze in het ziekenhuis of in een onderzoekslaboratorium op niet-invasieve wijze voor een totaal organisme kan meten door geproduceerde CO2 en verbruikte O2 in de ademhalingsgassen te meten. De zogeheten P:O-ratio is een maat voor de respiratoire koppeling. In de teller van deze ratio staat het aantal geproduceerde ATP-moleculen (fosforylering) en in de noemer het aantal verbruikte zuurstofatomen (oxidatie). Voor de maximaal gekoppelde oxidatieve fosforylering na de volledige verbranding van glucose en palmitaat bedraagt de P:O-ratio respectievelijk 3,0 en 2,8. Hierbij is het belangrijk om te onderstrepen dat voor beide brandstoffen het overgrote deel van de ATP-opbrengst te danken is aan de oxidatieve fosforylering (. tabel 5.2). Het thermodynamisch maximaal haalbare rendement (nuttige energie/totale energieverandering) kan men benaderen door calorimetrisch te bepalen hoeveel energie er vrijkomt wanneer glucose onder standaardcondities wordt verbrand:

glucose + 6O 2 → 6CO 2 + 6H 2 O ( ∆G°’ = − 2800 kJ /mol )

De standaard vrije energie (∆G°’) voor de productie van 36 mol ATP is 36 × 30,7 = 1100 kJ, zodat het netto rendement van de glucoseverbranding in cellen gelijk is aan:

(1100/2800) × 100 = 39%

Een dergelijk nuttig rendement is, vergeleken met door de mens gemaakte machines, een hoog getal en de evolutie van de oxidatieve fosforylering is samen met de fotosynthese een reusachtig belangrijk feit voor het leven op aarde. We moeten dit maximale rendement echter wel wat nuanceren. Ten eerste zouden we niet de ∆G°’-waarde maar de werkelijk bestaande ∆G-waarde moeten kennen van de synthese van ATP in de mitochondriale matrix. Ten tweede zijn er factoren die een deel van de protonengradiënt verbruiken zonder dat dit leidt tot ATP-synthese, dus een verlies van chemio-osmotische gradiënt zonder dat hier ATP van wordt gemaakt. Dit wordt hierna nader toegelicht (7 par. 5.8). Toch is ook het echte rendement zeer hoog vergeleken met de anaerobe glycolyse (7 par. 3.3.2). Hier ontstaat per mol glucose immers slechts twee mol ATP, zodat het rendement slechts 2% (60/2800) is. Pioniers Otto Warburg Voor een gelijk ritme van ATP-productie onder anaerobe condities, moeten gistcellen dus ongeveer twintigmaal meer glucose verbruiken per tijdseenheid (anaerobe glycolyse) dan onder aerobe omstandigheden (glycolyse + Krebs-cyclus). Dit fenomeen noemt men het Pasteur-effect. Dit effect werd door Louis Pasteur zelf in 1857 ontdekt, toen hij waarnam dat gistcellen die van atmosferische zuurstof worden voorzien hun fermentatiesnelheid vertragen. Een ander fenomeen is het Warburg-effect genoemd naar de ontdekker van NADH en FAD, Otto Heinrich Warburg (1883-1970). Deze pionier van het onderzoek van het energiemetabolisme observeerde dat kankercellen vooral via de anaerobe glycolyse ATP genereren (bij een laag rendement dus), terwijl niet-tumorale cellen aeroob verbranden met een veel hoger ATP-rendement per molecuul glucose. Er zijn vele factoren die dit verschil tussen kankercellen en niet-kankercellen kunnen verklaren. Een ervan is de lage zuurstofspanning in tumoren doordat de doorbloeding en de kankergroei niet parallel verlopen (7 par. 3.4.2).

5.8 • Respiratoire ontkoppeling

153

. Figuur 5.12  Ontkoppeling van de oxidatieve fosforylering. Het revolvermechanisme van complex V dat drie moleculen ATP genereert per tien terugstromende protonen (A) is niet de enige wijze waarop protonen kunnen terugstromen van de intermembranaire ruimte naar de matrix. B Een achterpoortje ontstaat door een ‘lek’ van protonen door uncoupling protein1 (UCP1), zodat de vrijgekomen energie van de protonenbeweging ‘verloren’ gaat als warmte. Gevolg van deze ontkoppeling is dat er per elektronenpaar afkomstig van NADH een pakket van minder dan tien protonen beschikbaar is voor complex V, zodat er minder dan drie ATP-moleculen kunnen worden gemaakt. Bovendien verbruikt de adenine-nucleotidetranslocator (ANT) ongeveer 16% van de proton motive force voor het transport van ADP naar de matrix en het tegentransport van ATP naar de intermembranaire ruimte.

5.8 Respiratoire ontkoppeling

Zoals al aangegeven werd in de vorige paragraaf, wordt het maximale rendement van de oxidatieve fosforylering niet bereikt. Een deel van de verklaring is de uitwisseling van adeninenucleotiden, die absoluut noodzakelijk is om het perifere verbruik van ATP en de synthese van ATP in de matrix aan elkaar te ‘verbinden’ (. figuur 5.1 en . figuur 5.12). Deze uitwisseling komt neer op de beweging van ATP naar de intermembraanruimte en van ADP naar de matrix. Het hiervoor verantwoordelijke eiwit heet adenine-nucleotidetranslocator en de vier verschillende paralogen (ANT1tem4) worden gecodeerd door genen van de grote solute carrier familie (SLC25A4, SLC25A5, SLC25A6 en SLC25A31). Doordat ATP meer negatief geladen is dan ADP, veroorzaakt de uitwisseling van ATP en ADP door ANT een verlies van de proton motive force van ongeveer 16%. Een hierin begrepen fenomeen is dat de import van fosfaat naar de matrix gepaard gaat met het tegentransport van OH– van matrix naar intermembranaire ruimte. Door dit gebruik van een flink deel van de proton motive force is de werkelijke opbrengst 2,5 moleculen ATP per molecuul NADH en 1,5 molecuul ATP per molecuul FADH2. Hierdoor kunnen de formules van de vorige paragraaf herschreven worden:

glucose + 30 ADP + 30 Pi + 6 O 2 → 6 CO 2 + 6 H 2 O + 30 ATP palmitaat + 106 ADP + 106 Pi + 23 O 2 → 16 CO 2 + 16 H 2 O + 106 ATP

5

154

5

Hoofdstuk 5 • Oxidatieve fosforylering

. Figuur 5.13  Het voorkómen van de vorming van reactieve zuurstofspecies (ROS) in complex IV is het werk van twee reactieve redoxcentra die eerst met cytochroom c worden gereduceerd (boven links en midden); daarna pas mag dizuurstof binden. Door een interne redoxreactie, die gebruikmaakt van een tyrosineresidu (niet getoond), ontstaat een peroxideverbinding (rechtsonder); de dubbele binding tussen de zuurstofatomen is al herleid tot een enkele binding. Nu komen het derde en vierde reducerende elektron binnen: dit reduceert het peroxide tot twee OH-groepen (onder midden en links). De laatste twee chemische protonen doen twee watermoleculen ontstaan; omdat twee OH–-groepen worden losgelaten, oxideren de twee redoxcentra weer tot hun oorspronkelijke toestand (helemaal links).

Elektronentransport en fosforylering van ADP kunnen bovendien ontkoppeld worden door een ‘lek’ van protonen door de binnenste membraan, dat ontstaat dankzij de werking van leden van de familie van de zogeheten uncoupling proteins (UCP1, UCP2 en UCP3). Dit zijn kleine transmembranaire eiwitten van de binnenste membraan, waarvan de expressie induceerbaar is en de protonenflux reguleerbaar. Door deze ontkoppeling levert de oxidatie van voedingsstoffen geen ATP op maar alleen warmte (. figuur 5.12). Respiratoire ontkoppeling speelt dus een belangrijke rol in de thermoregulatie. De onbetwiste onkoppelaar in dit verhaal is de UCP1-paraloog. De expressie van UCP1 is belangrijk in de mitochondria van bruin vetweefsel, dat gekenmerkt wordt door een intense vetzuuroxidatie en talrijke mitochondria. Hierdoor speelt bruin vet een rol in de thermogenese bij zoogdieren. Bij de mens is bruin vet belangrijk voor de pasgeboren baby, omdat deze cellen helpen verdedigen tegen afkoeling (hypothermie) in de nieuwe wereld buiten de baarmoeder. In de neonatale periode neemt het aantal bruine vetcellen af. Recent onderzoek heeft echter het bestaan van aanzienlijke hoeveelheden bruine vetcellen in volwassenen aangetoond (Cypess et al., 2009) en de massa van deze cellen kan experimenteel worden verhoogd door acclimatisering aan een koude omgeving (Van Marken Lichtenbelt et al., 2009). Adrenaline verhoogt de thermogenese door de expressie van UCP1 op te drijven. De precieze rol van UCP2 en UCP3 in de thermogenese is veel minder duidelijk en het is de vraag of deze paralogen wel echte respiratoire ontkoppelaars zijn (Costford et al., 2007). De expressie van UCP3 in skeletspieren zou mogelijk meer verband houden met het bevorderen van vetzuuroxidatie (Costford et al., 2007) en het verminderen van reactieve zuurstofspecies (ROS). Dit laatste idee brengt ons tot de volgende paragraaf. 5.9 Zuurstof is een potentieel gevaarlijk molecuul

We keren even terug naar complex IV. .  figuur 5.13 laat zien hoe de vier noodzakelijke elektronen voor de reductie van dizuurstof tot twee moleculen water door vier op elkaar volgende moleculen cytochroom c worden geleverd. Dit proces is niet zonder gevaar, want een mogelijke

5.9 • Zuurstof is een potentieel gevaarlijk molecuul

155

tussenstap in de omzetting van dizuurstofgas tot water is opname van slechts één elektron met vorming van het bijzonder reactieve superoxide-anion (O2−). Het is essentieel voor het leven dat dit voor de cel zeer gevaarlijke anion, dat DNA, membranen en eiwitten beschadigen kan, zo min mogelijk wordt gevormd. Complex IV vermijdt dit op de volgende manier (.  figuur 5.13). Het redox-reactieve centrum van complex IV bevat twee belangrijke redoxgroepen: het ijzerion van heem-a3 en het zogeheten koper-B-ion. Voor aanvang van de reductiecyclus zijn beide in de geoxideerde toestand (.  figuur 5.13). Twee van de vier reducerende elektronen worden door twee moleculen cytochroom c in het redoxsysteem gebracht voordat dizuurstof bindt. Daarna volgt de verzwakking van de binding tussen de twee zuurstofatomen door een herschikking van gebonden dizuurstof tot een peroxide (. figuur 5.13). Ten slotte zetten de laatste twee reducerende elektronen plus twee chemische protonen deze peroxide om in twee OH-groepen. Twee bijkomende chemische protonen worden gebruikt om de zich afsplitsende OH– om te zetten in water. Hierdoor is complex IV een bijzonder veilig systeem dat bijna alle zuurstof reduceert tot water. Als er toch reactieve zuurstofmoleculen (ROS) worden gevormd, dan is dit vooral door de werking van complexen I en III. Het ontstaan van ROS in de ademhalingsketen en de gevolgen hiervan voor cellen, weefsels en organen is een medisch belangrijk onderzoeksdomein, omdat men tot het inzicht is gekomen dat een overdreven productie van ROS een rol speelt bij de vroegtijdige veroudering van cellen met daardoor meer kans op kanker, degeneratieve ziekten en inflammatie. In vele chronische ziekten wordt ROS dan ook als een van de factoren gezien die bijdragen tot het ziektebeeld. Een ander interessant aspect is dat er een verband is tussen het ontstaan van ROS en de activering van de uncoupling proteins. Door de respiratoire ontkoppeling neemt de proton motive force af en dit vermindert de snelheid van nieuwe ROS-productie. Gelukkig beschikt de cel over een aantal systemen om ROS op te ruimen of de opgelopen schade te herstellen. In het kader van dit hoofdstuk bespreken we het superoxidedismutase (SOD1 en SOD2) dat de volgende reactie katalyseert:

O2 − + O2 − + 2 H + → H 2 O2 + O2 Het hierdoor gevormde en nog altijd reactieve waterstofperoxide wordt door glutathionperoxidase en door katalase onschadelijk gemaakt. Het eerste enzym bekijken we beter in het volgende hoofdstuk. Voor katalase is de reactie:

H 2 O2 + H 2 O2 → 2 H 2 O + O2 Toepassing Superoxidedismutase en amyotrofische lateraalsclerose Er bestaan bij de mens twee belangrijke intracellulaire paralogen van superoxidedismutase: een koper/zink-afhankelijk enzym (SOD1) dat in het cytoplasma gelokaliseerd is en een mangaan-afhankelijk enzym (SOD2) dat zich in de mitochondria bevindt. Mutaties in het menselijke SOD1-gen kunnen aanleiding geven tot de autosomaal dominante vorm van amyotrofische lateraalsclerose (ALS), een chronische aftakelingsziekte van de motorneuronen in de voorhoorn van het ruggenmerg met progressieve verlamming als gevolg. De ernst van de klinische symptomatologie is niet gerelateerd aan het verlies aan enzymactiviteit en men vermoedt dat de autosomaal dominante overerving verklaard wordt door het feit dat het mutante SOD1 in de motorneuronen toxische radicalen produceert in plaats van

5

156

5

Hoofdstuk 5 • Oxidatieve fosforylering

radicalen op te ruimen. Dit idee wordt gesteund door het idee dat SOD1-knock-out-muizen geen ALS vertonen, maar transgene muizen met verhoogde expressie wel (Shibata, 2001). Vele van de mutaties zijn in feite ‘gain-of-function’-mutaties die neurotoxisch kunnen zijn (Turner & Talbot, 2008). De productie van reactieve hydroxylradicalen (OH) is niet de enige mogelijke verklaring voor de ziekte. Een ander mogelijk mechanisme zou verlopen door het neerslaan van eiwitaggregaten in de motoneuronon (Ogawa & Furakawa, 2014), dus een proces dat een beetje lijkt op degeneratieve ziekten (Alzheimer, Parkinson) van de hersenen. Nog een ander idee is een fatale complexvorming tussen het mutante SOD1-eiwit en BCL2, een mitochondriaal membraaneiwit dat beschermt tegen apoptose (Tan et al., 2014).

5.10 Shuttles voor cytoplasmatisch NADH

Een gevolg van de ondoorlaatbare binnenste mitochondriale membraan is dat de NADHelektronen die gevormd worden door het glyceraldehyde-3-fosfaatdehydrogenase (GADPH) van de glycolyse (7 par. 3.3.2), niet direct in de mitochondriale binnenste membraan kunnen binnentreden. Om dit probleem op te lossen zijn er – naast het eerder besproken lactaatdehydrogenase – twee moleculaire shuttlebusjes ontwikkeld die de NADH-elektronen eerst op een metaboliet brengen, de metaboliet dan in de mitochondria laten binnenkomen en vervolgens de elektronen weer verwijderen. Deze twee shuttlebusjes zijn de glycerolfosfaat-shuttle en de malaat-aspartaat-shuttle (. figuur 5.14). In de eerste shuttle wordt het energierijke elektronenpaar van NADH door cytoplasmatisch glycerol-3-fosfaatdehydrogenase 1 (GPD1) overgeplaatst op dihydroxyacetonfosfaat, waardoor glycerol-3-fosfaat ontstaat. Glycerol-3-fosfaat reist naar de intermembraanruimte, waar mitochondriaal glycerol-3-fosfaatdehydrogenase 2 (GPD2) het elektronenpaar afneemt van glycerol3-fosfaat en plaatst op FAD, die als FADH2 complex II van de ademhalingsketen binnengaat (. figuur 5.14). De malaat-aspartaat-shuttle is iets ingewikkelder en vereist niet alleen een paar dehydrogenasen (cytplasmatisch en mitochondriaal malaatdehydrogenase; MDH1 en MDH2), maar ook een paar glutamaat-/oxaloacetaattransaminasen (cytoplasmatisch GOT1 en mitochondriaal GOT2). Bovendien zijn twee soorten transporters bezig om de diffusie van de betrokken metabolieten door de binnenste membraan mogelijk te maken: aan de ene kant is dit de malaat-/alfa-ketoglutaraat-carrier (SLC25A11) en aan de andere kant de aspartaat-/glutamaatcarrier (met als twee paralogen SLC25A12 en SLC25A13). Het verschil met de glycerolfosfaatshuttle is dat de malaat-aspartaat-shuttle de matrixelektronen als NADH levert die complex I kunnen binnenstromen (. figuur 5.14). 5.11 Mitochondriale ziekten

In dit hoofdstuk is herhaaldelijk naar voren gekomen dat de mitochondria cruciaal zijn in de ATP-productie van cellen, dat zij de bron zijn van sterk reactieve en daardoor beschadigende reactieve zuurstofradicalen (ROS) en dat zij een beslissing kunnen nemen in verband met het in gang zetten van apoptose. Hierdoor is men tot het inzicht gekomen dat mitochondriale disfunctie een grote rol speelt in vele voor de mens belangrijke ziekten (Smeitink et al., 2006).

5.11 • Mitochondriale ziekten

157

. Figuur 5.14  De glycerolfosfaat-shuttle (links) en de malaat-aspartaat-shuttle (rechts) brengen overtollige elektronen die afkomstig zijn van cytoplasmatisch NADH, naar de binnenste mitochondriale membraan. De noodzakelijke enzymen en transporteiwitten zijn afgekort met de gensymbolen; voor de corresponderende namen, zie de tekst. Belangrijk in deze shuttles is dat NADH zelf niet van het cytoplasma naar de mitochondria verhuist.

Mitochondria kunnen op vele manieren bijdragen tot ziekte. Omgevingsfactoren, zoals een vetrijk dieet, kunnen een hoge druk uitoefenen op de metabole taken en op den duur door overdreven ROS-productie bijdragen tot beschadiging en aftakeling van de cel. Door veroudering opgelopen schade aan DNA, eiwitten en membranen kan de aanleiding zijn voor mitochondriale disfunctie. Erfelijke factoren kunnen leiden tot aangeboren mitochondriale gebreken die zich uiten in het abnormaal functioneren van diverse weefsels en organen. Een bijzondere plaats in deze laatste categorie wordt vertegenwoordigd door erfelijke defecten in het mitochondriaal genoom. De incidentie van deze zogeheten mitochondriale ziekten is 1:5000 geboorten, wat frequent is vergeleken met andere erfelijke aandoeningen (Dimauro & Davidzon, 2005). Een van de meest kenmerkende metabole veranderingen in het bloed is een gestegen lactaatconcentratie (lactaatacidose), wat begrijpelijk is aangezien pyruvaat door de mitochondriale disfunctie moeilijker aeroob verbrand kan worden en dus een uitweg zoekt via lactaatdehydrogenase. Toepassing Moleculaire verklaring voor mitochondriale ziekten Het mitochondriaal genoom is slechts 16,6 kilobaseparen lang en ligt gecodeerd binnen het circulaire mitochondriale DNA (mtDNA), waarvan enkele exemplaren per mitochondrium aanwezig zijn. Omdat de eicel veel meer exemplaren mitochondriaal mtDNA bevat dan een zaadcel en bovendien dit DNA veel efficiënter ‘doorgeeft’ aan de zygoot, worden mtDNAmutaties overgeërfd via de moeder. Het mitochondriaal genoom codeert voor 13 ‘kerneiwitten’ van complex I tem V van de oxidatieve fosforylering (7 figuur). Hieraan worden de 73 door nuclaire genen gecodeerde eiwitten toegevoegd om de werkende complexen te verkrijgen.

5

158

5

Hoofdstuk 5 • Oxidatieve fosforylering

Het mitochondriaal genoom (mtDNA) codeert voor 13 subeenheden van de complexen I-V van de oxidatieve fosforylering. De overige 73 subeenheden liggen gecodeerd in het nucleair genoom. Mutaties in het mtDNA kunnen aanleiding geven tot verminderde oxidatieve fosforylering, gebrek aan ATP-productie, overdreven ROS-productie en abnormale apoptose van cellen.

Opmerkelijk is dat erfelijk bepaalde ziekten van de oxidatieve fosforylering die het gevolg zijn van mutaties in het mitochondriaal DNA, bij de mens meer voorkomen dan ziekten door mutaties in de genen van subeenheden die worden gecodeerd door nucleaire genen (Dimauro & Davidzon, 2005). Dit kan misschien verklaard worden met het fenomeen heteroplasmie. Heteroplasmie betekent dat een door ziekte aangetaste cel een mengsel bevat van normale en gemuteerde exemplaren van mtDNA; dit vanwege het feit dat een cel vele mitochondria bevat en elk mitochondrium verschillende exemplaren van het mtDNA (Smeitink et al., 2006). De ernst van de pathologie en de daardoor bepaalde symptomen hangt dan ook af van het percentage gemuteerde mtDNA-exemplaren in de ‘gemiddelde’ cel en van de impact van de mutatie op het functieverlies van mitochondriaal genoom. Binnen een weefsel bestaat er ook een spreiding rond dit gemiddelde met meer aangetaste cellen (hoger % mutante mtDNA), naast beter functionerende cellen. Een aantal van de mtDNA-mutaties is gelegen in de voor complex I t/m V eiwitten coderende informatie (mutaties type 1 in de tabel). Een groot aantal andere mutaties (type 2 in de tabel) treft de sequentie die buiten deze mRNA-coderende genen ligt en die codeert voor elementen van het mitochondriaal translatieapparaat (mt-tRNA’s mt-rRNA). Door dergelijke type-2-mutaties kan de productie van alle 13 subeenheden die gecodeerd worden door het mitochondriaal genoom worden gecompromitteerd. Een voorbeeld is MELAS (Mitochondrial Encephalomyopathy, Lactic Acidosis, and Stroke-like episodes), een via de moeder overerfbaar klinisch syndroom van lactaatacidose, neurologische defecten en suikerziekte, dat meestal wordt veroorzaakt door puntmutaties in het mitochondriale tRNALEUgen (Van den Ouweland et al., 1994). Een overzicht van de meest voorkomende ziekten ten gevolge van erfelijk bepaalde mtDNA-mutaties is te vinden in . tabel 5.3. Het valt op dat de aangetaste weefsels – centraal zenuwstelsel, hart, oog (vooral retina en oogzenuw), bèta-cellen van de pancreas – terugkeren in een soort patroon. Dit heeft ongetwijfeld te maken met het feit dat cellen in deze weefsels weinig delen, waardoor de mitochondria in deze cellen oud zijn en lang ‘mee moeten gaan’. In een snel prolifererende cel met heteroplasmie zou ‘survival of the fittest’ een zuiverende rol kunnen spelen. Hiermee wordt bedoeld het laag houden van de graad van heteroplasmie door een betere delingskans van mitochondria met relatief veel normaal mtDNA en dus goede functie.

159

5.11 • Mitochondriale ziekten

. Tabel 5.3  Enkele bij de mens voorkomende ziekten veroorzaakt door mutaties in het mtDNA. Acroniem

Naam van de ziekte

Aangetaste organen

Type mutatie*

KSS

Kearns-Sayre-syndroom

oog, hart

2

LHON

Leber hereditary optic neuropathy

oogzenuw

1

MELAS

mitochondrial encephalomyopathy, lactic acidosis, stroke-like episodes & diabetes mellitus

CZS, bèta-cellen

vooral 2

MERRF

myoclonus epilepsy & ragged red fibers

CZS, skeletspier

2

MILS

maternally inherited Leigh syndrome

CZS

1

NARP

neuropathy, ataxia, retinitis pigmentosa

CZS, oog

1

PEO

progressive external ophthalmoplegia

oog

2

Bron: Dimauro & Davidzon (2005) en Russell & Trunbull (2014). CZS = centraal zenuwstelsel; Leigh-syndroom = subacuut necrotiserende encefalopathie. * 1 = mutatie in eiwitcoderend gen (specifieke subeenheid van de oxidatieve fosforylering); 2 = mutatie van het translatieapparaat (tRNA-genen, rRNA-genen).

Erfelijk bepaalde mitochondriale disfunctie kan ook het gevolg zijn van een mutatie voor mitochondriaal eiwit coderende nucleaire genen. We hebben SOD1 en amyotrofische lateraalsclerose al vermeld. Een interessant geval is het globaal functieverlies met daling van het aantal mitochondria per cel na mutatie in de transcriptiefactor TFAM (Larsson et al., 1998). Dit eiwit bleek verantwoordelijk voor de regeling van de snelheid van transcriptie van het mtDNA. Onderzoek van mRNA-expressie via micro-arrays in een panel van weefsels wijst op een weefselspecifieke intensiteit, waarmee de nucleaire genen voor de eiwitten van de ademhalingsketen tot expressie komen (Thorrez et al., 2008). Via de knock-outtechnologie worden ook individuele, door de celkern gecodeerde subeenheden van de oxidatieve fosforylering uitgeschakeld, waarbij het fenotype van deze mutante muizen (knock-out-muizen) wordt bestudeerd (Torraco et al., 2009). De meeste van deze mutante modellen, wanneer er sprake is van globale knock-out, zijn embryonaal lethaal. Voor sommige subeenheden van complex IV (COX) levert dit een fenotype van Leigh-syndroom, een subacuut necrotiserende encefalopathie. Een bijzonder geval is COX6A2 (COX6AH), omdat dit gen specifiek tot expressie komt in dwarsgestreepte spieren (hart- en skeletspieren). Er bestaat immers ook een COX6A1isovorm die in alle weefsels (inclusief spieren) voorkomt; tijdens de embryogenese schakelt de dwarsgestreepte spier geleidelijk over op COX6A2 (Parsons et al., 1996). Verwacht werd dat de globale COX6A2-knock-out een subtieler fenotype zou geven. De knock-out van dit gen gaf weliswaar de verwachte en matige hartdecompensatie (Radford et al., 2002), maar de gemeten ATP-concentratie in de hartspier was normaal. Geheel onverwacht was het gegeven dat de COX6A2-knock-out-muizen totaal beschermd zijn tegen obesitas en diabetes die in veel muizenstammen optreedt na het langdurig voeden met een vetrijk dieet (Quintens en al., 2013).

5

160

Hoofdstuk 5 • Oxidatieve fosforylering

Literatuur

5

Acin-Perez, R. & Enriquez, J.A. (2014). The function of the respiratory supercomplexes: the plasticity model. Biochim Biophys Acta. 1837, 444–450. Costford, S.R., Seifert, E.L., Bézaire, V., Gerrits, M., Bevilacqua, L., Gowing, A. & Harper, M.E. (2007). The energetic implications of uncoupling protein-3 in skeletal muscle. Appl Physiol Nutr Metab. 32, 884–894. Cypess, A.M. et al. (2009). Identification and importance of brown adipose tissue in adult humans. N Engl J Med. 360, 1509–1517. Dimauro, S. & Davidzon, G. (2005). Mitochondrial DNA & disease. Ann. Med. 37, 222–232. Iwata, S., Lee, J.W., Okada, K., Lee, J.K., Iwata, M., Rasmussen, B., et al. (1998). Complete structure of the 11-subunit bovine mitochondrial cytochrome bc1 complex. Science 281, 64–71. Janssen, R.J., Nijtmans, L.G., Heuvel, L.P. van den & Smeitink, J.A. (2006). Mitochondrial complex I: structure, function & pathology. J Inherit. Metab Dis. 29, 499–515. Larsson, N.G., Wang, J., Wilhelmsson, H., Oldfors, A., Rustin, P., Lewandoski, M., et al. (1998). Mitochondrial transcription factor A is necessary for mtDNA maintenance & embryogenesis in mice. Nat. Genet. 18, 231–236. Ogawa, M. & Furukawa, Y. (2014). A seeded propagation of Cu, Zn-superoxide dismutase aggregates in amyotrophic lateral sclerosis. Front Cell Neurosci. 8, 83. Ouweland van den, J.M., Lemkes, H.H., Trembath, R.C., Ross, R., Velho, G., Cohen, D., et al. (1994). Maternally inherited diabetes & deafness is a distinct subtype of diabetes & associates with a single point mutation in the mitochondrial tRNA(Leu(UUR)) gene. Diabetes 43, 746–751. Parsons, W.J., Williams, R.S., Shelton, J.M., Luo, Y., Kessler, D.J. & Richardson, J.A. (1996). Developmental regulation of cytochrome oxidase subunit VIa isoforms in cardiac & skeletal muscle. Am. J Physiol 270, H567–H574. Quintens, R. et al. (2013). Mice deficient in the respiratory chain gene Cox6a2 are protected against high-fat dietinduced obesity and insulin resistance. PLoS One. 8, e56719. Radford, N.B., Wan, B., Richman, A., Szczepaniak, L.S., Li, J.L., Li, K., et al. (2002). Cardiac dysfunction in mice lacking cytochrome-c oxidase subunit VIaH. Am. J Physiol Heart Circ. Physiol 282, H726–H733. Russell, O. & Turnbull, D. Mitochondrial DNA disease-molecular insights and potential routes to a cure. (2014). Exp Cell Res. 325, 38–43. Saraste, M. (1999). Oxidative phosphorylation at the fin de siecle. Science 283, 1488–1493. Schafer, E., Seelert, H., Reifschneider, N.H., Krause, F., Dencher, N.A. & Vonck, J. (2006). Architecture of active mammalian respiratory chain supercomplexes. J Biol Chem. 281, 15370–15375. Schultz, B.E. & Chan, S.I. (2001). Structures & proton-pumping strategies of mitochondrial respiratory enzymes 1. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 30, 23–65. Shibata, N. (2001). Transgenic mouse model for familial amyotrophic lateral sclerosis with superoxide dismutase-1 mutation. Neuropathology. 21, 82–92. Smeitink, J.A., Zeviani, M., Turnbull, D.M. & Jacobs, H.T. (2006). Mitochondrial medicine: a metabolic perspective on the pathology of oxidative phosphorylation disorders. Cell Metab 3, 9–13. Tan, W., Pasinelli, P. & Trotti, D. (2014). Role of mitochondria in mutant SOD1 linked amyotrophic lateral sclerosis. Biochim Biophys Acta. S0925–4439. Thorrez, L., Van Deun, K., Tranchevent, L.C., Van Lommel, L., Engelen, K., Marchal, K., et al. (2008). Using ribosomal protein genes as reference: A tale of caution. Plos One 3. Torraco, A., Diaz, F., Vempati, U.D. & Moraes, C.T. (2009). Mouse models of oxidative phosphorylation defects: powerful tools to study the pathobiology of mitochondrial diseases. Biochim. Biophys. Acta 1793, 171–180. Turner, B.J. & Talbot, K. (2008). Transgenics, toxicity & therapeutics in rodent models of mutant SOD1-mediated familial ALS. Prog. Neurobiol. 85, 94–134. van Marken Lichtenbelt, W.D., Vanhommerig, J.W., Smulders, N.M., Drossaerts, J.M., Kemerink, G.J., Bouvy, N.D., Schrauwen, P. & Teule, G.J. (2009). Cold-activated brown adipose tissue in healthy men. N Engl J Med. 360, 1500–1508. Wang, H. & Oster, G. (1998). Energy transduction in the F1 motor of ATP-synthase. Nature 396, 279–282. Yoshida, M., Muneyuki, E. & Hisabori, T. (2001). ATP-synthase. A marvellous rotary engine of the cell. Nat. Rev. Mol. Cell Biol 2, 669–677.

161

Glycogeenmetabolisme, gluconeogenese en pentosefosfaatweg Samenvatting Hoofdstuk 6 begint met de aanmaak en afbraak van glycogeen (respectievelijk glycogeensynthese en glycogenolyse). Glycogeen vertegenwoordigt een beperkte hoeveelheid reservebrandstof in de lever (tussen de maaltijden – bufferen bloedglucoseconcentratie) of in de witte spiervezels (contracties – synthese van ATP). De regeling van beide processen is reciprook en verloopt via reversibele (de)fosforylering van glycogeensynthase en fosforylase. Een reeks erfelijke ziekten van deze wegen leidt tot glycogeenopstapeling (glycogenose). Als we vasten, zal de lever de bloedglucoseconcentratie verder op peil houden via de gluconeogenese, een proces waarin aminozuren, glycerol en lactaat worden omgezet in glucose. De flux van deze weg wordt onderdrukt door fructose-2,6-bisfosfaat. De pentosefosfaatweg begint bij glucose-6-fosfaat, die oxidatief wordt omgezet tot ribulose-5-fosfaat met vorming van NADPH. Uit ribulose-5-fosfaat kan ribose-5-fosfaat ontstaan voor de synthese van RNA en DNA, of glyceraldehyde-3-fosfaat en fructose-6-fosfaat die kunnen dienen voor vetzuursynthese. Veelvuldig voorkomende mutaties in het glucose-6-fosfaatdehydrogenase-gen houden verband met bescherming tegen malaria-infecties.

6.1 Inleiding – 163 6.2 Glycogeenmetabolisme – 165 6.3 Glycogenolyse – 166 6.4 Glucose-1-fosfaat in lever en spieren – 168 6.5 Glycogeensynthese – 169 6.6 Regeling van het glycogeenmetabolisme – 171

F. C. Schuit, Leerboek metabolisme, DOI 10.1007/978-90-368-0620-6_6, © 2015 Bohn Stafleu van Loghum, onderdeel van Springer Media BV

6

6.7 Gluconeogenese – 174 6.7.1 Drie bijzondere reacties – 174 6.7.2 Eiwit- en vetreserve leveren belangrijke substraten – 177

6.8 Reciproke regeling van gluconeogenese en glycolyse – 178 6.9 Glycogenosen – 182 6.10 Pentosefosfaatweg – 185 6.10.1 Inleiding – 185 6.10.2 De oxidatieve fase – 186 6.10.3 Interconversie tussen pentosefosfaten – 187 6.10.4 Transketolase en transaldolase sluiten de pentosefosfaten aan op de glycolyse – 187 6.10.5 Vier verschillende modaliteiten van werking van de ­pentosefosfaatweg – 189

Literatuur – 193

6.1 • Inleiding

163

6.1 Inleiding

Dit hoofdstuk bespreekt drie bijzondere paden van het suikermetabolisme (.  figuur 6.1) die een groot belang hebben in gespecialiseerde weefsels zoals lever, nieren, spieren en vetweefsel. Deze specialisatie staat in contrast met de wegen die in de vorige drie hoofdstukken besproken werden, omdat deze in elk celtype gebruikt worden voor ATP-synthese. De nu besproken wegen hebben een bijzondere betekenis voor de menselijke fysiologie en pathologie. In de eerste plaats is zowel de glycogeenafbraak (glycogenolyse) als de gluconeogenese een middel om de lever tussen de maaltijden en in de gevaste toestand voldoende glucose aan de bloedbaan te laten afgeven. Dit is levensnoodzakelijk, omdat onze hersenen gretige verbruikers zijn van het in het bloed circulerende glucose en de hele voorraad binnen enkele minuten zouden uitputten, ware het niet dat de lever dit verbruik compenseert met glucosemobilisatie uit eigen reserve. Het centraal zenuwstelsel houdt zelf nauwelijks energie opgeslagen en heeft dus elke seconde van het leven aanvoer van nieuwe glucose uit de circulatie nodig. Zonder opname van glucose uit de darm of glucosemobilisatie door de lever leidt het glucoseverbruik van de hersenen tot daling van de bloedglucoseconcentratie (hypoglykemie). Wanneer deze toestand ernstig is, kan dit binnen enkele minuten irreversibele hersenschade veroorzaken. Met de evolutionaire expansie van de menselijke hersenen is het belang van de glucosemobilisatie door de lever toegenomen. De mens bezit dan ook een krachtig regelsysteem dat de glykemie niet laat dalen onder de normale grenswaarde. De hormonale en neurogene regelmechanismen van de zogeheten glucosehomeostase worden later besproken (7 par. 12.3). In dit hoofdstuk wordt uitgelegd op welke wijze de glycogenolyse en gluconeogenese in de lever leiden tot glucosemobilisatie. In de tweede plaats dient glycogenolyse in de skelet- en hartspier als een compenserend systeem dat ervoor zorgt dat de glycolytische metabolieten op peil blijven tijdens mechanische arbeid. Op dat moment worden er namelijk veel glycolytische metabolieten verbruikt voor ATP-synthese en zal nieuwe glucose moeten worden gevonden, door opname uit de bloedbaan, of uit eigen voorraad (glycogeen). Tegelijkertijd zal er door de intense glycolyse lactaat ontstaan, dat afval is voor de spieren en naar het bloed diffundeert. De lever zal dit ‘metabole afval’ recyclen tot glucose (gluconeogenese) en weer in de bloedbaan brengen. In deze metabole kringloop (Cori-cyclus) is er dus een samenwerking tussen lever en spier. Het afgebroken glycogeen wordt in de spieren (rust) en in de lever (na maaltijden) heropgebouwd. Dit proces heet glycogeensynthese. Het is erg belangrijk dat glycogenolyse en glycogeensynthese gescheiden metabole wegen zijn die op een reciproke wijze worden geregeld. Ten derde bespreken we de pentosefosfaatweg (synoniem: hexosemonofosfaatshunt of HMS) waarin glucose-6-fosfaat vanuit de glycolyse nog een andere zijweg inslaat dan naar glycogeen; dit is een weg die twee anabole doeleinden kan dienen: 1. herschikking van het koolstofskelet tot ribose en desoxyribose, de suikers die bestanddeel zijn van nucleïnezuren en nucleotiden; 2. oxidatie van het koolstofskelet met als bedoeling energierijke elektronenparen te genereren die niet dienen om ATP te produceren, maar wel om via NADPH reductieve biosynthese te ondersteunen. De pentosefosfaatweg wordt inderdaad intensief gebruikt in cellen die groeien (ribosomensynthese; rRNA) of delen (DNA-synthese). Anderzijds is deze weg belangrijk in cellen die ­vetzuren, cholesterol of steroïden produceren. Het reducerend vermogen wordt ten slotte ­bijzonder intens gebruikt om oxidatieve schade van rode bloedcellen te herstellen.

6

164

Hoofdstuk 6 • Glycogeenmetabolisme, gluconeogenese en pentosefosfaatweg

6 . Figuur 6.1  Paden van het glucosemetabolisme in dit hoofdstuk. De parenchymcellen van de lever gebruiken deze metabole paden om de bloedglucoseconcentratie tussen de maaltijden en gedurende een periode van vasten (rood) te bufferen. Deze wegen zijn de enzymatische afbraak van glycogeen (glycogenolyse) en de synthese van glucose uit andere bouwstenen (gluconeogenese). Beide wegen zijn in de loop van de evolutie ontwikkeld in dieren om de glucosehomeostase (een zo constant mogelijke bloedglucosewaarde in alle levensomstandigheden) te garanderen. De glycogeensynthese dient om na de maaltijden (blauw) de voorraad glycogeen weer op te bouwen. Daarnaast zal de lever de overschotten glucose uit de voeding omzetten in vetzuren en cholesterol, die naar het bloed worden geëxporteerd als lipoproteïnen (VLDL, LDL en HDL). Dit deel van het anabolisme maakt gebruik van de pentosefosfaatweg en van de glycolyse. Let op de centrale positie van glucose-6-fosfaat, een metabool kruispunt van anabole en katabole paden.

Een laatste aspect van dit hoofdstuk is het bestaan van inborn errors of metabolism van het glycogeenmetabolisme en van de pentosefosfaatweg. Dit zijn erfelijk bepaalde defecten van enzymen die in deze paden actief zijn. De glycogeenstapelingsziekten (glycogenosen) zijn zeldzaam, maar hebben een groot conceptueel belang, onder meer door de recente ontwikkeling van recombinant DNA-technologisch verkregen enzymsubstitutie die de prognose van deze patiënten gevoelig verbetert. De familiale glucose-6-fosfaatdehydrogenasedeficiëntie, die hemolytische bloedarmoede veroorzaakt, komt juist extreem veel voor in etnische groepen die wonen of woonden in gebieden met malaria-infecties. Dit gegeven illustreert de krachtige wisselwerking tussen genen en omgevingsfactoren en laat een Darwinistisch perspectief zien van humane ziekten. Leerdoelen 55 inzicht opbouwen in het belang van glucosemobilisatie door de lever; 55 de belangrijke stappen kennen van gluconeogenese, glycogenolyse, glycogeensynthese en van de pentosefosfaatweg; 55 inzicht krijgen in de reciproke regeling van tegenovergestelde metabole wegen; 55 inschatten van het belang van het reductieve vermogen tot herstel van oxidatieve schade en reductieve biosynthese; 55 kennismaking met ‘inborn errors of metabolism’; 55 de interactie begrijpen tussen glucose-6-fosfaatdehydrogenasedeficiëntie en bescherming van rode bloedcellen tegen infectie met de malariaparasiet Plasmodium.

6.2 • Glycogeenmetabolisme

165

. Figuur 6.2  Schema van een glycogeenmolecuul. A Vereenvoudigd model van het polymeer. Elk bolletje stelt een glucosebouwsteen voor. Deze zogeheten residuen zitten aan elkaar vast via alfa-1,4- en -1,6-glycosidebindingen. Het glycogeen zit via het reducerend uiteinde (zwart bolletje) covalent vast aan het glycogenine, een eiwit dat noodzakelijk is voor de priming van de glycogeensynthese. De talrijke niet-reducerende uiteinden (rode bolletjes) zitten aan de oppervlakte. De glucoseresiduen die zorgen voor de vertakkingspunten zijn blauw gekleurd. B Details van de chemische bindingen tussen negen glucoseresiduen die overeenstemmen met die in het kader van het schema ernaast (180° gespiegeld). R=rest (> 99%) van de molecuulstructuur.

Studeeraanwijzing Dit hoofdstuk behandelt drie gespecialiseerde wegen van het glucosemetabolisme die in niet alle cellen en weefsels even intens plaatsvinden. Enerzijds dragen deze wegen bij tot de buffering van de glykemie, iets dat verder wordt bekeken (7 par. 12.3). Anderzijds is deze materie relevant voor het vetzuur- en nucleotidemetabolisme (7 H. 7 en H. 10). De tijd voor het verwerken van de kernleerstof wordt geschat op 12-14 uur.

6.2 Glycogeenmetabolisme

Het lichaam van een volwassene bevat in de gevoede en uitgeruste toestand ongeveer 300-400 gram glycogeen, dat vooral ligt opgeslagen in de dwarsgestreepte spieren (twee derde) en in de lever (een derde). De spieren beheren hun glycogeen alleen voor eigen gebruik, terwijl de lever de glycogeenreserve tussen de maaltijden afbreekt om de glykemie zo constant mogelijk te houden en daardoor glucose te leveren voor verbruik in vooral de hersenen. Dit betekent dat in een spier na langdurige arbeid en in de lever van een vastend persoon de glycogeenvoorraad met 90% is ingekrompen, niet doordat het aantal glycogeenmoleculen is verminderd, maar doordat de grootte per molecuul afneemt. Dit vergt nadere uitleg. De structuur van glycogeen bestaat als een grote vertakte polymeer van alfa-D-glucose (.  figuur 6.2). In gevoede toestand (lever) of in de uitgeruste spier bevat een gemiddeld glycogeenmolecuul wel 20.000 glucoseresiduen, die vooral door middel van alfa-1,4-glycosidebindingen aan elkaar vast zitten. De vertakkingen ontstaan door alfa-1,6-glycosidebindingen. Glycogeenmoleculen zijn heterogeen in massa (5 × 105 tot 5 × 106 g/mol) en grootte (100-400 Å) door het variabele aantal glucoseresiduen waaruit ze zijn opgebouwd. In de lever komen circa vijftig glycogeenmoleculen samen voor als een aggregaat: het alfa-particular glycogen (MG≈108 g/mol). Met de elektronenmicroscoop zijn deze korrels gemakkelijk in de lever waarneembaar als elektronendense druiventrosachtige structuren: ze bevatten naast het glycogeenmolecuul

6

166

6

Hoofdstuk 6 • Glycogeenmetabolisme, gluconeogenese en pentosefosfaatweg

ook de enzymen die glycogeen aanmaken en afbreken en de regulerende proteïnekinasen en fosfatasen. Bovendien zit het glycogeen via het reducerend uiteinde covalent vast aan het glycogenine, een 37 kDa eiwit dat noodzakelijk is voor de glycogeensynthese. Het aantal glycogeninemoleculen per cel bepaalt dus het aantal glycogeenmoleculen. Omdat glycogenine in de cel voorkomt als een homodimeer, zitten hier dus ook twee glycogeenmoleculen aan vast. Volledig opgebouwd glycogeen bevat diverse ‘lagen’ van vertakkingen naar de oppervlakte; in afgebroken glycogeen worden deze takken laag na laag verwijderd, tot een minimale suikerstructuur rond glycogenine is bereikt; deze wordt niet verder afgebroken maar wacht als primer voor de heropbouw. Deze primer zit covalent vast aan glycogenine in het centrum van het molecuul. Het glycogeenmetabolisme is een conceptueel rijk en belangrijk thema: 55 het illustreert de idee dat anabole en katabole reacties via gescheiden wegen verlopen; 55 het is het eerste proces waarvan de moleculaire werking van hormonen werd begrepen; 55 vanwege het bestaan van erfelijk bepaalde enzymdeficiënties (de glycogenosen). 6.3 Glycogenolyse

De structuur van glycogeen (.  figuur 6.2) is relevant voor het begrijpen van het mechanisme van de enzymatische afbraak van glycogeen die zal gebeuren ter hoogte van de niet-reducerende uiteinden van het bolvormige, vertakte polymeer. Belangrijk is dat er door het grote aantal zijtakken aan de oppervlakte van het molecuul een groot aantal niet-reducerende uiteinden aanwezig is. Dit heeft als gevolg dat de afbraak op veel plaatsen tegelijk gebeurt. De enzymatische katalyse gebeurt dus via verschillende naast elkaar werkende enzymmoleculen. Het resultaat is dat er een veel snellere glucosemobilisatie kan plaatsvinden als het lichaam hierom vraagt, dan het geval zou zijn met een onvertakt molecuul met één niet-reducerend uiteinde. Hetzelfde kan gezegd worden voor de glycogeensynthese. In .  figuur 6.3 is te zien hoe glycosidebindingen tussen twee glucosebouwstenen van glycogeen worden ‘gebroken’. De ‘breuk’ is niet het gevolg van een hydrolyse (tussenkomst van water) maar van een fosforolyse (tussenkomst van een fosfaat). Deze reactie is het werk van glycogeenfosforylase, dat de alfa-1,4-glycosidebinding aan het niet-reducerend uiteinde van een tak van glycogeen als substraat herkent en glucose-1-fosfaat afsplitst. De mens codeert dit enzym in het genoom via drie paraloge genen (PYGM, PYGL en PYGB), waarvan de eerste twee specifiek gebruikt worden in spieren, respectievelijk de lever. Na de reactie is een nieuw substraat ontstaan dat één glucoseresidu is ingekort. Het fosforylase ‘knaagt’ dus de lineaire alfa-1,4-glycosideketens af, beginnende vanaf de niet-reducerende uiteinden. Het enzym stopt echter wanneer deze keten is ingekort tot drie residuen van een vertakkingspunt (. figuur 6.4). Verdere glycogeenafbraak kan alleen gebeuren in aanwezigheid van een tweede enzym, het ‘debranching enzyme’ (AGL). Het AGL is dus nodig voor het verwijderen van de vertakkingspunten, want deze hinderen het fosforylase (. figuur 6.4). Dit enzym is een groot (160 kDa) eiwit dat twee enzymatische activiteiten bezit. Ten eerste een transferase, dat een zijtakje (bestaande uit de drie terminale glucosen die verbonden waren door alfa-1,4-glycosidebindingen) losmaakt en vastkoppelt aan het uiteinde van de moedertak (alfa-1,4-glycosidebinding). Ten tweede een alfa-1,6-glucosidase, dat de overgebleven eerste glucoseresidu van de zijtak enzymatisch losmaakt van de moedertak. Hiervoor wordt de alfa-1,6-glycosidebinding gehydrolyseerd, zodat er vrij glucose ontstaat. Het fosforylase kan het nieuwe vrije uiteinde van de moedertak weer beginnen in te korten tot drie residuen van de aanhechting op de hoofdtak.

6.3 • Glycogenolyse

167

. Figuur 6.3  Fosforylase (zwarte bol) voert de fosforolyse uit op zijn substraat, het glycogeen. Hierbij wordt een fosfaatmolecuul (Pi) gebruikt om de glycosidebinding te verbreken met vorming van glucose-1-fosfaat. Talrijke enzymmoleculen kunnen tegelijkertijd op hetzelfde substraat inwerken; dit laat een snel tempo van glycogenolyse toe.

. Figuur 6.4  De gecombineerde werking van fosforylase en debranching enzyme. Bovenaan staan 28 glucoseresiduen ter hoogte van de buitenste zijde van het bolvormige glycogeenmolecuul. Links bevinden zich twee niet-reducerende uiteinden (rode residuen); rechts loopt de polymeer verder door naar de rest van het glycogeenmolecuul (R); elders aan de oppervlakte van het molecuul spelen zich gelijktijdig processen af die analoog zijn aan de processen in deze figuur. Fosforylase haalt de buitenste elf glucoseresiduen weg door fosforolyse en botst dan op de vertakking. Deze wordt ‘ontbonden’ door debranching enzyme (AGL) en dit door twee enzymatische activiteiten: transferase en α-1,6-glucosidase. Op de onderste structuur kan fosforylase verder inwerken, tot het botst op de vertakking rechts.

6

168

Hoofdstuk 6 • Glycogeenmetabolisme, gluconeogenese en pentosefosfaatweg

. Figuur 6.5  Fosfoglucomutase katalyseert de ‘verhuizing’ van de fosfaatgroep van positie 1’ naar positie 6’ van het glucosemolecuul. Hierdoor sluit de glycogenolyse aan op de glycolyse (spier) of gluconeogenese (lever).

6

>>Tijdens de glycogenolyse ontstaat dus ongeveer 90% glucose-1-fosfaat (het werk van fosforylase) naast ongeveer 10% vrij glucose (het werk van het debranching enzyme).

6.4 Glucose-1-fosfaat in lever en spieren

De fosforolyse van glycogeen biedt – naast het weren van water uit de actieve site – twee grote voordelen ten opzichte van de hydrolyse tot glucose, zoals gebeurt met zetmeel tijdens de spijsvertering. Deze twee voordelen zijn energiebesparing en compartimentering. De fosforolyse is energiebesparend ten opzichte van de hydrolyse met water, wanneer glucose-1-fosfaat verder in de cel verbrand wordt. Bovendien kan glucose-1-fosfaat de cel niet zomaar verlaten, omdat een transporter voor deze geladen metaboliet in de plasmamembraan ontbreekt. Dit in tegenstelling tot glucose. Het glucose-1-fosfaat dat vrijkomt door de werking van fosforylase wordt door het enzym fosfoglucomutase omgezet tot glucose-6-fosfaat met verschillende paralogen bij de mens (PGM1-PGM5 in .  figuur 6.5). Het mechanisme van deze reversibele reactie (de intramoleculaire verhuizing van een fosfaatester) lijkt veel op de reactie van fosfoglyceromutase van de glycolyse. Het verdere lot van het glucose-6-fosfaat hangt af van het type weefsel. De spieren bezitten géén glucose-6-fosfatase, zodat er geen vrij glucose kan ontstaan dat de cellen zou verlaten. Het glucose-6-fosfaat wordt hier steeds verbruikt als energiebron (dus verbranding tijdens de glycolyse). De spier kan zijn glycogeenvoorraad driehonderdmaal sneller afbreken dan opbouwen. Tijdens mechanische arbeid is er snel veel ATP nodig, die voor een deel wordt gehaald uit een intense glycolyse. Er is in de spier daarom een dubbel voordeel van de fosforolyse van glycogeen boven de hydrolyse (. figuur 6.6). Ten eerste kan glucose-1-fosfaat niet door de celmembraan naar buiten diffunderen; deze metaboliet blijft dus binnen de spiercel en staat garant voor een rol in de glycolyse. Ten tweede levert de anaerobe glycolyse vertrekkende van glucose-1-fosfaat een energiebesparing van één molecuul ATP per molecuul glucose, zodat het totale rendement van de glycolyse drie moleculen ATP is tegenover twee moleculen ATP voor glucose. Dit is een verschil van 50% en dus een duidelijk voordeel. De lever zal het glucose-6-fosfaat tijdens een periode van vasten of stress bijna uitsluitend voor andere weefsels gebruiken. Tijdens vasten of stress zullen hormonale signalen in het bloed de glycolyse in de lever stilleggen en de glycogenolyse en gluconeogenese bevorderen. Er ontstaan zo grote hoeveelheden glucose-6-fosfaat die door het enzym glucose-6-fosfatase (G6PC) worden om-

169

6.5 • Glycogeensynthese

. Figuur 6.6  De fosforolyse van glycogeen levert 90% van de glucoseresiduen als glucose-1-fosfaat. Dit heeft twee ‘voordelen’ ten opzichte van de hydrolyse tot glucose (10%; afkomstig van debranching enzyme): (1) ondiffundeerbaarheid door een membraantransporter, zoals glucose door de GLUTs; (2) 50% hogere ATP-opbrengst van de glycolyse die niet vertrekt van glucose maar van glucose-6-fosfaat.

gezet in vrije glucose. Dit laatste zal de levercellen dan verlaten om de bloedglucose op peil te houden. 6.5 Glycogeensynthese

Aangezien de fosforylasereactie in principe reversibel is, zou de glycogeensynthese theoretisch ook via deze enzymatische stap kunnen plaatsvinden. In de cel gebeurt dit echter niet, maar wordt de glycogeensynthese door andere enzymen dan fosforylase gekatalyseerd. Het belangrijkste enzym van de glycogeenaanmaak is het glycogeensynthase: dit gebruikt UDP-glucose (uridinedifosfoglucose) en niet glucose-1-fosfaat als biosynthetische voorloper. De reactie (niet het omgekeerde van de glycogenolyse) is:

glycogeen ( n residuen ) + UDP − glucose → glycogeen ( n + 1residuen ) + UDP Maar voordat dit kan gebeuren, moet eerst de biosynthetische bouwsteen zijn geactiveerd. Wanneer glucose-1-fosfaat op UMP (uridinemonofosfaat) wordt overgedragen, ontstaat UDPglucose (.  figuur 6.7). Het verantwoordelijk enzym is UDP-glucose pyrofosforylase 2 (UGP2). De hydrolyse van pyrofosfaat maakt de reactie irreversibel.

UTP + glucose − 1 − fosfaat → UDP − glucose + PPi PPi + H 2 0 → 2Pi Deze wijze vormt een motief in anabole paden van het metabolisme. Andere voorbeelden van hetzelfde principe zijn te zien in de synthese van RNA, DNA, eiwitten en polysachariden. De

6

170

6

Hoofdstuk 6 • Glycogeenmetabolisme, gluconeogenese en pentosefosfaatweg

. Figuur 6.7  UDP-glucose, de bouwsteen van de glycogeensynthese, wordt in een exergonische reactie door UDP-glucose pyrofosforylase 2 (UGP2) geproduceerd door de overdracht van het UMP-gedeelte van UTP op glucose-1-fosfaat.

. Figuur 6.8  De gecombineerde werking van glycogeensynthase en branching enzyme. De verlenging van een van de buitenste takken van glycogeen door glycogeensynthase gebeurt door inbreng van het energierijke UDP-glucose. Wanneer een keten tot ongeveer veertien residuen lengte is uitgebreid, gaat het branching enzyme (GBE1), een bifunctioneel enzym met twee activiteiten, een zijtak maken. Eerst splitst de alfa-1,4-glucosidase activiteit een stuk van zeven residuen af van de moedertak; dan plaatst de transferase dit afgeknipte deel als zijtak op de moedertak (alfa-1,6-glycosidebinding). Het nieuwe glycogeen heeft een nieuw niet-reducerend uiteinde gekregen (rode zeshoek).

UDP-verbindingen functioneren als drager van geactiveerde monosachariden, die gebruikt worden als bouwstenen voor polysachariden, glycoproteïnen of glycolipiden. Het glycogeensynthase vertoont een spier- en leverspecifieke paraloog (GYS1 en GYS2) en katalyseert een reactie, waarbij het glucosegedeelte van UDP-glucose via een alfa-1,4-glycosidebinding wordt toegevoegd aan de niet-reducerende uiteinden van glycogeen (. figuur 6.8). Dit kan alleen gebeuren op een primer die al minstens acht glucoseresiduen groot is en die vastzit aan het eerder besproken glycogenine.

6.6 • Regeling van het glycogeenmetabolisme

171

. Figuur 6.9  Reciproke regeling van glycogenolyse en glycogeensynthese voorkomt de ongewenste situatie (boven) dat glycogeensynthese en glycogenolyse tegelijk plaatsvinden, want dit leidt alleen maar tot verspilling van energie. Tussen de maaltijden leidt cAMP-afhankelijke fosforylering tot netto glycogeenafbraak, waardoor de lever glucose aan de bloedbaan afstaat. Tijdens en net na de maaltijden veroorzaakt PP1 defosforylering van zowel glycogeensynthase als fosforylase, waardoor er juist glycogeen wordt bijgemaakt, waarvoor de lever glucose uit het bloed opneemt.

Het branching enzyme (GBE1) zorgt ervoor dat er op regelmatige afstand zijtakken ontstaan op de hoofdtakken. Dit gebeurt doordat de laatst toegevoegde zeven residuen van de moedertak worden afgeknipt (alfa-1,4-glucosidase) en ‘en bloc’ als zijtak worden vastgehecht op de moedertak (vorming van een nieuwe alfa-1,6-binding). Het branching enzyme bezit dus (net als het debranching enzyme) een transferase- en een glucosidaseactiviteit; bovendien zijn beide enzymen tamelijk nauwkeurig in de lengte van de keten die ze overdragen. 6.6 Regeling van het glycogeenmetabolisme

De snelheid van afbraak en opbouw van de glycogeenvoorraad in lever en spieren wordt op elk moment van de dag nauwkeurig geregeld op een bijzondere wijze die nadere aandacht verdient. Ten eerste zijn afbraak en opbouw reciprook op elkaar afgestemd, zodat de ongewenste situatie van een tegenstrijdig actieve synthese en afbraak in dezelfde cel op hetzelfde moment (. figuur 6.9 boven) vermeden wordt. Ten tweede wordt deze reciproke regeling van buitenaf opgelegd door het endocriene systeem (in het bloed circulerende hormonen) en door het zenuwstelsel (neurotransmitters). Ten derde is de ontdekking van het wetenschappelijke mechanisme van de reciproke regeling van glycogenolyse en glycogeensynthese een van de grootste mijlpalen geweest in het metabole onderzoek van de twintigste eeuw: het was het

6

172

Hoofdstuk 6 • Glycogeenmetabolisme, gluconeogenese en pentosefosfaatweg

6

. Figuur 6.10  Cruciale rol van cyclisch AMP (cAMP) in de regeling van glycogenolyse en glycogeensynthese door levercellen. Glucagon induceert tussen de maaltijden de glycogenolyse. Het proces begint met activering van glucagonreceptoren, het G-proteïne Gs en adenylaatcyclase. Dit leidt tot de productie van cAMP, dat proteïnekinase A (PRKA) activeert (gele kleur) door de inhiberende regulatorsubeenheden te scheiden van de katalytische subeenheden. PRKA zal dan zowel glycogeensynthase (links) als fosforylasekinase (rechts) fosforyleren (–P). Het laatste enzym fosforyleert op zijn beurt het enzym fosforylase, dat actief wordt. Nettoresultaat is een stilvallen van de glycogeensynthese (links) en een activering van de glycogenolyse (rechts), zodat glycogeen kan worden omgezet tot glucose dat de levercel verlaat. Deze regulatie is reversibel en wordt onder andere ongedaan gemaakt door proteïnefosfatase-1 (PP1), dat de gefosforyleerde eiwitten defosforyleert. PP1 wordt geactiveerd tijdens de maaltijd, na binding van het hormoon insuline op insulinereceptoren. Links: Earl Sutherland, de ontdekker van cAMP.

eerste fysiologisch proces waarvan de hormonale werking werd begrepen tot op moleculair niveau. De belangrijkste geregelde enzymen van het glycogeenmetabolisme zijn fosforylase en glycogeensynthase (. figuur 6.10). Glycogeenfosforylase.  Dit is een mooi voorbeeld van een enzym waarvan de activiteit dras-

tisch toeneemt onder invloed van een reversibele posttranslationele modificatie, waarbij een proteïnekinase een welbepaalde serinezijketen fosforyleert (dus covalent verbindt met een fosfaatester; symbolisch –P in . figuur 6.9). Deze eiwitfosforylering wordt gekatalyseerd door het enzym fosforylasekinase. Merkwaardig is dat ook dit enzym wordt geactiveerd door eiwitfosforylering van enkele serineresiduen, ditmaal onder invloed van het cyclisch-AMP-afhankelijke proteïnekinase A (PRKA). De activering van PKA staat sterk onder invloed van de productie van cyclisch AMP (cAMP), dat bindt op inhiberende regulatorsubeenheden van het proteïnekinase A en deze doet dissociëren van de actieve (katalytische) subeenheden (.  figuur 6.10). Hormonen regelen de cAMP-concentratie in de levercellen en daarmee ook de activiteit van PRKA. Dit werkt als volgt. Tussen de maaltijden circuleert er glucagon in de bloedbaan. Dit

6.6 • Regeling van het glycogeenmetabolisme

173

hormoon bindt op de celmembraan van leverparenchymcellen via specifieke glucagonreceptoren. Daardoor wordt het enzym adenylaatcyclase gestimuleerd, dat ATP omzet in cAMP. Deze waterval van chemische stappen, vertrekkende van glucagon en eindigend met fosforylase, maken dat de glycogenolyse krachtig wordt geactiveerd. Maar er is meer. De reciproke regeling van glycogenolyse en glycogeensynthese wordt verklaard doordat PRKA gelijktijdig het glycogeensynthase fosforyleert, wat leidt tot een inactief enzym (. figuur 6.10). Dit maakt dat er tussen de maaltijden in de lever een gecoördineerde inschakeling plaatsvindt van glycogeenafbraak én uitschakeling van de glycogeensynthese (. ­figuur 6.9). Het nuttigen van een maaltijd draait deze situatie radicaal om. Dit werkt als volgt. Glucagon verdwijnt uit het bloed en daardoor daalt de cAMP-concentratie in de levercellen. Hierdoor zullen er geen nieuwe enzymmoleculen van fosforylase en glycogeensynthase worden gefosforyleerd. Ten tweede zullen de bestaande fosfaatesters op het fosforylase en glycogeensynthase worden verwijderd en wel door het enzym proteïnefosfatase-1 (PP1). Ook dit is een door hormonen geregeld proces. Immers, tijdens de maaltijden gaat insuline binden op insulinereceptoren, die talrijk aanwezig zijn op levercellen. Via een complexe signaaltransductie, die hier niet verder wordt uitgelegd, leidt dit tot activering van zowel PP1 als fosfodiësterasen, enzymen die cAMP afbreken tot AMP. Het nettoresultaat van deze signaaltransductie is insulineafhankelijke defosforylering van fosforylase en glycogeensynthase; daardoor valt de glycogenolyse stil en draait de glycogeensynthese op volle toeren. Pioniers Sutherland en Gilman Cyclisch AMP werd rond 1965 ontdekt door de Amerikaan Earl Sutherland (1915-1974), die voor deze wetenschappelijke mijlpaal amper vijf jaar later (1971) de Nobelprijs voor Geneeskunde ontving. Sutherland bestudeerde de invloed van het hormoon adrenaline op de glycenolyse in een proefdiermodel (Sutherland & Robison, 1966). Het was de eerste studie in zijn soort over de werking van hormonen en nu is cAMP niet meer weg te denken uit het onderzoek of uit de klinische praktijk (honderden geneesmiddelen grijpen op het receptorcAMP-systeem in). In Pubmed zijn in februari 2014 met de zoektermen (‘cyclic AMP’ & review) meer dan 7200 reviewartikelen te vinden! Twee latere nobelprijzen in dit domein gingen naar Edmond Fisher en Edwin Krebs (1992; studie van de eiwitfosforylering) en Alfred Gilman (1994; ontdekking van G-proteïnen (zoals Gs, . figuur 6.10). De zeer brede rol van Gproteïnen als signaaltransducers wordt dus onder andere geïllustreerd in de sleutelpositie tussen de met hormoon geactiveerde receptor en het adenylaatcyclase.

Het signaaltransductiesysteem dat is getoond in . figuur 6.10 wordt heel wat complexer als men beseft dat er voor elk van de enzymen meerdere paraloge genen aanwezig zijn in het menselijk genoom. Zo zijn er wel tien genen die coderen voor adenylaatcyclase (ADCY1 tem ADCY10) en minstens 12 verschillende genen voor fosfodiësterase (PDE1A, PDE1B, PDE2A enzovoorts), met voor elk systeem een nog maar gedeeltelijk begrepen rijkdom aan functies (Ostrom et al., 2012; Francis et al., 2011) en een enorm potentieel voor farmacologische remmers. Bovendien worden zowel PRKA als PP1 in hun werking en toegankelijkheid tot substraat geregeld door grote aantallen regulatoreiwitten: voor PRKA zijn dit de AKAP’s (ankereiwitten) en voor PP1 een enorm aantal verschillende regulatoreiwitten (Bollen et al., 2010), waarvan één subfamilie (PPP1R3A tem PPP1R3C) ook wel glycogen targeting subunits genoemd wordt, omdat zij de katalytische subeenheden van PP1 naar het glycogeen brengen. Er zijn bovendien bijkomende

6

174

6

Hoofdstuk 6 • Glycogeenmetabolisme, gluconeogenese en pentosefosfaatweg

allosterische invloeden op hoger vermelde enzymen die niet worden getoond in .  figuur 6.10 en die zorgen voor een fijnregeling. In de lever zal de tijdens de maaltijden opstapelende vrije glucose allosterisch binden op fosforylase, waardoor dit zijn gefosforyleerde Ser14-residuen blootstelt aan PP1 en er een efficiënte defosforylering kan plaatsvinden. Pas als PP1 zijn eerste substraat (fosforylase) heeft bewerkt, gaat het over op zijn tweede substraat (glycogeensynthase). Hierdoor zet insuline via PP1 eerst de glycogenolyse uit en dan pas de glycogeensynthese aan. In de spier is er tijdens een sprinttype activiteit een bijzondere behoefte aan een explosief snelle glyogenolyse in de witte spiervezels, die vraagt om een enorme flux aan glycolytische metabolieten en dus om een grote productiesnelheid van glucose-1-fosfaat. Het spierfosforylase PYGM wordt daarom allosterisch geregeld door de energy charge, met name door de AMP-concentratie in de cel. Bovendien wordt de glycogenolyse in de skeletspier geregeld door de sarcoplasmatische [Ca2+], die stijgt door prikkeling van de spiervezel met acetylcholine. Spieren hebben een andere isovorm van fosforylasekinase dan de lever. Het in het sarcoplasma binnenstromend Ca2+leidt niet alleen tot de contractie, maar ook tot zeer snelle activering van het fosforylasekinase dat calmoduline (een specifiek calciumbindend eiwit dat optreedt als signaaltransducer) als subeenheid heeft. In de spier is het fosforylasekinase dus vooral een calciumsensor en in de lever vooral een cAMP-sensor. 6.7 Gluconeogenese

De gluconeogenese is een metabole route die vanuit diverse bouwstenen afkomstig van reserves in het lichaam nieuwe glucose kan maken, met als doel deze glucose in speciale cellen of weefsels te laten dienen als brandstof. Deze reserves liggen opgeslagen als eiwitten in de skeletspieren en glycerol in de triglyceriden van het vetweefsel. Denk hierbij aan twee concrete gevallen. Ten eerste de gevaste toestand waarin de hersenen glucose aan de bloedbaan onttrekken, terwijl de lever deze glucose door middel van gluconeogenese aanvoert. Ten tweede moeten we letten op het geval van de fysische inspanning, waarbij de witte spiervezels glucose glycolytisch verbranden tot lactaat en de lever dit ‘afval’ weer ‘opwaardeert’ tot glucose. De lever wordt in beide gevallen vermeld en is inderdaad het orgaan waar de meeste gluconeogenese plaatsvindt. De nieren komen op de tweede plaats. Een overzicht van de gluconeogenese is te zien in . figuur 6.11. Relevante beginpunten (substraten) zijn lactaat, alanine en glycerol. Voor zowel lactaat als alanine kan via één reactie (gekatalyseerd door respectievelijk lactaatdehydrogenase en alaninetransaminase) pyruvaat worden gevormd. Dan volgt een metabole route die dit gevormde pyruvaat ombouwt tot glucose. 6.7.1 Drie bijzondere reacties

Op het eerste gezicht lijkt het of de route van de glycolyse wordt omgedraaid. Dit is alleen het geval bij de reacties met blauwe pijlen, omdat zij reversibel zijn. Deze reacties zijn dus het omgekeerde van de glycolyse en worden hier dan ook niet verder behandeld (7 par. 3.3.2). Het omdraaien kan op drie zeer cruciale plaatsen echter niet gebeuren, namelijk op de drie belangrijke (fluxbepalende en sterk geregelde) stappen van de glycolyse (zwarte eenrichtingspijlen in .  figuur 6.11). We hebben eerder gezien dat enzymen voor deze stappen (glucokinase, fos-

6.7 • Gluconeogenese

175

. Figuur 6.11  Overzicht van de gluconeogenese (te volgen van beneden naar boven en van links naar rechts). Een aantal stappen is gemeenschappelijk met de glycolyse, omdat de reacties omkeerbaar zijn in de cel (blauwe dubbele pijlen). De drie gestippelde zwarte pijlen naar beneden symboliseren echter het eenrichtingsverkeer in de glycolyse (7 par. 3.4.1). De gluconeogenese verloopt hier dus niet via de omgekeerde weg, maar langs een alternatieve route. Dit is belangrijk, want hier liggen de plaatsen van metabole fluxcontrole. Het belang van de verschillende substraten en celcompartimenten wordt in dit hoofdstuk verder uitgelegd. PCK1 (PEPCK) = fosfo-enolpyruvaatcarboxykinase 1.

fofructokinase-1 en pyruvaatkinase) eenrichtingsverkeer doorlaten (7 par. 3.4.1). De gluconeogenese heeft hier dus een alternatieve route nodig en dit is te danken aan de expressie van voor de gluconeogenese specifieke enzymen. Belangrijk is dat juist deze plaatsen van de gluconeogenese fluxbepalend zijn en sterk geregeld, wat het mogelijk maakt dat er een globale reciproke regeling plaatsvindt van glycolyse en gluconeogenese. Deze situatie is enigszins vergelijkbaar met de reciproke regeling van glycogenolyse en glycogeensynthese. De drie speciale en geregelde stappen van de gluconeogenese zijn: 1. De omzetting van pyruvaat in fosfo-enolpyruvaat.  Deze stap wordt genomen via een omweg die twee metabolieten, twee enzymen en twee celcompartimenten nodig heeft (. figuur 6.11). In

een eerste stap verhuist pyruvaat van het cytoplasma naar de mitochondriale matrix. Pyruvaat wordt vervolgens dankzij het pyruvaatcarboxylase (PC) omgezet tot oxaloacetaat. Deze reactie kost één ATP-molecuul. Een absoluut vereiste voor de activering van dit enzym is voldoende

6

176

Hoofdstuk 6 • Glycogeenmetabolisme, gluconeogenese en pentosefosfaatweg

acetyl-CoA in het mitochondrium. Dit enzym werd behandeld in de context van anaplerose (7 par. 4.3.3): het constant houden van de voorraad citroenzuurcyclusintermediairen, ook wanneer deze verbruikt worden. Omdat oxaloacetaat wordt verbruikt tijdens de gluconeogenese, is deze anaplerotische stap gewenst. Oxaloacetaat verlaat de mitochondria via een speciale carrier in de binnenste mitochondriale membraan en de porie in de buitenste membraan, waarna het door het cytoplasmatische enzym fosfo-enolpyruvaatcarboxykinase (PCK1, dat in de literatuur ook afgekort wordt als PEPCK) wordt gedecarboxyleerd en gefosforyleerd tot fosfo-enolpyruvaat (PEP). Hierbij wordt één GTP-molecuul verbruikt. De samenvatting van de totale reactie is:

pyruvaat + ATP + GTP → fosfo − enolpyruvaat + ADP + GDP + Pi

6

2. De omzetting van fructose-1,6-bisfosfaat in fructose-6-fosfaat.  Deze reactie wordt gekata-

lyseerd door fructose-1,6-bisfosfatase met twee menselijke paralogen (FBP1 en FBP2). Merk op dat dit echt niet het omgekeerde is van de glycolyse, waar een energierijke fosfaatgroep van ATP werd overgedragen op de fructosering. Hier wordt de fosfaatgroep op positie 1’ van fructose-1,6-bisfosfaat met water afgesplitst (hydrolyse). Dit is een exergonische (in de cel onomkeerbare) reactie. We komen verderop terug op de ingenieuze fluxcontrole die ter hoogte van dit enzym plaatsvindt.

3. De omzetting van glucose-6-fosfaat in glucose.  Deze stap wordt gekatalyseerd door glucose6-fosfatase (G6PC). Opnieuw is dit zeer zeker niet het omgekeerde van de glycolyse, waar een energierijke fosfaatgroep van ATP werd overgedragen op de glucose. Nu wordt de fosfaatgroep op positie 6’ van glucose-6-fosfaat met water verwijderd. Weer hebben we te maken met een exergonische (onomkeerbare) reactie. De meeste enzymen van de gluconeogeneseweg bevinden zich in het cytoplasma. Er zijn echter twee uitzonderingen: pyruvaatcarboxylase, dat in de mitochondriale matrix ligt (7  ook par. 4.3.3) en glucose-6-fosfatase, dat deel uitmaakt van de lipidenmembraan van het endoplasmatisch reticulum. Het is belangrijk om erop te wijzen dat het glucose-6-fosfatase niet aanwezig is in spieren en hersenen, zodat glucose direct na opname en fosforylering in deze cellen ‘gevangen’ zit (.  figuur  6.6). De lever en nieren bevatten echter wel glucose6-fosfatase, zodat zij glucose in de bloedbaan kunnen brengen. Het glucose-6-fosfatase is een integraal membraaneiwit van de lipidenmembraan van het endoplasmatisch reticulum (ER) (. figuur 6.11). Aangezien de actieve site van het enzym contact heeft met het ER-lumen, bestaat er een probleem van compartimentering: a) Hoe komt het substraat (glucose-6-fosfaat) vanuit het cytoplasma bij het enzym? b) Hoe komen de reactieproducten (glucose en fosfaat) vanuit het ER terug in het cytoplasma?

Het antwoord op deze vragen is dat drie polaire metabolieten (glucose-6-fosfaat, glucose en Pi) elk een specifiek transportkanaaltje nodig hebben voor de passage door de ER-membraan (.  figuur 6.12). Deze specifieke transportkanalen worden gecodeerd door leden van de grote familie van solute-carriergenen (SLC). Het bestaan van de glucose-6-fosfaattransporter werd bewezen door het voorkomen van families met erfelijk bepaalde glucose-6-fosfatasedeficiëntie (Veiga-da-Cunha et al., 1999).

6.7 • Gluconeogenese

177

. Figuur 6.12  De werking van glucose-6-fosfatase in het lumen van het endoplasmatisch reticulum (ER) vereist de gelijktijdige activiteit van drie specifieke transportkanalen die glucose-6-fosfaat van cytoplasma naar ER doet diffunderen (links) en zowel glucose als fosfaat (Pi) van ER-lumen naar cytoplasma transporteren (rechts). Een erfelijk bepaalde deficiëntie van glucose-6-fosfatase of van een van deze transportkanalen is de oorzaak van de ziekte van Von Gierke, een vorm van glycogenose.

6.7.2 Eiwit- en vetreserve leveren belangrijke substraten

Alanine en andere zogeheten glucogene aminozuren worden door de lever in glucose omgezet na opname in de lever en transaminatie tot metabolieten die aansluiten op het glucosemetabolisme (7 ook par. 9.2.2). Voor alanine is in . figuur 6.11 het belangrijke alaninetransaminase (ALT of GPT) getoond. Deze reactie gebeurt samen met de ombouw van andere glucogene aminozuren in twee situaties: enerzijds bij een voeding die meer eiwit bevat dan nodig om de eiwitsynthese van het eigen lichaam te voorzien, anderzijds is dit van levensbelang tijdens de langdurig gevaste toestand. Op dat moment worden spiereiwitten zo spaarzaam mogelijk opgeofferd om via gluconeogenese in de lever de nodige glucose voor de hersenen te produceren. Regeling van de eiwitmassa in de skeletspieren is een thema waar veel over beweerd wordt en waarvan nog veel onbekend is. De spiereiwitmassa is dynamisch en kan afnemen door intracellulaire eiwitafbraak (proteasomen en ook lysosomen), of toenemen door netto proteïnesynthese (ribosomen). Deze laatste vragen een goed doorvoede toestand en regelmatig spiergebruik. In een groeiend kind is er netto aanmaak van spiereiwitten omdat de aanmaak groter is dan de afbraak. Bij een gezonde goed doorvoede en regelmatig bewegende volwassene is er eutrofie, waarbij er evenwicht is tussen spiereiwitsynthese en -afbraak. Bij oude mensen neemt de spiermassa af (sarcopenie). Inactiviteit door bijvoorbeeld het breken van een been of compressie/degeneratie van een zenuw leidt tot atrofie. In een toestand van uithongering (langdurig vasten) worden de spiereiwitten opgeofferd om in leven te blijven. Dit leidt tot een cachectische toestand. Een andere metabole aanvoer voor de gluconeogenese begint met de lipolyse; dit is de enzymatische hydrolyse van triglyceriden in de vetcellen. Deze lipolyse levert glycerol, dat door de lever wordt opgenomen en dat via de enzymen glycerolkinase (GK en GK2) en cytoplasmatisch glycerolfosfaatdehydrogenase (GPD1) aansluit op het middengedeelte van de gluconeogenese (.  figuur 6.11). Bovendien levert de lipolyse drie vrije vetzuren op per triglyceride dat wordt afgebroken. Deze vetzuren kunnen zelf dienen als brandstof (7 par. 4.4.2) of door de lever worden omgebouwd tot een alternatieve brandstof voor de hersenen. Dit is de ketogenese, die bèta-

6

178

Hoofdstuk 6 • Glycogeenmetabolisme, gluconeogenese en pentosefosfaatweg

hydroxybutryaat en acetoacetaat oplevert als belangrijke ketonlichamen (7 par. 4.4.3). Omdat de hersenen na langdurig vasten ongeveer 50% van hun energie halen uit de verbranding van ketonlichamen (7 par. 12.5), is er minder glucose nodig en is er dus ook een lagere flux van gluconeogenese. Het belangrijke gevolg is dat de spiereiwitten langzamer worden opgeofferd, zodat de vastende persoon minder snel verzwakt. Horizon

6

Wat is de verklaring voor het fenotype van PEPCKspier-transgene ‘supermuizen’? In 2007 werden de onderzoeksresultaten van een diermodel gepubliceerd, waarin de leveren nierspecifieke expressie van PEPCK (PCK1) werd doorbroken (Hakimi et al., 2007). In deze zogeheten PEPCKspier-transgene muizen werd het eiwitcoderende PEPCK-gengedeelte onder controle gebracht van een spierspecifieke promotor. Dit construct werd in de kern van een bevruchte eicel gebracht en een transgene muizenstam werd bestudeerd met stabiele integratie van het transgen. De dieren die zo verkregen werden, vertonen inderdaad bijzonder sterk gestegen PEPCK-activiteit in de skeletspieren. Dit was het verwachte deel van het fenotype. De transgene dieren zijn ook actiever dan ‘wild type muizen’ en vertonen enorme spierkracht die ze uren kunnen volhouden. De dieren zijn bijzonder beweeglijk vanaf de geboorte, hebben meer mitochondria per gram spiermassa dan normale spieren, eten ook meer (vermoedelijk om de energie-uitgave van de spier aan extra arbeid te compenseren) en stapelen toch geen gram extra vet op. Om onbekende redenen zijn deze dieren ook erg agressief en is hun levensverwachting toegenomen. Het gaat hier om een interessant nieuw fenotype door misexpressie van een metabool belangrijk enzym dat normaal de gluconeogenese ondersteunt. Niet beantwoorde vragen zijn waarom deze dieren zo oud worden en wat hun agressie veroorzaakt.

De gluconeogenese die vertrekt van pyruvaat wordt als volgt samengevat:

2 pyruvaat + 6 ATP + 2 NADH + 2 H + → glucose + 6 ADP + 2 NAD + + 6 Pi De heropbouw van een glucose kost dus heel wat meer energie (6 moleculen ATP + 2 moleculen NADH) dan de afbraak van glucose tot pyruvaat oplevert (2 moleculen ATP + 2 moleculen NADH). Toch is het verlies van vier moleculen ATP een relatief kleine investering vergeleken met de totale energie-inhoud van glucose (ongeveer 30 moleculen ATP) die vanuit de lever ter beschikking wordt gesteld van de hersenen. Het belangrijkste aspect van de gluconeogenese is dus dat glucoseafhankelijke organen zoals de hersenen op elk moment over een voldoende aanvoer van glucose kunnen beschikken. 6.8 Reciproke regeling van gluconeogenese en glycolyse

Zowel de glycolyse als de gluconeogenese is onder de omstandigheden van een levende cel een exergonisch metabool pad. Theoretisch zou glucose in de levercel, waar glucose-6-fosfatase, fructose-1,6-bisfosfastase en PEPCK aanwezig zijn, dus heen en weer kunnen reizen in opeenvolgende cycli van glycolyse en gluconeogenese, waarbij er vier moleculen ATP per cyclus verloren zouden gaan. Een dergelijk fenomeen noemt men ‘substraat cycling’ en omdat het op het eerste gezicht verspillend werkt, bestaat ook het synoniem ‘futile cycling‘.

6.8 • Reciproke regeling van gluconeogenese en glycolyse

179

. Figuur 6.13  Allosterische reciproke regeling van glycolyse en gluconeogenese door fructose-2,6-bisfosfaat (F2,6-BP). De regeling gebeurt ter hoogte van de interconversie tussen fructose-6-fosfaat en fructose-1,6-bisfosfaat. F-2,6-BP remt fructose-1,6-bisfosfatase (F-1,6BP-ase), het fluxbepalende enzym van de gluconeogenese (beneden). Tegelijk is F-2,6-BP een activator van fosfofructokinase-1, het fluxbepalende enzym van de glycolyse (boven). De afbraak en opbouw van F-2,6-BP wordt geregeld door het bifunctionele tandemenzym (TE). De niet-gefosforyleerde vorm van TE werkt als fosfofructokinase-2 dat F-2,6-BP aanmaakt, terwijl de fosfo-vorm werkt als fructose-2,6-bisfosfatase (F-2,6BP-ase) dat F-2,6-BP afbreekt tot fructose-6-fosfaat. Tijdens de gevaste toestand zorgt glucagon via cAMP en proteïnekinase A voor een fosforylering van het tandemenzym; na een maaltijd zal insuline via proteïnefosfatase 1 TE defosforyleren. Merk op dat deze reciproke regeling, door dezelfde factoren, tegelijk gebeurt met die van de glycogenolyse/glycogeensynthese (. figuur 6.10).

In een levend organisme wordt deze verspillende kringloop in de lever vermeden, doordat de flux door glycolyse en gluconeogenese reciprook geregeld wordt. Inderdaad legt de lever in de gevaste toestand de glycolyseactiviteit nagenoeg stil en drijft de flux door de gluconeogenese progressief op. Het omgekeerde gebeurt in de gevoede toestand. Er zijn twee belangrijke niveaus van regeling waar te nemen: 55 allosterisch (. figuur 6.13) via de regulator fructose-2,6-bisfosfaat (F-2,6-BP); 55 door inductie van de expressie van enzymen, vooral PEPCK. De allosterische controle van de flux in de gluconeogenese en glycolyse gebeurt vooral op het niveau van de interconversie tussen fructose-6-fosfaat en fructose-1,6-bisfosfaat (. figuur 6.13). We hebben de hiervoor verantwoordelijke enzymen al eerder besproken. Het cruciale punt van regeling is de concentratie van de van fructose-6-fosfaat afgeleide stof F-2,6-BP. Zoals te zien is in .  figuur 6.13, activeert F-2,6-BP tegelijkertijd het voor de glycolyse belangrijke fosfofructokinase-1 en remt het de voor de gluconeogenese belangrijke fructose-1,6-bisfosfatase. Dit leidt tot de vraag wat de F-2,6-BP-concentratie in de levercellen regelt, want dit is de sleutel tot fluxcontrole van zowel gluconeogenese als glycolyse. Het antwoord op deze vraag is een bifunctioneel enzym, dat we tandemenzym zullen noemen. De volledige en wat lastig uit te spreken naam is 6-fosfofructo-2-kinase/fructose-2,6-bisfosfatase en er zijn voor dit enzym vier

6

180

Hoofdstuk 6 • Glycogeenmetabolisme, gluconeogenese en pentosefosfaatweg

6

. Figuur 6.14  Geconcerteerde regeling van gluconeogenese en glycogenolyse/glycolyse en glycogeensynthese in de lever. A Deze concertatie berust op omkeerbare eiwitfosforylering door proteïnekinase A (PRKA) en proteïnefosfatase-1 (PP1). PRKA verzorgt de gelijktijdige afbraak van fructose-2,6-bisfosfaat (1), inhibitie van glycogeensynthase en activatie van glycogeenfosforylase. PP1 doet precies het omgekeerde en bewerkstelligt de gelijktijdige aanmaak van fructose-2,6-bisfosfaat (2), stimulatie van glycogeensynthase en rem van glycogeenfosforylase. B PP1 en PRKA worden op reciproke wijze gecontroleerd door hormonen. Insuline activeert PP1 via de insulinereceptor, IRS-eiwitten (insulinereceptorsubstraat) en PI-3-kinase; tegelijk inactiveert de insulinereceptor PRKA, door de afbraak van cAMP door fosfodiësterasen te versnellen. Glucagon activeert PRKA door de productie van cAMP op te drijven; tegelijk inactiveert PRKA het PP1 door inhibitor-I te fosforyleren.

paraloge coderende genen in het menselijk genoom: PFKFB1 tem PFKFB4. De twee enzymatische activiteiten die telkens door één gen gecodeerd worden zijn: 55 6-fosfofructo-2-kinase (fosfofructokinase-2), dat F-2,6-BP aanmaakt vanuit fructose6-fosfaat; 55 fructose-2,6-bifosfatase (F-2,6-Bpase), dat F-2,6-BP weer afbreekt tot fructose-6-fosfaat. Het prachtige van de reciproke regeling is dat het tandemenzym ‘van gedaante wisselt’ naargelang de voedingstoestand van het organisme. Dit gebeurt door omkeerbare eiwitfosforylering, precies zoals we gezien hebben voor glycogeensynthase en fosforylase (. figuur 6.10). De nietgefosforyleerde vorm van tandemenzym werkt als fosfofructokinase-2 en produceert F-2,6-BP; de gefosforyleerde vorm is een F-2,6-BP-ase dat F-2,6-BP afbreekt (.  figuur 6.13). Hormonen in het bloed bewegen de levercel tot fosforylerings/defosforyleringscycli wanneer we eten of vasten. Tijdens de gevaste toestand zorgt glucagon via een signaaltransductie die identiek is aan die van glycogeensynthase (.  figuur 6.14). In dit geval gebeurt er de cAMP-afhankelijke

6.8 • Reciproke regeling van gluconeogenese en glycolyse

181

fosforylering van het tandemenzym, dat daardoor F-2,6-BP begint af te breken. Na een maaltijd zal insuline via proteïnefosfatase 1 (PP1) het tandemenzym juist defosforyleren, waardoor het F-2,6-BP begint bij te maken. In 7 par. 2.1 werd de vergelijking gemaakt tussen metabole spelers en de werking van een goed geoefend orkest; hier zien we een voorbeeld. Het mooie van dit systeem is dat met exact dezelfde hormonen de reciproke regeling van glycogenolyse-/glycogeensynthese geconcerteerd wordt als met de reciproke regeling van de gluconeogenese/-glycolyse (. figuur 6.14). Insuline (werkzaam tijdens de maaltijden) en glucagon (werkzaam tussen de maaltijden) doen de lever dus wisselen van een glucoseverbruikend orgaan (insuline) naar een glucoseproducerend orgaan (glucagon). Meer hierover is te vinden in 7 par. 12.3. Horizon Hoe voorkomt een cel nutteloze substraatcycli? De reciproke werking van insuline en glucagon wordt verder geperfectioneerd doordat glucagon de werking van PP1 onderdrukt via de PRKA-afhankelijke fosforylering van inhibitor-I (PPP1R1A), die in de gefosforyleerde toestand een bijzonder sterke remmer van PP1 is. Anderzijds gaat de met insuline bezette insulinereceptor de afbraak van cAMP door fosfodiësterasen versnellen (. figuur 6.14). Een bijkomende plaats van allosterische reciproke regeling die de concertatie doet uitbreiden, vinden we ter hoogte van pyruvaatkinase en pyruvaatcarboxylase, twee enzymen die zich respectievelijk aan het eind van de glycolyse en aan het begin van de gluconeogenese bevinden. Pyruvaatkinase wordt gestimuleerd door F-1,6-BP en geremd door ATP, terwijl pyruvaatcarboxylase gestimuleerd wordt door acetyl-CoA en geremd door ADP. De regeling van gluconeogenese via veranderde genexpressie verloopt veel trager dan de allosterische regeling, die slechts minuten tijd vraagt. Binnen 24 uur treden er in de lever van een vastende persoon bijkomende veranderingen op die de flux van de gluconeogenese gevoelig verhogen. De opvallendste veranderingen zijn de verhoging van mRNA en eiwit voor het enzym PEPCK (PCK1), dat de eerste stap van de gluconeogenese katalyseert. Deze verhoging wordt veroorzaakt door hormonale veranderingen in het bloed, die signalen doen ontstaan in de celkern en daar de transcriptie van het PEPCK-gen doen toenemen. Een belangrijke transcriptiefactor in deze activering is PGC-1 (Yoon et al., 2001), omdat dit eiwit de signaaltransductie van glucagon (gestegen cAMP) en cortisol (gluconeogeen steroïdhormoon) integreert. Insuline zal de expressie van PEPCK juist doen verminderen en in plaats daarvan de transcriptie van het levertype pyruvaatkinase-gen verhogen. De reciproke regeling van gluconeogenese en glycolyse heeft dus als belangrijk resultaat dat beide wegen nooit tegelijkertijd volledig geactiveerd worden. Dit voorkomt de futile cycle en werkt preventief tegen het verspillen van ATP. Men kan deze metabole regeling doortrekken naar andere mogelijke futile cycles die ook nadelig zijn door ATP-verspilling. Toch zijn er situaties waarin een metabole flux van een substraatcyclus wordt nagestreefd, met als bedoeling warmte te genereren. Bijen en hommels bezitten in hun vliegspieren het potentieel tot een intense substraatcyclus van F-6P naar F-1,6BP en weer terug, met als doel bij dalende omgevingstemperatuur de temperatuur van deze spieren hoog genoeg te houden om te kunnen werken. Ook bij de mens zouden substraatcycli een rol kunnen spelen in de thermoregulatie (Newsholme, 1978).

6

182

Hoofdstuk 6 • Glycogeenmetabolisme, gluconeogenese en pentosefosfaatweg

. Tabel 6.1  Overzicht van de belangrijkste glycogeenstapelingsziekten (glycogenosen).

6

Type glycogenose

Enzym

Weefsel/orgaan

Glycogeen

type I (von Gierke)

glucose-6-fosfatase of glucose6-fosfaattransporter

lever, nieren

normale structuur

type II (Pompe)

α-1,4-glucosidase (lysosomen)

vele weefsels

normale structuur

type III (Cori)

debranching enzyme

lever, skeletspieren

korte takken

type IV (Andersen)

branching enzyme

lever

lange takken

type V (McArdle)

fosforylase

skeletspieren

normale structuur

type VI (Hers)

fosforylase

lever

normale structuur

type VII (Tarui)

fosfofructokinase-1

spier

normale structuur

type IX

fosforylasekinase

lever

normale structuur

type 0

glycogeensynthase

lever, skeletspieren

geen glycogeen

6.9 Glycogenosen

De glycogeenstapelingsziekten (glycogenosen) zijn erfelijk bepaalde ziekten van het glycogeenmetabolisme. Hoewel zeldzaam (1 op 40.000 geboorten in Nederland en Vlaanderen) vormen zij een vanuit medisch-wetenschappelijk standpunt gezien een opmerkelijke groep erfelijk bepaalde stofwisselingsziekten (inborn errors of metabolism, 7 ook par. 2.9). De ontdekking van de diverse bekende vormen van glycogenose (. tabel 6.1) ging parallel met de opheldering van de enzymen en reactiemechanismen van de glycogeensynthese en glycogeenafbraak. De klinische symptomen van deze stofwisselingsziekten zijn ofwel abnormale functie van de lever (hypoglykemie) of stoornissen van werking van de skeletspieren (spierkrampen), dit naargelang de expressie van het gen dat in de ziekte betrokken is. De klinische ernst van de ziekte loopt sterk uiteen: aan de ene zijde vinden we levensbedreigende hypoglykemie bij de geboorte (type I-glycogenose), leverfalen van het jonge kind (type IV-glycogenose), hartfalen en hersendegeneratie (type II-glycogenose). Aan de milde zijde van het spectrum zien we spierkrampen bij een zich verder normaal ontwikkelend individu (type V-glycogenose). Er zijn nieuwe therapeutische ontwikkelingen voor patiënten met de dodelijke of zwaar invaliderende vormen van de ziekte, want tot recent kon men niet veel meer doen dan de diagnose stellen. Voorbeelden van concrete therapeutische doorbraak zijn levertransplantatie (Reddy et al., 2009), genentherapie (Koeberl et al., 2009) en behandeling met recombinant-DNA-geneesmiddelen die het ontbrekende enzym vervangen (Bijvoet et al., 1999). Type I  Type I-glycogenose (ziekte van von Gierke) werd in 1929 beschreven als een klinisch beeld van massale hepatomegalie en ernstige hypoglykemie van de zuigeling. Carl en Gerty Cori ontdekten in 1952 dat het mechanisme berust op een gebrek aan activiteit van het enzym glucose-6-fosfatase in de lever. Type II  Type II-glycogenose (ziekte van Pompe) berust op een enzymdefect in de lysosomen (. figuur 6.15). Dit geeft dan ook een lysosomale stapelingsziekte met symptomen in vele weef-

sels (hart, zenuwstelsel).

6.9 • Glycogenosen

183

. Figuur 6.15  Het mechanisme van de ziekte van Pompe berust op mutaties in het GAA-gen dat codeert voor het zure alfa-glucosidase van de lysosomen. Door het functieverlies van dit enzym stapelt glycogeen zich in de lysosomen op, wat leidt tot cellulaire pathologie in onder andere spieren, hart en hersenen. De opstapeling en klinische symptomen worden verbeterd door regelmatige inspuiting van via recombinant-DNA-technologie verkregen zure alfa-glucosidase. Links: elektronenmicroscopische opname van spierbiopt van een patiënt met de ziekte van Pompe; het in de lysosomen opgestapelde glycogeen is goed te zien (zwart). Normale mitochondria liggen naast deze lysosomen. Bron: 7 http://www.pompecenter.nl/ Rechts: Henri-Géry Hers, een pionier van het glycogeenmetabolisme en de ontdekker van het mechanisme van de ziekte van Pompe.

Type III  Bij patiënten met type III-glycogenose (ziekte van Cori) kunnen de takken van glyco-

geen niet worden gesnoeid zodat alleen de buitenste takken beschikbaar zijn voor het fosforylase. Het opgestapelde glycogeen heeft korte buitenste takken.

Type IV  Bij glycogenose type IV (ziekte van Andersen) kunnen geen zijtakken worden aangebracht, zodat de structuur van het in de lever opgestapelde glycogeen abnormaal weinig vertakt is en de takken zeer lang zijn. Dit leidt tot aftakeling van de levercellen met levercirrose en leverfalen als gevolg. Type V en VI  In de glycogenosen type V (ziekte van McArdle) en type VI (ziekte van Hers) is het

fosforylase defect in respectievelijk spier en lever.

Type VII en IX  Glycogenose type VII (ziekte van Tarui) is eigenlijk een glycolysedefect (spier-

type fosfofructokinase), maar dit uit zich door opstapeling van normaal glycogeen in de witte spiervezel. Type IX (vroeger type VIII) is gebaseerd op deficiëntie van fosforylasekinase, dus een regulatoire deficiëntie.

Type 0  Glycogenose type 0 is geen stapelingsziekte, maar het omgekeerde: er is geen opgeslagen glycogeen door het ontbreken van het enzym glycogeensynthase.

Toepassing Moleculaire verklaring voor glycogeenstapeling De arts Edgar von Gierke beschreef in 1929 patiëntjes met hepatomegalie (sterke uitzetting van de lever) en ernstige hypoglykemieën tussen de maaltijden. De klinische symptomen manifesteren zich kort na de geboorte. Deze kinderen hebben een autosomaal recessief overgeërfde stoornis van het glucose-6-fosfatase, waardoor de lever zijn normale functie

6

184

6

Hoofdstuk 6 • Glycogeenmetabolisme, gluconeogenese en pentosefosfaatweg

in de glucosehuishouding niet meer kan uitoefenen. Grote hoeveelheden (overigens ‘normaal’) glycogeen stapelden zich in de levercellen op. Bij de meeste patiënten is de mutatie gelegen in de katalytische subeenheid van het glucose-6-fosfatase (G6PC), maar in enkele families werd een deficiëntie van de glucose-6-fosfaattransporter gevonden. In glycogenose type VI (ziekte van Hers) is het effect op bloedglucose beperkter dan bij de ziekte van von Gierke. Immers, bij type-I-glycogenose is de bufferende werking van de lever ten aanzien van de glykemie aangetast voor zowel glycogenolyse als gluconeogenese; bij type-VIglycogenose geldt de deficiëntie alleen voor wat betreft de glycogenolyse. De ziekte van Pompe (glycogenose type II), genoemd naar de Utrechtse patholoog en ontdekker van de ziekte, is klinisch mild tot zeer ernstig, afhankelijk van het type mutatie in het alfa-glucosidase-gen (GAA). De ziekte uit zich bij kinderen als een progressief ­verergerende zwakte van het hart en de skeletspieren. In de ernstige vormen ten gevolge van groot functieverlies van het enzym is de dood vaak het gevolg van cardiomyopathie (hartspierziekte met hartfalen) of van uitputting van de ademhalingsspieren. Kenmerkend zijn de lysosomen van deze patiënten, die in een spierbiopt vol blijken te zitten met onafgebroken glycogeen (. figuur 6.15). Normaal gezien zorgen lysosomen voor de afbraak van verouderde of ‘versleten’ celbestanddelen (autofagie) en in de spieren is hier inbegrepen de vernietiging van oud glycogeen. De Leuvense pionier Henri-Géry Hers (. figuur 6.15) ontdekte dat patiëntjes met de ziekte van Pompe in hun lysosomen het glycogeen wel opnemen, maar niet enzymatisch verteren door een defect aan het alfa-glucosidase. Zo ontstaat de stapelingsziekte die progressief verergert. Barstende lysosomen kunnen de spiercellen beschadigen, of de talrijke intacte lysosomen kunnen de organisatie van de spiervezel verstoren, en dit veroorzaakt de symptomen. Bij de ziekte van McArdle (glycogenose type V) is het spierfosforylase deficiënt. De patiënten ontwikkelen zich normaal en hebben normaal uitziende skeletspieren, wat aangeeft dat spierglycogeen niet essentieel is voor overleving in een moderne samenleving. Echter, deze patiënten hebben pijnlijke spierkrampen als ze lichte arbeid verrichten, dus de enzymdeficiëntie veroorzaakt een duidelijk fenotype. NMR-spectroscopie heeft ervoor gezorgd dat de metabole veranderingen in de spieren van deze patiënten op niet-invasieve wijze kunnen worden gemeten. Tijdens dit onderzoek is er een abnormale stijging van ADP in de arbeidende spieren.

Pioniers Henri-Géry Hers Het mechanisme van de ziekte van Pompe werd in 1963 opgehelderd door de Leuvense hoogleraar Henri-Géry Hers (1923-2008). Dit was een conceptuele mijlpaal: de identificatie van een lysosomale stapelingsziekte, dit kort nadat het lysosoom als organel was ontdekt (1955) door Hers’ collega Christian De Duve (Nobelprijs voor Geneeskunde 1974). Ontwikkelingen in de ‘recombinant-DNA-geneeskunde’ in de laatste decennia van de vorige eeuw hebben het mogelijk gemaakt om patiënten met de ziekte van Pompe te behandelen met biotechnologisch verkregen zure alfa-glycosidase. Nederlandse onderzoekers hebben in deze ontwikkeling een baanbrekende rol gespeeld, enerzijds door de technologie van een transgeen proefdier dat het enzym in melk uitscheidt (Van den Hout et al., 2000) en anderzijds door de organisatie van onderzoek en patiëntenzorg via het Pompe Center aan de Erasmus Universiteit Rotterdam (7 http://www.pompecenter.nl/). In dit cen-

6.10 • Pentosefosfaatweg

185

. Figuur 6.16  NADPH is drager van reducerende elektronen die worden gebruikt voor reductieve biosynthese. Het verschil in structuur tussen NADPH en NADH is de fosfaatgroep aan C2’ van de adeninedragende ribosering.

trum is een gegevensbank gegroeid van de meer dan 630 bekende mutaties van het zure alfa-glycosidase-gen en het daarmee gepaard gaande functieverlies. De klinische studies met farmaceutisch door het bedrijf Genzyme geproduceerd recombinant alfa-glucosidase (Myozyme®) zijn gunstig (Van der Ploeg & Reuser, 2008). Opname van het recombinante enzymgeneesmiddel in de lysosomen van de hartspiercellen leidt tot verbetering van de glycogeenopstapeling en van de hartfunctie (Kishnani et al., 2007). Dit succesverhaal doet vermoeden dat andere ontwikkelingen in de recombinant DNAtechnologie het mogelijk zullen maken om bij andere ‘inborn errors of metabolism’ dan de ziekte van Pompe de deficiënte enzymen te vervangen door goed werkend materiaal.

6.10 Pentosefosfaatweg 6.10.1 Inleiding

De pentosefosfaatweg dankt zijn naam aan drie gefosforyleerde pentosen, ribulose-5-fosfaat, xylulose-5-fosfaat en ribose-5-fosfaat, waarvan de laatste gebruikt wordt voor de synthese van DNA en RNA. Vanwege de directe aansluiting van de pentosefosfaatweg op de synthese van ribose-5-fosfaat is deze metabole route van groot belang voor het aanmaken van nieuwe nucleotiden (H. 10). Daarnaast levert de pentosefosfaatweg reducerende elektronen in de vorm van gereduceerd nicotinamide-adenine-dinucleotidefosfaat (NADPH), een pyridinenucleotide dat sterk lijkt op NADH, met uitzondering van de fosfaatester ter hoogte van de 2’-koolstof van de adeninebindende ribosering (.  figuur 6.16). De reducerende elektronen van NADPH zijn onmisbaar voor de synthese van vetzuren en cholesterol (H. 7). NADPH is ook noodzakelijk voor de synthese van desoxyribose uit ribose en van thymine uit uracil (H. 10). In de volgende hoofdstukken zal inderdaad herhaaldelijk blijken dat NADPH essentieel is voor reductieve biosynthese van talrijke andere metabolieten, evenals voor het herstel van oxidatieve schade. De intensiteit van deze reductieve biosynthesen is ongelijk in de diverse weefsels. Skeletspieren gebruiken deze route nauwelijks, maar de lever, vetcellen, bijnieren en andere steroïdhormoonproducerende cellen gebruiken deze weg intens. Rode bloedcellen en replicerende cellen gebruiken de pentosefosfaatweg eveneens intens, maar zoals verder wordt uitgelegd, op een andere wijze dan in cellen die NADPH nodig hebben voor steroïdhormonen of vetzuren.

6

186

Hoofdstuk 6 • Glycogeenmetabolisme, gluconeogenese en pentosefosfaatweg

. Figuur 6.17  Schema van de pentosefosfaatweg. Drie fasen sluiten het metabolisme van glucose-6-fosfaat aan op metabolieten die dieper in de glycolyse gelegen zijn: 1: de oxidatieve fase, waarin twee dehydrogenasen NADPH genereren; 2: de interconversie van drie pentosefosfaten; 3: de aansluiting op de glycolyse.

6

. Figuur 6.18  Oxidatieve fase van de pentosefosfaatweg. Zowel glucose-6-fosfaatdehydrogenase als 6-fosfogluconaatdehydrogenase zijn NADPH-genererende enzymen die belangrijk zijn voor de NADPH-voorraad in de cel. De fluxcontrole van de pentosefosfaatweg vindt plaats ter hoogte van glucose-6-fosfaatdehydrogenase.

De pentosefosfaatweg bestaat uit drie onderdelen (. figuur 6.17). Ten eerste het oxidatieve gedeelte, waarin glucose-6-fosfaat wordt geoxideerd tot ribulose-5-fosfaat; hierbij ontstaan er per glucose-6-fosfaat twee moleculen NADPH. Bovendien werd één C6-eenheid tijdens deze fase gedecarboxyleerd tot één C5-eenheid. Ten tweede bestaat er een niet-oxidatief gedeelte, dat ervoor zorgt dat ribulose-5-fosfaat aansluit op twee andere fosfaten, waaronder het belangrijke ribose-5-fosfaat (bouwsteen voor nucleotiden, co-enzymen, DNA en RNA). In de derde fase, die eveneens niet-oxidatief is, sluiten de drie pentosefosfaten aan op fructose-6-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat, twee intermediairen van de glycolyse. 6.10.2 De oxidatieve fase

De eerste fase van de pentosefosfaatweg omvat twee NADPH-genererende oxidatiereacties, die gekatalyseerd worden door specifieke dehydrogenasen (.  figuur  6.18). De eerste en zeer belangrijke reactie die glucose-6-fosfaat oxideert tot 6-fosfoglucono-delta-lacton, wordt gekatalyseerd twee soorten enzymen (de H-vorm en G-vorm die respectievelijk gecodeerd worden door respectievelijk het H6PD-gen en het G6PD-gen). Het eerste gen ligt op chromosoom 1 en maakt hexose-6-fosfaatdehydrogenase (H6PD). Dit enzym kan ook andere substraten oxideren, zoals galactose-6-fosfaat, en heeft ook lactonaseactiviteit. Daarnaast bestaat het op het X-chromosoom gelegen G6PD-gen dat glucose-6-fosfaatdehydrogenase oplevert dat uitsluitend

6.10 • Pentosefosfaatweg

187

. Figuur 6.19  Interconversie van de drie pentosefosfaten. Deze fase vertrekt van ribulose-5-fosfaat (midden) en levert de C3-epimeer xylulose-5-fosfaat, en de aldose ribose-5-fosfaat. Alleen de derde is nodig voor DNAen RNA-synthese. De drie pentosefosfaten zijn nodig voor de aansluiting van de pentosefosfaatweg op de glycolyse.

glucose-6-fosfaat oxideert. Beide paraloge enzymen worden aangemaakt in de meeste weefsels, behalve de rode bloedcellen die uitsluitend zijn aangewezen op de G6PD. Ter hoogte van deze enzymatische stap gebeurt de metabole fluxcontrole, waarbij een stijging van de [NADP+]/ [NADPH]-ratio de reactie allosterisch activeert. Hierdoor ontstaat een zelfregelend proces, waarbij de flux in de eerste fase van de pentosefosfaatweg de [NADP+]/[NADPH]-ratio in cellen laag houdt (orde van grootte 0,01). Het 6-fosfoglucono-delta-lacton dankt zijn naam aan een intramoleculaire esterbinding tussen de C1-carboxylgroep en de C5-hydroxylgroep. De tweede reactie wordt gekatalyseerd door een ander op het X-chromosoom gecodeerd enzym (gluconolactonase; RGN), dat een intramoleculairesterbinding openbreekt (. figuur 6.18). De tweede oxidatiestap, gekatalyseerd door het enzym 6-fosfogluconaatdehydrogenase (PGD), decarboxyleert het substraat tot ribulose-5-fosfaat, met vorming van een tweede molecuul NADPH. 6.10.3 Interconversie tussen pentosefosfaten

Een vijftal reversibele enzymatische reacties brengt het eindproduct van de oxidatieve tak terug naar de glycolyse. Hierbij wordt geen ATP gebruikt of gevormd en vindt er ook geen nettoreductie of oxidatie plaats. De eerste twee enzymen zorgen voor twee pentosefosfaatisomeren (.  figuur 6.19): het ribose-5-fosfaatisomerase (RPIA) zorgt voor omzetting van ribulose-5-fosfaat (een ketose) in ribose-5-fosfaat (een aldose) en omgekeerd. Het ribulose-5-fosfaat-3-epimerase (RPE) zorgt voor een reversibele omzetting van ribulose-5-fosfaat in zijn C3-epimeer, het xylulose-5-fosfaat. 6.10.4 Transketolase en transaldolase sluiten de pentosefosfaten aan op

de glycolyse

Drie reacties gaan het koolstofskelet van drie pentosefosfaten (samen C15) herschikken, zodat er twee fructose-6-fosfaat en één glyceraldehyde-3-fosfaat ontstaan (samen ook C15). Tijdens de eerste reactie (. figuur 6.20) worden er twee pentosefosfaten herschikt tot een triosefosfaat en een heptosefosfaat. Deze reactie wordt gekatalyseerd door het enzym transketolase (TKT).

6

188

Hoofdstuk 6 • Glycogeenmetabolisme, gluconeogenese en pentosefosfaatweg

. Figuur 6.20  De eerste reactie van transketolase (TKT) draagt twee koolstofatomen van xylulose-5-fosfaat over op ribose-5-fosfaat. Hierdoor ontstaan glyceraldehyde-3-fosfaat en de C7-suiker sedoheptulose-7-fosfaat.

6

. Figuur 6.21  Transaldolase (TALDO1) draagt drie koolstofatomen van het skelet van sedoheptulose-7-fosfaat over op glyceraldehyde-3-fosfaat. Hierdoor ontstaan fructose-6-fosfaat en de C4-suiker erythrose-4-fosfaat.

. Figuur 6.22  De tweede reactie van transketolase (TKT) herschikt erythrose-4-fosfaat en xylulose-5-fosfaat tot fructose-6-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat. Er zijn grote gelijkenissen met de eerste reactie.

Transaldolase (TALDO1) zal het koolstofskelet van deze beide ontstane suikers verder herschikken tot fructose-6-fosfaat en de C4-suiker erythrose-4-fosfaat (. figuur 6.21). Een tweede reactie van transketolase (. figuur 6.22) herschikt erythrose-4-fosfaat en xylulose-5-fosfaat tot fructose-6-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat. Samengevat: xylulose − 5 − fosfaat + ribose − 5 − fosfaat  glyceraldehyde − 3 − fosfaat + sedoheptulose − 7 − fosfaat glyceraldehyde − 3 − fosfaat + sedoheptulose − 7 − fosfaat  erythrose − 4 − fosfaat + fructose − 6 − fosfaat

189

6.10 • Pentosefosfaatweg

. Figuur 6.23  Vier modaliteiten van de pentosefosfaatweg. 1 Het draaien van metabole cirkels met als enig resultaat NADPH-winst uit glucoseverbranding. 2 Het aansluiten op de glycolyse met als doel acetyl-CoA te vormen naast NADPH. 3 Het omdraaien van de niet-oxidatieve stappen, met als bedoeling ribose-5-fosfaat te maken voor RNA. 4 Het uitvoeren van de oxidatieve fase en reductie van ribose tot desoxyribose.

xylulose − 5 − fosfaat + erythrose − 4 − fosfaat  glyceraldehyde − 3 − fosfaat + fructose − 6 − fosfaat

Opgeteld geeft dit: 2 xylulose − 5 − fosfaat + ribose − 5 − fosfaat  glyceraldehyde − 3 − fosfaat + 2 fructose − 6 − fosfaat

Qua koolstofskelet gaat er dus niets verloren: 3 × C5  2 × C6 + C3

6.10.5

Vier verschillende modaliteiten van werking van de pentosefosfaatweg

Het gebruik van de pentosefosfaatweg kent varianten die een andere betekenis hebben naargelang het celtype waar deze weg plaatsvindt (. figuur 6.23). Modaliteit 1  In modaliteit 1 van deze figuur, recyclen in de pentosefosfaatweg gevormde fruc-

tose-6-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat tot glucose-6-fosfaat. Het enige nettoresultaat van een dergelijke metabole cyclus is de volledige verbranding van één koolstofatoom van glucose6-fosfaat tot CO2 en het vormen van twee moleculen NADPH. Wanneer we op deze wijze zes moleculen glucose-6-fosfaat de pentosefosfaatweg in laten slaan, worden er zes moleculen CO2 naast zes moleculen ribulose-5-fosfaat en twaalf moleculen NADPH gevormd; de zes molecu-

6

190

6

Hoofdstuk 6 • Glycogeenmetabolisme, gluconeogenese en pentosefosfaatweg

. Figuur 6.24  Herstel van oxidatieve schade in rode bloedcellen. De normale werking van de rode bloedcellen impliceert diffusie en transport van CO2 en O2 (boven/onder met zwarte pijlen). Dizuurstof zal echter niet alleen binden aan hemoglobine, maar ook in kleine hoeveelheden optreden als oxidans, waarbij het bestanddelen van rode bloedcellen beschadigt (samengevat in (1), rechts). Voorbeelden van deze oxidatieve schade zijn membraanlipiden (RH wordt ROOH), membraaneiwitten (XSH wordt XS-SX) of het normale tweewaardige heemijzer wordt driewaardig Fe3+ met vorming van methemoglobine. De oxidatieve schade wordt door een reducerende buffer van glutathion (GSH; zie figuur 1.22 voor de structuur van het tripeptide) en met hulp van het enzym glutathionperoxidase (2) hersteld. Hierbij oxideert het glutathion tot GSSG. Rode bloedcellen onderhouden een hoge ratio van gereduceerd glutathion (GSH) over geoxideerd glutathion (GSSG), door het enzym glutathionreductase (3) en door verbruik van NADPH dat wordt omgezet tot NADP+. Dit laatste verbruik wordt gecompenseerd door modaliteit 1 van de pentosefosfaatweg (zie . figuur 6.23), waardoor de rode bloedcellen een hoge [NADPH]/[NADP+]-ratio onderhouden. Door opname van glucose, gevolgd door anaerobe glycolyse en pentosefosfaatweg, produceren de rode bloedcellen lactaat en CO2 als metabole afval.

len ribulose-5-fosfaat reconverteren tot vijf moleculen glucose-6-fosfaat. Eén glucosemolecuul wordt netto dus volledig verbrand tot CO2 met als rendement twaalf moleculen NADPH. Dit is een goed energetisch rendement. Deze modaliteit wordt gebruikt in de rode bloedcellen om de zuurstofschade biochemisch te herstellen (.  figuur 6.24). Zuurstof wordt in hoge concentratie door deze cellen vervoerd en kleine hoeveelheden zuurstof oxideren (beschadigen) het hemoglobine zelf of diverse componenten van de membraan. Deze schade moet zo veel mogelijk hersteld worden, anders sterft de rode bloedcel vroegtijdig. De motor voor het herstel is de pentosefosfaatweg, die zorgt voor een hoge [NADPH]/[NADP+]-ratio; dit veroorzaakt via een redoxreactie van het enzym glutathionreductase een hoge ratio van gereduceerd glutathion (GSH) over geoxideerd glutathion (GSSG). De sulfhydrylbuffer die hierdoor ontstaat, herstelt dan via het enzym glutathionperoxidase de geoxideerde moleculen in de rode bloedcellen. Voorbeelden zijn vetzuurperoxiden in de membraan en driewaardig heemijzer (methemoglobine) dat geen zuurstof meer kan rondvoeren. Glutathion is een tripeptide (gamma-glutamyl-cysteïnyl-glycine), dat in hoge concentratie in rode bloedcellen moet voorkomen om de essentiële functie van . figuur 6.24 te kunnen uitvoeren. Uiteindelijk is de energetische drijfveer van het herstel van deze schade de verbranding van glucose tot CO2 en het vormen van NADPH. Dat dit herstelmechanisme belangrijk is, wordt geïllustreerd bij patiënten met familiale glucose-6-fosfaatdehydrogenasedeficiëntie. Modaliteit 2  In modaliteit 2 laten we de pentosefosfaten aansluiten op de glycolyse, die vanaf

glyceraldehyde-3-fosfaat wordt verdergezet met als doel acetyl-CoA te vormen. Behalve de bij modaliteit 1 besproken NADPH levert de pentosefosfaatweg ook acetyl-CoA voor de synthese

6.10 • Pentosefosfaatweg

191

van vetzuren, cholesterol en van cholesterol afgeleide steroïdhormonen. Deze modaliteit vindt plaats in cellen waar de synthese van dergelijke lipiden intens dient te verlopen. Voorbeelden zijn leverparenchymcellen (intensieve vetzuursynthese en cholesterolsynthese); vetcellen; borstkliercellen tijdens de melkproductie; cellen van de bijnierschors, testis of ovarium die steroïdhormonen produceren. Modaliteit 3  In modaliteit 3 van .  figuur 6.23 draaien we de richting van de niet-oxidatieve

fase om, zodat ribose-5-fosfaat gemaakt wordt via transketolase en transaldolase uit glucose6-fosfaat. Deze modaliteit ondersteunt een intensieve synthese van nieuw RNA, bijvoorbeeld om een nieuwe set van ongeveer een miljoen ribosomen te produceren ter voorbereiding van de celdeling. Voor een dergelijke grootschalige netto synthese van RNA is het recyclen van basen uit ‘versleten’ RNA (salvageweg, 7 par. 10.2.2) onvoldoende.

Modaliteit 4  In modaliteit 4 levert de pentosefosfaatweg belangrijke bouwstenen voor DNA, dat intensief nodig is tijdens de S-fase van de celcyclus. Enerzijds wordt ribose-5-fosfaat gemaakt voor nieuwe nucleotiden, maar anderzijds wordt NADPH, dat geleverd wordt tijdens de oxidatieve fase, door het ribonucleotidereductase gebruikt om ribose te reduceren tot desoxyribose (7 par. 10.4.1). Ook voor de methylering van uracil tot thymine is NADPH nodig (7 par. 10.4.2). We bespraken dus eerder dat de autosomale H-vorm (H6PD = hexose-6-fosfaatdehydrogenase die soms ook glucose-1-dehydrogenase wordt genoemd) in vele weefsels tot expressie komt, maar niet in rode bloedcelvoorlopers die uitsluitend de X-gebonden G-vorm (G6PD = glucose-6-fosfaatdehydrogenase) gebruiken. De meest voorkomende ‘inborn error of metabolism’ op aarde, met een half miljard rechtstreeks betrokken mensen, heeft te maken met een deficiëntie van deze X-gebonden G-vorm, die de oorzaak is van een ziekte van rode bloedcellen, de non-sferocytische hemolytische bloedarmoede. Mature rode bloedcellen bezitten namelijk geen mitochondria meer en kunnen dus geen NADPH vormen via de malaat-pyruvaat-shuttle. Ze zijn dus voor NADPH-productie uitsluitend aangewezen op de X-gebonden G-vorm van glucose-6-fosfaatdehydrogenase (G6PD). Door de mutaties in het G6PD-gen is de productie van NADPH verminderd en kunnen de rode bloedcellen minder goed de oxidatieve schade herstellen die zuurstof voortdurend veroorzaakt. Daardoor leven de rode bloedcellen minder lang dan normaal en ontstaat het typerende bloedbeeld. De miljoenen mensen die drager zijn van G6PD-deficiënte allelen vertonen opmerkelijke verschillen qua etniciteit en geografisch leefgebied, waarbij het opvalt dat er overlap is met het natuurlijke verspreidingsgebied van Plasmodium falciparum, de verwekker van malaria. De frequentie van het meest voorkomende A-type mutatie, waarbij het gecodeerde proteïne minder stabiel is dan het wilde type en dus minder lang ‘meegaat’ in circulerende rode bloedcellen, is bijvoorbeeld meer dan 10% in de Afro-Amerikaanse bevolking maar minder dan 1% in Kaukasische Amerikanen. Plasmodium falciparum is al duizenden mensengeneraties een zeer grote doder en geldt vandaag nog altijd als het meest dodende infectieuze agens bij de mens. De dodelijke infectieziekte die van mens op mens wordt overgedragen via een beet van de mug Anopheles gambiae manifesteert zich door groei en vermenigvuldiging van de malariaparasiet in het cytoplasma van rode bloedcellen. Een halve eeuw geleden werd voor het eerst aangetoond dat G6PD-deficiënte rode bloedcellen meer resistent zijn tegen infectie met malariaparasieten (Luzzatto et al., 1969). Deze resultaten bevestigden de Haldane-hypothese (1948), die voorspelt dat toevallige mutaties in genen die het ‘milieu’ in het cytoplasma van rode bloedcellen minder aantrekkelijk maken voor vermenigvuldiging en groei van malariaparasieten, een beschermende factor kunnen zijn

6

192

6

Hoofdstuk 6 • Glycogeenmetabolisme, gluconeogenese en pentosefosfaatweg

. Figuur 6.25  Samenvatting van de Haldane-hypothese, die een verband legt tussen genetisch bepaalde ziekten van de rode bloedcellen en de geografische verspreiding van malaria-infecties.

tegen het doodgaan aan een malaria-infectie en dus op lange termijn een selectief voordeel opleveren ten opzichte van mensen die deze mutatie niet bezitten (. figuur 6.25). Na vele generaties van positieve selectie van deze mutante allelen in een met malaria geteisterde streek zijn deze allelen frequent geworden. >>Deze hypothese verklaart niet alleen de zeer hoge allelenfrequentie van X-gebonden G6PD-deficiëntie, maar ook de sikkelcelhemoglobinopathie en verschillende vormen van thalassemie. Ook in deze veelvoorkomende, erfelijk bepaalde ziekten van de rode bloedcellen beschermt oxidatieve stress tegen malaria-infecties (Van Zwieten et al., 2014). Evolutie Genen ‘adapteren’ aan omgevingsfactoren Dragers van een gemuteerd allel van het G6PD-gen bezitten rode bloedcellen die door hun lagere tempo van NADPH-productie gevoelig zijn voor chemische stoffen die oxidatieve schade in rode bloedcellen aanbrengen. Een culturele uiting daarvan is het eten van Vicia faba, de favaboon, in het Middellandse Zeegebied. Het idee is dat de boon gebruikt werd door de mens vanwege zijn antimalariawerking. De boon bevat namelijk divicine en convicine. Dit zijn voor rode blodecellen toxische stoffen (McMillan et al., 2007) die na omzetting tot zogeheten aglycone-vormen oxidatieve stress in rode bloedcellen veroorzaken, wat niet gunstig is voor de vermenigvuldiging van de malariaparasiet. De meeste mensen hebben geen last van deze toxines, want door de werking van G6PD wordt de oxidatieve stress hersteld. Maar bij mensen met G6PD-deficiëntie leidt het eten van favabonen 5 tot 24 uur later tot een acute hemolytische crisis en eventueel geelzucht (Noori-Daloii et al., 2004; Ho et al., 2007). Deze symptomatologie, die causaal verband vertoont met het eten van favabonen, heet favisme. Een hieraan gerelateerd probleem ligt in de sfeer van de farmacogenetica. Toen primaquine werd ontwikkeld als antimalariageneesmiddel, bleek dat bepaalde bevolkingsgroepen er overgevoelig voor waren en een acute hemolytische crisis vertoonden die erg lijkt op de reactie bij favisme (Salvidio et al., 1967). Het mechanisme van beide fenomenen is identiek: zowel de toxines in de favaboon als het antimalariageneesmiddel doen zuurstofradicalen in de rode bloedcellen ontstaan en veroorzaken hierdoor oxidatieve stress. Normaal wordt deze oxidatieve stress in de rode

Literatuur

193

bloedcel weer hersteld door het NADPH-glutathionreductiesysteem van de rode bloedcel, waarbij de NADPH-concentratie verlaagt. Dit laatste is ongunstig voor malariaparasieten, vandaar dat de bonen en de geneesmiddelen een antimalariawerking hebben. Bij de familiale G6PD-deficiëntie is de NADPH-concentratie door een productieprobleem basaal al laag. Met de extra oxidatieve schade die veroorzaakt wordt door de bonen of de primaquine, sterven talrijke rode bloedcellen en ontstaat de acute hemolytische crisis.

Literatuur Bijvoet, A.G., Van Hirtum, H., Kroos, M.A., Van de Kamp, E.H., Schoneveld, O., Visser, P., et al. (1999). Human acid alpha-glucosidase from rabbit milk has therapeutic effect in mice with glycogen storage disease type II. Hum. Mol. Genet. 8, 2145–2153. Bollen, M., Peti, W., Ragusa, M.J. & Beullens, M. (2010). The extended PP1 toolkit: designed to create specificity. Trends Biochem Sci. 35, 450–458. Francis, S.H., Blount, M.A. & Corbin, J.D. (2011) Mammalian cyclic nucleotide phosphodiesterases: molecular mechanisms and physiological functions. Physiol Rev. 91, 651–690. Hakimi, P., Yang, J., Casadesus, G., Massillon, D., Tolentino-Silva, F., Nye, C.K., et al. (2007). Overexpression of the cytosolic form of phosphoenolpyruvate carboxykinase (GTP) in skeletal muscle repatterns energy metabolism in the mouse 1. Journal of Biological Chemistry 282, 32844–32855. Ho, H.Y., Cheng, M.L. & Chiu, D.T. (2007). Glucose-6-phosphate dehydrogenase-from oxidative stress to cellular functions & degenerative diseases. Redox. Rep. 12, 109–118. Kishnani, P.S., Corzo, D., Nicolino, M., Byrne, B., Mandel, H., Hwu, W.L., et al. (2007). Recombinant human acid [alpha]-glucosidase: major clinical benefits in infantile-onset Pompe disease. Neurology. 68, 99–109. Koeberl, D.D., Pinto, C., Brown, T. & Chen, Y.T. (2009). Gene therapy for inhereted metabolic disorders in companion animals. ILAR. J 50, 122–127. Luzzatto, L., Usanga, F.A. & Reddy, S. (1969). Glucose-6-phosphate dehydrogenase deficient red cells: resistance to infection by malarial parasites. Science. 164, 839–842. McMillan, D.C., Bolchoz, L.J. & Jollow D.J. (2001) Favism: effect of divicine on rat erythrocyte sulfhydryl status, hexose monophosphate shunt activity, morphology, and membrane skeletal proteins. Toxicol Sci. 62, 353–359. Newsholme, E.A. (1978). Substrate cycles: their metabolic, energetic & thermic consequences in man. Biochem Soc. Symp. 43, 183–205. Noori-Daloii, M.R., Najafi, L., Mohammad, G.S., Hajebrahimi, Z. & Sanati, M.H. (2004). Molecular identification of mutations in G6PD gene in patients with favism in Iran. J. Physiol Biochem. 60, 273–277. Ostrom, R.S., Bogard, A.S., Gros, R. & Feldman, R.D. (2012). Choreographing the adenylyl cyclase signalosome: sorting out the partners and the steps. Naunyn Schmiedebergs Arch Pharmacol. 385, 5–12. Reddy, S.K., Austin, S.L., Spencer-Manzon, M., Koeberl, D.D., Clary, B.M., Desai, D.M., et al. (2009). Liver transplantation for glycogen storage disease type Ia. J Hepatol. 51, 483–490. Salvidio, E., Pannacciulli, I., Tizianello, A. & Ajmar, F. (1967). Nature of hemolytic crises & the fate of G6PD deficient, drug-damaged erythrocytes in Sardinians. N. Engl. J. Med. 276, 1339–1344. Sutherland, E.W. & Robison, G.A. (1966). The role of cyclic-3’, 5’-AMP in responses to catecholamines & other hormones. Pharmacol. Rev. 18, 145–161. Van den Hout, H., Reuser, A.J., Vulto, A.G., Loonen, M.C., Cromme-Dijkhuis, A. & Van der Ploeg, A.T. (2000). Recombinant human alpha-glucosidase from rabbit milk in Pompe patients. Lancet 356, 397–398. Van der Ploeg, A.T. & Reuser, A.J.J. (2008). Lysosomal storage disease 2 - Pompe’s disease. Lancet 372, 1342–1353. Van Zwieten, R., Verhoeven, A.J. & Roos, D. (2014) Inborn defects in the antioxidant systems of human red blood cells. Free Radic Biol Med. 67C, 377–386. Veiga-da-Cunha, M., Gerin, I., Chen, Y.T., Lee, P.J., Leonard, J.V., Maire, I., et al. (1999). The putative glucose 6-phosphate translocase gene is mutated in essentially all cases of glycogen storage disease type I non-a. Eur J Hum. Genet. 7, 717–723. Yoon, J.C., Puigserver, P., Chen, G., Donovan, J., Wu, Z., Rhee, J., et al. (2001). Control of hepatic gluconeogenesis through the transcriptional coactivator PGC-1. Nature. 413, 131–138.

6

195

Vetzuur- en cholesterolsynthese Samenvatting Hoofdstuk 7 bekijkt de aanmaak van nieuwe vetzuren en cholesterol vanuit de gemeenschappelijke bouwsteen acetyl-CoA. Beide reductieve syntheseprocessen vergen NADPH en geactiveerde bouwstenen: malonyl-CoA voor vetzuursynthese en isopentenylpyrofosfaat voor cholesterolsynthese. De vorming van malonyl-CoA is de fluxcontrolerende stap; de eigenlijke synthesereacties gebeuren via het vetzuursynthase, een multifunctioneel enzym. Het voltooide C-16 vetzuur kan door elongasen en desaturasen nog worden verlengd of voorzien van cis-dubbele bindingen. De fluxcontrolerende stap van de cholesterolsynthese is het HMG-CoA-reductase. Naast de novo cholesterolsynthese kunnen cellen ook cholesterol opnemen via receptorgemedieerde endocytose van low density lipoproteïne (LDL). Andere belangrijke lipoproteïnen die cholesterol kunnen bevatten zijn chylomicronen, very low density lipoproteïne (VLDL) en high density lipoproteïne (HDL); deze laatste brengt overtollig cholesterol van de periferie naar de lever, die cholesterol uitscheidt als galzouten. Cholesterolopstapeling in de bloedvaten leidt tot atherosclerose. Dit proces kan worden tegengegaan door cholesterolverlagende maatregelen, zoals een aangepast dieet en statinen, geneesmiddelen die het HMG-CoA-reductase remmen.

7.1 Inleiding – 197 7.2 Vetzuursynthese – 197 7.2.1 Inleiding – 197 7.2.2 Vetzuursynthese is niet het omgekeerde van bèta-oxidatie – 198 7.2.3 Drie fasen van de vetzuursynthese – 198 7.2.4 Vetzuursynthase maakt palmitaat – 202 7.2.5 Vetzuurelongatie en -desaturatie – 205 7.2.6 Reciproke regeling van vetzuursynthese en bèta-oxidatie van vetzuren – 209 7.2.7 Van vetzuren naar triglyceriden en terug – 209 F. C. Schuit, Leerboek metabolisme, DOI 10.1007/978-90-368-0620-6_7, © 2015 Bohn Stafleu van Loghum, onderdeel van Springer Media BV

7

7.3 De novo cholesterolsynthese – 213 7.3.1 Inleiding – 213 7.3.2 Drie fasen in de de novo synthese van cholesterol – 215 7.3.3 Synthese van IPPP, de geactiveerde bouwsteen – 215 7.3.4 Polymerisatie van IPPP tot squaleen (C30) – 216 7.3.5 Ringvorming en zijketenmodificaties – 217 7.3.6 Synthese van andere isoprenoïden – 218

7.4 Afstemming van de flux van de novo cholesterolsynthese op opnamemogelijkheid van exogeen cholesterol – 219 7.4.1 Verdeling van voedings- en de novo cholesterol over het lichaam door lipoproteïnen – 219 7.4.2 Relatie tussen de novo synthese en aanvoer van voedingscholesterol – 224 7.4.3 Cholesterolopstapeling in de vaatwand veroorzaakt atherosclerose – 227 7.4.4 Statinen remmen de enzymatische flux van HMG-CoA-reductase – 230

Literatuur – 231

7.2 • Vetzuursynthese

197

7.1 Inleiding

Dit hoofdstuk bespreekt de opbouw van vetzuren en cholesterol; het volgende hoofdstuk behandelt de hiervan afgeleide moleculen. We raken hier aan een onderwerp dat direct in verband staat met obesitas en atherosclerose, dus de medische relevantie is duidelijk zichtbaar. Voor de opbouw van vetzuren en cholesterol zijn twee elementen nodig: 55 geactiveerde bouwstenen (voor vetzuren en cholesterol respectievelijk malonyl-CoA en isopentenylpyrofosfaat (IPPP)); 55 NADPH als reducerend vermogen; dit wordt geleverd door de flux in de pentosefosfaatweg en door de werking van ‘malic enzyme’. Als vertrekpunt voor de synthese van de geactiveerde bouwsteen is acetyl-CoA nodig. De activering van de bouwsteen zelf kost ATP. De synthese van vetzuren en cholesterol komt in feite neer op de polymerisatie van geactiveerde bouwstenen, gevolgd door een reductie die NADPH vergt. Deze processen gebeuren grotendeels in het cytoplasma, maar de begin- en eindstadia vinden plaats in respectievelijk mitochondria en het endoplasmatisch reticulum. Tijdens de vetzuursynthese wordt acetyl-CoA gecarboxyleerd tot malonyl-CoA door het enzym acetylCoA-carboxylase (ACC). Malonyl-CoA wordt dan verbruikt voor de vetzuursynthese door vetzuursynthase, een zogeheten megasynthase. We maken in dit hoofdstuk ook kennis met de reciproke regeling van de vetzuuroxidatie en de vetzuursynthese die mogelijk is omdat malonyl-CoA, de bouwsteen voor synthese, tevens optreedt als allosterische remmer van de vetzuuroxidatie. De cholesterolsynthese vertrekt eveneens van acetyl-CoA die gecondenseerd wordt tot HMG-CoA. In tegenstelling tot de productie van ketonlichamen (7 par. 4.4.3) wordt voor de cholesterolsynthese het HMG-CoA gereduceerd tot mevalonaat, dit door het medisch belangrijke HMG-CoA-reductase. Dit enzym laat metabole fluxcontrole toe onder fysiologische omstandigheden en is ook doelwit voor de medicamenteuze behandeling van hypercholesterolemie (een te hoog cholesterolgehalte in het bloed). Leerdoelen 55 55 55 55 55 55

reductieve biosynthese vanuit de geactiveerde bouwsteen begrijpen; inzicht hebben in de werking van een multifunctioneel enzym; reciproke regeling van vetzuuroxidatie en vetzuursynthese begrijpen; triglyceriden kunnen plaatsen als strategische voorraad van vetzuren; de fasen van de cholesterolsynthese begrijpen; de fluxcontrole van de de novo cholesterolsynthese begrijpen.

Studeeraanwijzing Dit hoofdstuk sluit aan op de pentosefosfaatweg en is de basis voor 7 H. 8. De tijdsbesteding aan de kernleerstof van dit hoofdstuk wordt geschat op 10-12 uur.

7.2 Vetzuursynthese 7.2.1 Inleiding

Alle cellen hebben vetzuren nodig als bestanddeel van de lipidendubbellaag van biologische membranen. Deze bestanddelen worden veresterd aan glycerol of sfingosine en zorgen door de apolaire koolwaterstofstaarten voor een hydrofobe omgeving in het centrum van de membraan.

7

198

Hoofdstuk 7 • Vetzuur- en cholesterolsynthese

In een niet-delende cel worden de membraanlipiden voortdurend vervangen en in groeiende of delende cellen wordt er netto membraan bijgemaakt. Vetzuren kunnen ook dienen als basis voor andere chemisch actieve moleculen, zoals prostaglandinen, leukotriënen of plasmalogenen. Ten slotte kunnen cellen vetzuren produceren tijdens een periode van energetische rijkdom en opslaan als triglyceriden. Deze rijkdom wordt in het cytoplasma bewaard als een reserve van intracellulaire vetdruppeltjes. Deze energievoorraad kan vervolgens tijdens een periode van energieschaarste worden aangesproken via bèta-oxidatie van vetzuren en verdere koolstofverbranding in de Krebs-cyclus, gevolgd door oxidatieve fosforylering (7 H. 4 en 5). Het is vanzelfsprekend dat cellen een regelmechanisme hebben ontwikkeld waarmee ze reciproke fluxcontrole hebben over vetzuuroxidatie en vetzuursynthese. Malonyl-CoA, de bouwsteen voor vetzuursynthese, is de sleutel tot deze regeling, omdat het tegelijkertijd optreedt als allosterische inhibitor van de vetzuuroxidatie. Vetzuren worden in eerste instantie door het vetzuursynthase gemaakt als palmitaat (C16-verzadigd). In tweede orde kan de vetzuurstaart worden verlengd (elongatie) of voorzien worden van cis-dubbele bindingen (desaturatie). Deze processen vinden plaats in het glad endoplasmatisch reticulum.

7 7.2.2 Vetzuursynthese is niet het omgekeerde van bèta-oxidatie

Hoewel de vetzuursynthese op het eerste gezicht gewoon het omgekeerde lijkt te zijn van de bèta-oxidatie (verbruiken/vormen van acetyl-CoA voor/vanuit het polymeer acyl-CoA), is dit onjuist. Immers, vetzuurafbraak en vetzuuropbouw verlopen volgens gescheiden enzymsystemen en die bevinden zich zelfs in gescheiden celcompartimenten. Het grote voordeel van een dergelijke scheiding is de reciproke regeling. Dit is uiteraard gewenst, want wat is de zin van bèta-oxidatie van vetzuren, gevolgd door een proces waarin de vrijgekomen acetyl-CoA weer wordt verwerkt in vetzuren? Dit gegeven vertoont dus overeenkomsten met het glycogeenmetabolisme en de gluconeogenese/glycolyse. Wat zijn de grote verschillen tussen vetzuurafbraak en vetzuuropbouw? 55 de bèta-oxidatie gebeurt in de mitochondriale matrix, terwijl de vetzuursynthese plaatsvindt in het cytoplasma en het glad endoplasmatisch reticulum; 55 de enzymen van de bèta-oxidatie zijn losstaande entiteiten, die gecodeerd worden door losstaande genen; voor de vetzuursynthese worden katalytische functies waargenomen door domeinen van één reusachtig multifunctioneel enzym, het vetzuursynthase; 55 de groeiende vetzuurketen blijft tijdens het opbouwproces covalent gekoppeld aan dragers van dit megasynthase; tijdens de bèta-oxidatie diffunderen de metabolieten in de matrix van de mitochondria; 55 bij de oxidatie van vetzuren worden FADH2 en NADH gevormd, terwijl de vetzuursynthese NADPH verbruikt (reductieve biosynthese); 55 de vetzuuroxidatie kan zowel lange als korte ketens afbreken, terwijl de vetzuursynthese stopt bij palmitaat; langere ketens worden in het glad endoplasmatisch reticulum gevormd via het proces van vetzuurelongatie. 7.2.3 Drie fasen van de vetzuursynthese

Vetzuren kunnen gemaakt worden vanuit glucose die via de glycolyse en oxidatieve decarboxylering wordt omgezet tot acetyl-CoA (. figuur 7.1). Naast ATP, dat wordt geleverd door de oxidatieve fosforylering, is er ook reducerend vermogen nodig dat ontstaat via de hexosemo-

7.2 • Vetzuursynthese

199

. Figuur 7.1  De vetzuursynthese wordt ‘gevoed’ met koolstofatomen van de aerobe glycolyse en de pentosefosfaatweg. Het proces bestaat uit drie fasen: (1) export van de bouwsteen acetyl-CoA naar het cytoplasma en activering tot malonyl-CoA; (2) polymerisatie en reductie van de bouwstenen; (3) ketenelongatie en -desaturatie.

nofosfaatshunt (pentosefosfaatweg; 7 par. 6.10) en via de pyruvaat-citraatshuttle (zie subparagraaf ‘Export van acetyl-CoA naar het cytoplasma’). De eigenlijke vetzuursynthese bestaat uit drie fasen. Ten eerste moet de bouwsteen acetyl-CoA worden geactiveerd tot malonyl-CoA in een fluxgenererend proces. Dit proces begint met de export van acetyl-CoA vanuit de mitochondriale matrix naar het cytoplasma via de citraat-pyruvaatshuttle. Het mooie van deze fluxcontrole is dat malonyl-CoA tevens de sleutel is tot de fluxcontrole van de vetzuuroxidatie. Tijdens de tweede fase wordt de geactiveerde bouwsteen door het vetzuursynthase omgezet tot palmitaat (C16). Dit vereist repetitieve condensatie van acetyleenheden op de groeiende keten en reductie van het bèta-koolstofatoom. Tijdens de derde fase wordt er een waaier van vetzuren geschapen, hetzij door de ketenlengte te vergroten (elongatie), hetzij door onverzadigde bindingen te maken (desaturatie), of een combinatie van beide. Deze fase grijpt plaats ter hoogte van het glad endoplasmatisch reticulum. Fase 1 en 2 vertonen enige gelijkenis met het verloop van de eiwitsynthese.

Export van acetyl-CoA naar het cytoplasma

Fase 1 van de vetzuursynthese komt neer op het beschikbaar maken van een voldoende voorraad van een geactiveerde bouwsteen in het juiste compartiment van de cel, het cytoplasma. Alle koolstofatomen van een vetzuur zijn afkomstig van de acetylgroep van acetyl-CoA. Maar, omdat de oxidatieve decarboxylering plaatsvindt in de mitochondriale matrix, moet de bouwsteen verhuizen naar het cytoplasma. Co-enzym A kan niet door de binnenste mitochondriale membraan: zoals we hebben gezien met de acylcarnitinecarrier (7 par. 4.4.1), is er dus ook hier een transportmechanisme nodig. Dit is de citraat-pyruvaat-shuttle (.  figuur  7.2). De eerste stap is gemeenschappelijk met de Krebs-cyclus, omdat acetyl-CoA in de matrix van het mitochondrium condenseert met oxaloacetaat, waardoor citraat gevormd wordt. Dit citraat verlaat de Krebs-cyclus en diffundeert via de citraattransporter naar het cytoplasma. Daar wordt het door ATP-citraatlyase (ACLY) gesplitst in acetyl-CoA en oxaloacetaat. Het tweede deel van de

7

200

7

Hoofdstuk 7 • Vetzuur- en cholesterolsynthese

. Figuur 7.2  De citraat-pyruvaat-shuttle zorgt voor een export van acetyl-CoA van de mitochondriale matrix naar het cytoplasma. Bovendien wordt NADH omgezet in NADPH. De volgende enzymen en transporteiwitten maken de cyclus mogelijk: citraatsynthase (CS); citraatcarriereiwit (gele bol rechts); ATP-citraatlyase (CS); cytoplasmatisch malaatdehydrogenase (MDH1); cytoplasmatisch malic enzyme (ME1); pyruvaatcarrier-eiwit (gele bol links); pyruvaatcarboxylase (PC). De stuwkracht van de shuttle is de hydrolyse van ATP.

shuttle heeft als doel de reconversie tot oxaloacetaat in de mitochondriale matrix. Dit gebeurt via een omweg: 55 reductie van oxaloacetaat tot malaat, via cytoplasmatisch malaatdehydrogenase; (MDH1) 55 oxidatieve decarboxylering van malaat tot pyruvaat via cytoplasmatisch malic enzyme (ME1); 55 transport van pyruvaat van cytoplasma naar de mitochondriale matrix; 55 anaplerose van pyruvaat naar oxaloacetaat via pyruvaatcarboxylase (PC). De citraat-pyruvaatshuttle vangt dus eigenlijk twee vliegen in één klap, want acetyl-CoA komt op de plaats van bestemming en cytoplasmatisch NADH wordt omgezet in NADPH. De shuttle kost twee moleculen ATP-hydrolyse per molecuul acetyl-CoA (één door het citraatlyase en één door het pyruvaatcarboxylase. Nu kan acetyl-CoA in de fluxgenererende stap worden geactiveerd.

Activering van de bouwsteen

Een tweede aspect van de eerste fase is de activering van acetyl-CoA (. figuur 7.3). Hierbij katalyseert het enzym acetyl-CoA-carboxylase de ATP-afhankelijke carboxylatie van acetyl-CoA tot malonyl-CoA. Net als het pyruvaatcarboxylase gebruikt het acetyl-CoA-carboxylase biotine als co-enzym. Dit enzym wordt bij de mens gecodeerd door twee paraloge genen (ACACA en ACACB). Acetyl-CoA-carboxylase katalyseert de fluxgenererende stap van de vetzuursynthese. Het is dus niet verwonderlijk dat juist deze stap onderhevig is aan allosterische en fosforyleringsafhankelijke metabole fluxcontrole (. figuur 7.3). De fosforylering door het AMP-afhankelijke proteïnekinase inactiveert het enzym. Een stijging van [AMP] is een teken van een gedaalde energy charge. Omdat de vetzuursynthese veel energie kost, is deze regeling zinvol voor het behoud van een hoge energy charge. De activerende defosforylering wordt verzekerd door het proteïnefosfatase 2A. In de lever en vetcellen wordt dit fosfatase geactiveerd door insuline en geremd door adrenaline. Een vergelijkbaar effect werd reeds getoond voor de activering van het fosfatase dat pyruvaatdehydrogenase regelt (7  par. 4.2.2). De allosterische invloed wordt gedomineerd door het activerende citraat dat de

7.2 • Vetzuursynthese

201

. Figuur 7.3  Regeling van acetyl-CoA-carboxylase (ACAC). De productie van malonyl-CoA is de fluxgenererende stap in de vetzuursynthese. Deze wordt gekatalyseerd door ACAC, dat zowel door allosterie als door fosforylering/defosforylering wordt geregeld. Fosforylatie inactiveert het enzym; allosterische binding van citraat polymeriseert het ACAC, waardoor het enzym toch actief wordt.

ACAC-monomeren doet polymeriseren tot filamenten (.  figuur  7.3). Deze activering heeft natuurlijk zin, omdat een gestegen cytoplasmatische citraatconcentratie typisch voorkomt bij een gestegen citraat-pyuvaatshuttlesysteem.

Reductieve biosynthese

Zodra de cel beschikt over voldoende geactiveerde bouwsteen kan worden overgegaan tot de tweede fase: de reductieve synthese van palmitaat. Tijdens de reductieve biosynthese van vetzuren is de ‘acylgroep-in-wording’ nooit vrij aanwezig, maar covalent gebonden aan het acylcarrierproteïne (ACP), een eiwit dat een CoA-achtige groep als cofactor gebonden heeft op een van zijn serinezijketens. We kunnen dit beschouwen als een lange flexibele arm die de acylgroep tijdens de reductieve biosynthese bij de juiste actieve plaatsen van katalyse brengt. De eerst gebonden malonyl-CoA wordt vervolgens gefuseerd met acetyl-CoA die bij bacteriën ook gebonden is aan ACP. Condensing enzyme zorgt voor de fusie, waarbij de geactiveerde CO2 van malonyl-CoA wordt afgesplitst en een vrije ACP ontstaat (. figuur 7.4). Het afsplitsen van CO2 van malonyl-CoA levert voldoende energie om de condensatie exergonisch te maken. Nu wordt het begrijpelijk waarom acetyl-CoA-carboxylase de bouwsteen eerst moet activeren. Na de condensatie is er een bèta-ketoacyl-ACP ontstaan dat via drie stappen wordt gereduceerd tot een acyl-ACP (.  figuur  7.4). Deze drie stappen worden gekatalyseerd door bèta-ketoacylreductase, dehydratase en enoylreductase. De twee reductasen gebruiken NADPH als reducerend vermogen; verwar deze stappen dus niet met het omdraaien van bèta-oxidatie, want zo gebeurt het niet. Stoichiometrisch komt de synthese van palmitaat door zeven rondjes van hetgeen hierboven werd beschreven op het volgende neer: acetyl − CoA + 7 malonyl − CoA + 14 NADPH → palmitaat + 7 CO2 + 14 NADP + + 8 CoA

Rekening houdend met de synthese van malonyl-CoA wordt het:

8 acetyl − CoA + 7 ATP + 14 NADPH → palmitaat + 7 ADP + 7 Pi + 14 NADP + + 8 CoA

7

202

Hoofdstuk 7 • Vetzuur- en cholesterolsynthese

7

. Figuur 7.4  Schema van de laatste cyclus van vetzuursynthese, waarbij de koolstofstaart van de C14-acylketen met twee atomen toeneemt tot een C16-acylketen. Getoond is het schema van prokaryoten met van elkaar losstaande enzymactiviteiten. Bij de mens bevinden deze activiteiten zich binnen één grote polypeptideketen (het vetzuursynthase). Opeenvolgende stappen zijn: (1) condensatie, (2) reductie, (3) dehydratatie en (4) de tweede reductie. ACP = acylcarrierproteïne. Om de C14-acylketen te verkrijgen, waren zes voorafgaande cycli (qua reacties gelijk aan de getoonde cyclus) nodig. Na de synthese van C16-acyl-ACP klieft thio-esterase het voltooide vetzuur van ACP af.

Zodra palmitaat gevormd is, kan de derde fase van elongatie en desaturatie beginnen (.  figuur 7.1). Voordat we dit doen (7  par. 7.2.6), zullen we echter eerst een bepaald aspect uit de tweede fase onder de loep nemen, namelijk het bestaan van een multifunctioneel enzym bij de mens en andere dieren. 7.2.4 Vetzuursynthase maakt palmitaat

Bij bacteriën worden de hoger vermelde enzymatische stappen door losstaande enzymen gekatalyseerd; deze enzymen worden gecodeerd door afzonderlijke genen. De synthese van vetzuren gebeurt bij de mens echter ter hoogte van het vetzuursynthase (FASN). Dit enzym is het voorbeeld van de werking van een multifunctioneel enzym. In feite is dit enzym een moleculaire ‘lopende band’ die verzekerd wordt door een homodimeer van twee grote eiwitmoleculen (molmassa 260 kDa, dus ongeveer 2500 aminozuurresiduen per eiwit) die zich oprollen tot een driedimensionale structuur met drie verschillende domeinen (. figuur 7.5):

7.2 • Vetzuursynthese

203

. Figuur 7.5  Menselijk vetzuursynthase (FASN) is een homodimeer van twee 260 kDa multifunctionele subeenheden. De domeinstructuur van de twee polypeptideketens is ruimtelijk goed te zien. Linksboven zijn de verschillende enzymfuncties genummerd. 1. malonyltransferase (opladen bouwsteen); 2. condensing enzyme; 3. bèta-ketoacylreductase; 4. dehydratase; 5. enoylreductase; 6. acylcarrierproteïne (ACP) dat een C10-bèta-ketoacylgroep gebonden heeft; 7 thio-esterase. Rechtsboven begint een nieuwe ronde van synthese door condensatie van een C6-acylgroep met een malonylgroep waardoor de C8-bèta-ketoacylgroep ontstaat. Deze wordt vervolgens door het reductasedomein (rood) gereduceerd. Vervolgens treedt een translocatie op naar de condensing enzyme-SH-groep van de andere monomeer (linksonder). Een nieuwe malonyl-CoA kan binnentreden (links midden) en een nieuwe condensatie maakt de C10-bèta-ketoacylgroep. Nog vier ronden van synthese zijn nodig voor de afgewerkte C16-acylgroep die door thio-esterase van ACP wordt verwijderd. De enzymdimeer is hier volledig symmetrisch getekend met identieke reacties in de twee subeenheden.

1. een domein dat dient voor ‘opladen’ met malonyl-CoA en voor condensatie; hiervoor zijn malonyltransferase en condensing enzyme nodig; 2. de reductie-eenheid met naast ketoacylreductase, dehydratase en enoylreductase ook het ACP met zijn mobiele arm; 3. het thio-esterase, dat zorgt voor het loskomen van het eindproduct. . figuur 7.5 toont ook een klein stukje van de afgelegde weg van de eerste bouwstenen tot pal-

mitaat. We vertrekken van een C6-acylgroep die vastzit aan condensing enzyme. Een malonylgroep werd binnengebracht en aan ACP verbonden. Condensing enzyme zorgt voor de fusie en er ontstaat een C8-bèta-ketoacylgroep op ACP waarbij er CO2 vrijkomt. De bèta-ketogroep wordt dan door het reductasedomein gereduceerd. Daarna volgt de translocatie, een proces waarin de verlengde acylketen wordt overgedragen van ACP naar de lege plaats van het condensing enzyme. Aldus kan ACP een nieuwe malonylgroep ontvangen van het malonyltransferase zodat er een nieuwe condensatie-reductie-translocatiecyclus kan beginnen. Na nog vier volledige cycli te hebben doorlopen, ontstaat vanuit acetyl-CoA uiteindelijk het palmitoyl-ACP. Dit wordt herkend door het thio-esterase, dat de binding tussen ACP en de acylgroep verbreekt zodat vrij palmitaat wordt gevormd. De vetzuursynthese wordt dus verzekerd door een multifunctionele machine, waarbij alle tussenproducten covalent aan het enzym gebonden zijn en tijdens de opeenvolgende elongatiecycli van plaats verwisselen tussen twee sites (ACP en condensing enzyme). Dit fenomeen doet denken aan de eiwitsynthese, waar

7

204

Hoofdstuk 7 • Vetzuur- en cholesterolsynthese

de groeiende peptidenketen via dragers (tRNA) afwisselend bindt op twee ribosomale sites. Merk op dat in . figuur 7.5 het substraat door de lange arm van ACP van de ene monomeer kan worden ‘bewerkt’ door de enzymactiviteiten van de andere monomeer. Tijdens de assemblage ‘zwenkt’ de ACP-substraatarm van de ene actieve site naar de andere. De voordelen van een dergelijke multifunctionele machine werden al besproken in 7 par. 2.8.4. Evolutie

7

Vetzuursynthase: het ontstaan van een moleculaire ‘lopende band’ Vetzuursynthase is een megasynthase. Men kan zich afvragen hoe een ingewikkelde machine als het vetzuursynthase evolutionair is ontstaan. Een van de elementen voor een antwoord komt uit de relatie tussen genstructuur en eiwitstructuur, waarbij het opvalt dat aparte genmodules (exons) instaan voor het coderen van discrete eiwitdomeinen met vaak een aparte functie. Dit betekent dat de ingewikkelde structuur van menselijk vetzuursynthase het gevolg is van een genetisch proces dat zich zeer lang geleden heeft afgespeeld, toen de overgang tussen prokaryote en eukaryote cellen werd gemaakt. In dit proces zijn de individuele genen van bacteriën die coderen voor de afzonderlijke enzymactiviteiten (één enzym per polypeptideketen) bijeen komen te liggen onder controle van één promotor en terminator van transcriptie. Met de juiste splice-signalen betekende dit dat de oorspronkelijk onafhankelijke genen herleid werden tot samenwerkende exons binnen een groot gen. Bij fungi is deze herschikking (exon shuffling) al aanwezig (Johansson et al., 2008). De intron-exonstructuur van het primaire transcript van het menselijk vetzuursynthasegen is getoond in het figuur: menselijk vetzuursynthase mRNA wordt gecodeerd door een gen met 43 exons. Na transcriptie worden de 42 introns door splicing verwijderd. Het mature mRNA wordt dan vertaald tot het multifunctionele eiwit (FASN) dat werkt als een dimeer (7 ook . figuur 7.5).

Het menselijke vetzuursynthase is niet het enige megasynthase. In de wereld van de fungi worden ingewikkelde chemische wapens gemaakt om te dienen als remmers van de groei van competerende bodembacteriën. Bacteriën maken met hun eigen megasynthasen in deze natuurlijke chemische oorlog eveneens aromatische polyketiden. De geneeskunde gebruikt dergelijke chemische stoffen als antibiotica om bacteriële infecties te bestrijden en daarnaast worden de aromatische polyketiden gebruikt in de cancerologie. Voorbeelden

7.2 • Vetzuursynthese

205

. Figuur 7.6  Elongatie en desaturatie zijn het werk van speciale enzymen in de lipidenmembraan van het glad endoplasmatisch reticulum (ER). De elongatie is het werk van een serie vetzuurelongasen, waarvan er een is getoond (langeketenvetzuurelongase 6; ELOVL6). De desaturatie verloopt via stearoyl-CoA-desaturase 1 (SCD1), dat een van de zuurstofatomen van dizuurstofgas reduceert tot water; het andere watermolecuul ontstaat dankzij NADPH of NADH. Rechts worden deze substraten niet getoond. Een belangrijk co-enzym van het SCD1 is cytochroom b5.

zijn erytromycine, een remmer van de prokaryotische ribosomen, en penicilline, een remmer van de peptidoglycaansynthese (bacteriële celwand). Voor de synthese van de macrocyclische aglyconkern van erytromycine, het 6-deoxyerythronolide B, is polyketidesynthase (PKS) nodig, een reusachtig, multifunctioneel enzym met een primaire structuur van meer dan drieduizend aminozuurresiduen (Khosla et al., 2007). De rol van deze megasynthasen in de synthese van waardevolle geneesmiddelen heeft de belangstelling van wetenschappers gewekt. Het moet mogelijk zijn om met de kennis van steeds meer genoomsequenties de evolutionaire oorsprong van deze multimodulaire machines te achterhalen (Amoutzias et al., 2008). Een van de verwachtingen is dat men door genetic engineering nieuwe multimodulaire nanomachines kan bouwen die zeer gericht en specifiek een bepaalde chemische structuur kunnen opbouwen (Ma et al., 2008, Zhang et al., 2008). Er bestaan bij dieren in feite twee vetzuursynthasen, het eerder besproken type-I-synthase in het cytoplasma (FASN) dat werkt als een megasynthase, en een in de mitochondriale matrix gelegen type-II-vetzuursynthase dat korteketenvetzuren (C8-vetzuren) produceert (Bunkoczi et al., 2009). Dit systeem wordt opgebouwd door niet-covalente interacties tussen losliggende enzymen, precies zoals gebeurt in de prokaryote wereld. De functie van type-II-synthase is nog onduidelijk. Misschien is dit systeem een rudiment van de oorspronkelijke prokaryote oorsprong van mitochondria (7 H. 4, de endosymbiontenhypothese).

7.2.5 Vetzuurelongatie en -desaturatie

We bespreken de derde fase van de vetzuursynthese, want palmitaat is in veel gevallen niet het eindpunt. De vetzuurstaart kan inderdaad op verschillende manieren kan worden veranderd. Ten eerste kan de koolstofketen nog verder verlengd worden door aanbouw van extra C2bouwstenen in het glad endoplasmatisch reticulum. We noemen dit vetzuurelongatie. Hiervoor is malonyl-CoA nodig als bouwsteen en een reeks elongerende enzymen, waaronder het belangrijke langeketenvetzuurelongase 6 (ELOVL6) (.  figuur 7.6). Het resultaat is dat de

7

206

Hoofdstuk 7 • Vetzuur- en cholesterolsynthese

7

. Figuur 7.7  Een aantal voor de mens relevante vetzuren. A Stearaat (C18, verzadigd); B Oleaat (C18, monoonverzadigd); C Linoleaat (C18, poly-onverzadigd, een omega-6-vetzuur, want de laatste C=C-binding zit zes koolstofatomen van het uiteinde (top)); D Linolenaat (C18, poly-onverzadigd, een omega-3-vetzuur); E EPA (eicosapentaeenzuur) en F DHA (docosahexaeenzuur), beide zijn omega-3-vetzuren in visolie. G Elaïdinezuur, een trans-C18, mono-onverzadigd vetzuur waarvan de vetzuurstaart niet ‘knikt’ maar recht doorloopt.

ketenlengte van 16 C-atomen toeneemt tot C18 of zelfs meer. Ten tweede kan het koolstofskelet op welbepaalde plaatsen worden voorzien van cis-onverzadigde bindingen. Dit is de desaturatie. Speciale enzymen zijn voor dit proces nodig, waaronder het belangrijke stearoyl-CoAdesaturase 1 (SCD1) (. figuur 7.6). Opmerkelijk is dat stearoyl-CoA-desaturase 1 twee substraten neemt om de twee zuurstofatomen van dizuurstof te reduceren tot twee watermoleculen:

stearoyl − CoA + NADPH + O2 → oleyl − CoA + NAPD+ + 2H2 O We spreken van een gemengdefunctie-oxidase en zullen vele andere reacties van dit type tegenkomen in het volgende hoofdstuk (7  par.  8.4). Voor deze redoxreactie is er een speciaal elektronentransportsysteem waarin het cytochroom b5 zit. Het is belangrijk om te vermelden dat de mens geen enzymen bezit om onverzadigde bindingen te genereren die verder van de COO–-terminus liggen dan het negende koolstofatoom. Daardoor is de mens niet in staat om het linoleaat (C18:2 cis-Δ9,Δ12- . figuur 7.7C) en linolenaat (C183 cis-Δ9,Δ12,Δ15- . figuur 7.7D) en te produceren. Deze vetzuren moeten dus aanwezig zijn in het voedsel en dat maakt linoleaat en linolenaat essentiële vetzuren. Linoleaat kan door de mens worden omgezet in arachidonaat (C20:4 cis-Δ5,Δ8,Δ11,Δ14), zodat dit poly-onverzadigde vetzuur in feite niet essentieel is. Op het begrip essentiële voedingsstoffen zal verder worden ingegaan (7 par. 11.4).

7.2 • Vetzuursynthese

207

Horizon Is vetzuursynthese een nieuw farmacologisch doelwit in de behandeling van kanker en obesitas? Nieuwe vetzuren zijn in grote aantallen nodig in prolifererende cellen, want celdeling vraagt om nieuwe membraanlipiden. Anderzijds worden nieuw aangemaakte vetzuren samen met de door voeding opgenomen niet-verbrande vetzuren opgeslagen in de triglyceridenvoorraad van vooral het vetweefsel. Deze feiten maken dat er heel wat wetenschappelijke belangstelling bestaat voor het idee dat een farmacologische rem van vetzuursynthase kan worden gebruikt in bepaalde vormen van kanker en obesitas. Een goed bestudeerde remmer van vetzuursynthase is cerulenine, dat een covalente binding aangaat met een voor het enzym cruciale cysteïnezijketen (Johansson et al., 2008). In prostaattumoren is de lipogenese opgedreven dankzij verhoogde expressie van vetzuursynthase (Swinnen et al., 2000, 2002). Ook bij borstkanker is de expressie van vetzuursynthase verhoogd (Hunt et al., 2007). Bij patiënten met ovariumkanker blijkt de mate van overexpressie van vetzuursynthase bepalend te zijn voor de prognose en overleving (Gansler et al., 1997). Vetzuursynthase wordt nu ook getest als doelwit in de behandeling van multipel myeloom (Okawa et al., 2008). Merkwaardig is dat de stijging in de expressie van vetzuursynthase veel belangrijker is dan de stijging van expressie van cholesterolproducerende enzymen (Swinnen et al., 2000). Het idee dat de opregulatie simpelweg het gevolg is van een verhoogde membraansynthese is dus waarschijnlijk verkeerd. In normale cellen zullen vrije vetzuren die afkomstig zijn van voeding de expressie van vetzuursynthase onderdrukken via een detectie in het SREBF1- en stearoyl-CoA-desaturasesysteem (zie hiervoor het einde van dit hoofdstuk). Kankercellen negeren deze regeling, misschien als gevolg van de slechte doorbloeding en de hierdoor optredende metabole veranderingen in tumoren. Vetzuursynthase wordt eerder gezien als een product van een oncogen dat ingrijpt op het ontstaan van tumorcellen, bijvoorbeeld door de apoptose te remmen (Migita et al., 2009). De verhoogde expressie van vetzuursynthase bleek inderdaad een van de eerste moleculaire veranderingen te zijn in de oncogenese (Swinnen et al., 2002), wat kan betekenen dat een chemische rem van dit enzym betekenisvol kan zijn bij patiënten met prostaatkanker. Een andere mogelijkheid is het idee dat het vrijmaken van vetzuren vanuit monoacylglycerolen (. figuur 7.8 en 7.9) bijdraagt tot het agressieve gedrag van kankercellen (Nomura et al., 2010). Het verantwoordelijke enzym, monoacylglycerollipase (MGL;  . figuur 7.9) is bijzonder actief in kankercellen en experimentele verandering van deze activiteit heeft invloed op de kankergroei (Nomura et al., 2010). Dit type onderzoek maakt dat farmacologische remmers van vetzuursynthase en monoacylglycerollipase misschien een toekomst hebben als geneesmiddelen voor patiënten met kanker. Een andere veelbelovende strategie is vetzuursynthase als doelwit voor de preventie of behandeling van obesitas. In tegenstelling tot het kankeronderzoek bevindt dit onderzoek zich nog in het stadium van proefdiermodellen. Deze onderzoekslijn steunt op de observatie dat het eerder vermelde cerulenine en een andere farmacologische remmer van vetzuursynthase muizen minder doet eten en doet vermageren (Loftus et al., 2000). Een mogelijk mechanisme is een verandering in de synthese en secretie van hypothalamische neuropeptiden die de eetlust veranderen (Ronnett et al., 2006). In de studie bij muizen werd een vermindering gezien van expressie van het eetlustopwekkende neuropeptide Y (Loftus et al., 2000). In kippen werd een effect van cerulenine waargenomen op de melanocortinereceptoren in de hypothalamus (Dridi et al., 2006). Het idee werd gelanceerd dat traditionele Chinese medicinale kruiden die de eetlust remmen werken op basis van remming van vetzuursynthase (Tian et al., 2004).

7

208

7

Hoofdstuk 7 • Vetzuur- en cholesterolsynthese

Een tweede belangrijk feit is dat alle aangebrachte dubbele bindingen cis-dubbele bindingen zijn (. figuur 7.7). Dit heeft als belangrijke consequentie dat de vetzuurketen ter hoogte van de onverzadigde C=C-binding een ‘knik’ vertoont die onderlinge toenadering van vetzuurmoleculen in een lipidenmembraan bemoeilijkt. Hierdoor daalt de vanderwaals-aantrekkingskracht tussen vetzuurstaarten van sfingo- en glycerolipiden, wat membranen minder ‘stijf ’ (meer fluïde) maakt: dit is belangrijk voor de membraanfunctie (7 par. 1.3). Het bezitten van voldoende vetzuren met cis-dubbele bindingen is gunstig voor de fluïditeit van de membraan en wordt bewerkstelligd door desaturasen. Aanzienlijke hoeveelheden cisdubbele bindingen zijn aanwezig in de poly-onverzadigde vetzuren van plantaardige oliën en in visolie. Naargelang het aantal koolstofatomen vanaf het uiteinde van de staart tot de verste dubbele binding, spreekt men van omega-9-, omega-6- en omega-3-vetzuren (.  figuur  7.7). Linoleenzuur, EPA (eicosapentaeenzuur) en DHA (docosahexaeenzuur) zijn voorbeelden van omega-3-vetzuren. Deze zullen, wanneer ingenomen via het voedsel, de fluïditeit van membranen verhogen en hebben hierdoor misschien een gunstig effect op het risico voor het ontwikkelen van pathologie ter hoogte van hart en bloedvaten, maar dit laatste bleek recent niet zo zeker (Chowdhury et al., 2014). Een ander effect wordt verkregen met transonverzadigde vetzuren (. figuur 7.7G), die geen ‘knik’ in de vorm van het vetzuur teweegbrengen en membranen juist stijver maken. Deze vetzuren ontstaan als ‘neveneffect’ in het industriële verhardingsproces van plantaardige oliën dat gebruikt wordt in de voedingsindustrie. Hun aanwezigheid in voedingsproducten moet tot een minimum worden beperkt, omdat inname van transvetten het profiel van circulerende lipoproteïnen verandert op een wijze die het risico op het ontstaan van hart- en vaatziekten vergroot (zie verderop kader Horizon ‘Wat is het verband tussen transvetten in het voedsel en atherosclerose?’). Horizon Invloed van vetzuurelongatie/desaturatie op het ontstaan van diabetes en obesitas? Van alle elongerende enzymen vertoont het langeketenvetzuurelongase-6-iso-enzym (ELOVL6 in . figuur 7.6) de meeste aantoonbare medische relevantie. Onderzoek met genetisch gemodificeerde muizen suggereert dat de expressie van ELOVL6 in de lever invloed heeft op de insulineresistentie die optreedt bij obesitas (Matsuzaka et al., 2007). Deze insulineresistentie is relevant voor de mens, want speelt een rol bij het ontstaan van metabool syndroom en type-2-diabetes (7 par. 12.7.3). In het muisonderzoek zou ELOVL6 de samenstelling van de vetzuren die in very low density lipoproteins (VLDL) uit de lever naar de vetcellen vertrekken, beïnvloeden en zo een effect uitoefenen op vetcellen. Het belang van stearoyl-CoA-desaturase 1 (SCD1) voor de lipidenbalans van het totale lichaam werd gesuggereerd door een muismodel van SCD1-deficiëntie: SCD1-knockoutmuizen bleken beschermd te zijn tegen obesitas door een hypercalorisch koolhydraatrijk dieet, maar niet tegen obesitas door een vetrijk dieet (Flowers & Ntambi, 2009). Het mechanisme is dat koolhydraten, via een rechtstreeks effect op de lever en een onrechtstreeks effect via de pancreatische bèta-cellen, de lever tot lipogenese aanzetten door inductie van acetyl-CoA-carboxylase, vetzuursynthase, elongatie-enzymen en SCD1 (zie figuur). Hier ontstaan omega-9-mono-onverzadigde vetzuren zoals oleaat en palmitoleaat, die zich via VLDL naar de vetcellen laten transporteren om zich daar op te stapelen in de vetreserve.

7.2 • Vetzuursynthese

209

Figuur: regeling van de lipogenese in de lever door koolhydraten in de voeding. Een mogelijk mechanisme is de inductie van de lipogenese in de lever die rechtstreeks gebeurt door het glucosemetabolisme in deze cellen en onrechtstreeks door insuline die vrijkomt uit de bèta-cellen. Een belangrijke regulerende factor in de lever is SCD1 (stearoyl-CoA-desaturase 1) (enzym 4), waarvan de expressie wordt geïnduceerd door ChREBP (carbohydrate response element binding protein) en SREBF1 (sterol regulatory element binding transcription factor 1). Andere belangrijke enzymen van de lipogenese zijn acetyl-CoA-carboxylase (1), vetzuursynthase (2) en ELOVL6 (langeketenvetzuurelongase 6) (3).

7.2.6 Reciproke regeling van vetzuursynthese en bèta-oxidatie van

vetzuren

Aangezien vetzuursynthese niet tegelijkertijd mag plaatsvinden met een fase van intensieve vetzuuroxidatie, ontstaat de vraag hoe de controle van de flux door beide metabole wegen reciprook op elkaar kan worden afgestemd. De sleutel voor het antwoord op deze vraag ligt in malonyl-CoA, de geactiveerde bouwsteen voor de vetzuursynthese. In .  figuur  7.3 werd uitgelegd hoe acetyl-CoA-carboxylase, het enzym dat verantwoordelijk is voor de synthese van malonyl-CoA, wordt geregeld door de energy charge van de cel en door hormonale invloeden. In . figuur 4.9 bespraken we hoe de flux van de bèta-oxidatie van vetzuren gecontroleerd wordt door de importsnelheid van vetzuren via het acylcarnitinedragersysteem. Voor de reciproke regeling is het erg belangrijk dat malonyl-CoA de vetzuurimport in de mitochondriale matrix afremt. Is er dus vetzuursynthese aan de gang (intensieve vorming van malonyl-CoA), dan is er niet tegelijkertijd een intensieve bèta-oxidatie van vetzuren. 7.2.7 Van vetzuren naar triglyceriden en terug

In deze laatste paragraaf over vetzuren gaan we in op het aspect strategische reserve. De grootste massa vetzuren wordt uiteindelijk als brandstof tot acetyl-CoA omgezet via de mitochondriale bèta-oxidatie en ofwel direct verder verbrand in de citroenzuurcyclus of indirect via de ketogenese in de lever en verbranding van ketonlichamen in de rest van het lichaam (7 par. 4.4.3). Voor het zover is, worden vetzuren vaak tijdelijk bewaard in een vetdruppel in het cytoplasma; dit in de moleculaire vorm van triglyceriden (de alternatieve en scheikundig meer correcte

7

210

Hoofdstuk 7 • Vetzuur- en cholesterolsynthese

. Tabel 7.1  Brandstofreserve in het lichaam van een man van 70 kg. Weefsel

Beschikbare reserve (megajoules = 1000 kJ) Glucose/glycogeen

Triglyceriden

Eiwitten

extracellulair vocht

0,25

0,19

0,0

lever

1,7

1,9

1,7

hersenen

0,033

0,0

0,0

spier

3,7

1,9

100

vetweefsel

0,33

400

0,17

Het extracellulaire vocht vertegenwoordigt zowel het bloedplasma als het interstitiële vocht. Bron: Cahill, 1976.

7

naam is triacylglycerolen), waarbij drie vetzuren veresterd zijn met de drie alcoholgroepen van glycerol (. figuur 1.12). Veel cellen zijn in staat een kleine hoeveelheid triglyceriden op te slaan als energiereserve. De witte vetcellen zijn specialisten op dit gebied: deze cellen bouwen een voorraad aan triglyceriden op die tot 95% van het celvolume kan innemen. De bedoeling van deze voorraad is het totale lichaam te bedienen van energie (vetzuren) gedurende een periode van vasten. Om een idee te geven van de strategische brandstofvoorraden in het menselijk lichaam is het nuttig om te kijken naar de getallen (uitgedrukt in megajoules nuttige energie) in . Tabel 7.1. Merk op dat het bloed een verwaarloosbaar kleine voorraad brandstof bevat, terwijl de energieverslindende hersenen een nog kleinere voorraad energie hebben opgeslagen. De skeletspieren zijn zeer veelzijdig, want er liggen zowel glycogeen als triacylglycerolen als mobiliseerbare eiwitten opgeslagen, en allemaal met specifieke bedoelingen. De eiwitten, bijvoorbeeld, worden mobiliseerbaar bij langdurig vasten. Ze dragen dan bij tot gluconeogenese (7 par. 6.7) en ketogenese (7 par. 4.4.3) en dit is goed voor ongeveer 100 megajoule of 20% van de totale strategische brandstofvoorraad. De andere 80% van deze brandstofvoorraad van het lichaam wordt ingenomen door de ruim 10 kg triglyceriden in de vetcellen. Deze brandstof zal in de lever omgezet worden tot ketonlichamen (ketogenese, 7  par. 4.4.3), hetgeen gelijktijdig verloopt met de gluconeogenese. Als je beseft dat het lichaam ongeveer 8 megajoules per dag aan brandstof nodig heeft om te overleven (dit is ongeveer 2000 Kcal), dan zie je dat combinatie van de strategische brandstofvoorraad van de mobiliseerbare eiwitten in de skeletspieren en de strategische vetreserve in een goed gevoede volwassene het mogelijk maken om ongeveer twee maanden te overleven zonder voedsel (Cahill, 1976; Cahill, 2006).

Hoe worden er nieuwe triglyceriden in een cel bijgemaakt?

In de laatste tien jaar is gebleken dat hiervoor twee wegen bestaan (Yen et al., 2008): één weg die vertrekt van glycerol-3-fosfaat (G3P-weg) en de MAG-weg die vertrekt van monoacylglycerol (. figuur 7.8). In beide gevallen wordt eerst een beroep gedaan op de vetzuuractivering tot acylCoA-esters, zodat de geactiveerde vetzuren door specifieke transferase-type enzymen kunnen worden overgedragen op de alcoholgroepen van glycerol. De G3P-weg wordt voorbereid met de productie van glycerol-3-fosfaat (zie ook de glycerolfosfaatshuttle, 7  par. 5.10). De eerste stap van de G3P-weg komt neer op de overdracht van

7.2 • Vetzuursynthese

211

. Figuur 7.8  De G3P-weg en MAG-weg voor de aanmaak van nieuwe triglyceriden. De G3P-weg dient daarnaast voor de synthese van membraanglycerolipiden (7 par. 8.1.1). Specifieke acyltransferasen dragen de geactiveerde vetzuren over van CoA naar OH-groepen van glycerol. Merk op dat beide wegen convergeren naar de laatste stap, die wordt gekatalyseerd door diacylglycerol-acyltransferase 1 en 2 (DGAT1 en 2). Andere afkortingen: GPAT = glycerol-3-fosfaat-acyltransferase; AGPAT = acylglycerol-3-fosfaat-acyltransferase; PAP = fosfatidaat-fosfohydrolase; MOGAT = acyl CoA:monoacylglycerol-acyltransferase.

een vetzuurketen van acyl-CoA op glycerol-3-fosfaat met vorming van lysofosfatidaat. Het verantwoordelijke eerste enzym glycerol-3-fosfaat-acyltransferase heeft bij vertebraten vier paralogen (GPAT in . figuur 7.8). Tijdens de tweede stap van de G3P-weg wordt een nieuwe acylgroep van CoA overgedragen op de laatste vrije OH-groep van glycerol, zodat het fosfatidaat ontstaat. Deze transfer wordt gekatalyseerd door het enzym acylglycerol-3-fosfaat-acyltransferase, waarvoor er bij vertebraten twee paralogen bekend zijn (AGPAT in .  figuur 7.8). Het fosfatidaat wordt in de derde stap van de G3P-weg omgezet tot diacylglycerol door het fosfatidaat fosfohydrolase, met drie paralogen (PAP1 tem PAP3 in .  figuur 7.8). De laatste stap van de G3Pweg is tevens de eindstap van de MAG-weg: hierbij wordt door diacylglycerol-acyltransferase (DGAT1 en 2 in .  figuur 7.8) de derde acylgroep vanuit CoA overgedragen op de enige vrije OH-groep van diacylglycerol, waardoor nieuw triglyceride is gevormd. De MAG-weg verschilt aan de beginfase van de G3P-weg door te vertrekken van monoacylglycerolen (monoglyceriden). Het enzym monoacylglycerol-acyltransferase (MOGAT .  figuur 7.8; drie bekende paralogen bij vertebraten) plaatst hierop een tweede vetzuur, waardoor diacylglycerol ontstaat. Het fenomeen van de diverse paralogen bij gewervelde dieren past uiteraard in het fenomeen van gen- en genoomduplicaties (7  par. 1.4.3). Maar het voordeel van deze rijkdom aan enzymen bij de mens en andere dieren is nog grotendeels onbekend. Wat men wel weet, is dat de MAG-weg en de G3P-weg niet in alle weefsels even intens gebeuren, zodat de flux van aanmaak van nieuwe

7

212

7

Hoofdstuk 7 • Vetzuur- en cholesterolsynthese

. Figuur 7.9  Drie verschillende lipasen breken de triglyceridenvoorraad in de witte vetcellen af tot glycerol en vrije vetzuren (VVZ). Links: metabole route met achtereenvolgens de werking van vetceltriglyceridenlipase (ATGL), hormoon-sensitief lipase (HSL) en monoacylglycerollipase (MGL). Rechts: basaal is er geen vertering, want perilipine-1 (PLIN1) inactiveert de regelaar ABHD5 die nodig is voor de activatie van ATGL; bovendien zit HSL op de ‘verkeerde plaats’ en dus zijn ATGL en MSL ‘werkeloos’. Na stimulatie van de vetcel met adrenaline verhuist het gefosforyleerde HSL naar de vetdruppel en laat het gefosforyleerde PLIN1 los van ABHD5. Hierdoor komt de hydrolyse op gang. Wanneer we eten, zal het hormoon insuline de situatie omdraaien en weer naar de basale toestand brengen.

triglyceriden zeer sterk verschilt van weefsel tot weefsel. De grootste activiteit van aanmaak van nieuwe triglyceriden bevindt zich inderdaad op drie strategische plaatsen in het menselijk lichaam. 1. De mucosacellen van de dunne darm.  Het is op deze plaats dat de vetzuren en de monoacylglycerolen die uit de darmholte zijn geabsorbeerd, worden veresterd tot triglyceriden. Deze worden dan verpakt tot chylomicronen. Hiervoor wordt in sterke mate gebruikgemaakt van MOGAT2 en DGAT2. 2. De lever.  In de parenchymcellen worden de novo gesynthetiseerde vetzuren door het com-

plex ingebouwd in VLDL, een lipoproteïne dat na de maaltijd in het bloed verschijnt.

3. De vetcellen.  Deze nemen na een maaltijd grote hoeveelheden monoacylglycerol, vetzuren en glucose op en zullen die substraten verwerken in triglyceriden. Bovendien maken vetcellen met vetzuursynthase zelf vetzuren bij. Ook op deze plaats is DGAT2 belangrijk.

zz Lipasen

We zullen nu even stilstaan bij de enzymatische afbraak van triglyceriden, vooral vanuit het standpunt van het beheer van de strategische brandstofvoorraad in vetcellen. Triacylglycerol wordt overal in het lichaam afgebroken tot een mengsel van monoacylglycerol, vrije vetzuren en glycerol; dit gebeurt door alle of twee van de drie esterbindingen tussen vetzuren en glycerol te hydrolyseren. Deze afbraak wordt gekatalyseerd door een hele serie lipasen die in het menselijk lichaam werkzaam zijn. De sequentiële werking van drie verschillende lipasen die achtereenvolgens optreden in de vetcellen wanneer die hun vetvoorraad afbreken, is getoond in .  figuur 7.9. Deze hydrolyse is van groot belang voor het aanspreken van de strategische brandstofvoorraad wanneer onvoldoende energie uit de voeding gehaald wordt.

7.3 • De novo cholesterolsynthese

213

Voor de eerste stap wordt een beroep gedaan op het vetcel-triglyceridenlipase (ATGL) dat triglyceriden omzet in één vrij vetzuur en diacylglycerol. De tweede stap gebeurt wanneeer hormoon-sensitief lipase (HSL) van diacylglycerol een tweede vrij vetzuur afhaalt, zodat monoacylglycerol ontstaat. Ten slotte hydroliseert monoacylglycerollipase (MGL in . figuur 7.9) het laatste vrije vetzuur en ontstaat glycerol. Het beheer van de belangrijkste energievoorraad wordt zeer sterk geregeld door hormonen (. figuur 7.9 rechts; 7 ook . figuur 12.5). De afbraak gebeurt wanneer voeding onvoldoende energie kan leveren: een stijging van het hormoon adrenaline in het bloed zorgt op dat moment via activatie van bèta-3-adrenerge receptoren op vetcellen tot een stijging van cAMP en een fosforylering van HSL en van perilipine-1 (PLIN1), een vetcel-speficiek en aan de intracellulaire vetdruppel ‘klevend’ eiwit. De fosforylering van PLIN1 en van HSL (. figuur 7.9) maakt dat HSL vanuit het cytoplasma naar de vetdruppel verhuist en interageert met gefosforyleerd PLIN1. Hierdoor komt het regelende eiwit ABHD5 vrij, zodat dit het enzym ATGL kan activeren (.  figuur  7.9). Nu komt de sequentiële hydrolyse van triglyceriden op gang. Wanneer we gaan eten, daalt de adrenalineconcentratie in het bloed en zal een stijging van insuline de vetcel doen stoppen met triglyceridenafbraak; dit omdat de fosforylering van PLIN1 en van HSL ongedaan wordt gemaakt. De positie en activiteit van de belangrijke eiwitten keert dan terug naar de basale toestand. Merk op dat deze regeling van de enzymatische flux neerkomt op een combinatie van eiwitfosforylering/defosforylering en het bewegen van enzymen naar het metabool actieve compartiment (B en C in 7 figuur 2.13). Naast de vetcellipasen (.  figuur 7.9) zijn er andere lipasen op de volgende plaatsen in het menselijk lichaam werkzaam: 55 De dunnedarmholte: daar zal het pancreatisch lipase, een spijsverteringsenzym, de triglyceriden van het voedsel hydrolyseren tot een mengsel van monoacylglycerolen en vrije vetzuren. De werking van dit enzym wordt bijgestaan door een colipase en door galzouten (7 par. 8.5.1). 55 Het luminale oppervlak van de membraan van endotheelcellen in kleine bloedvaten, vooral in die van het vetweefsel. Daar zal het lipoproteïnelipase de triglyceriden van chylomicronen en VLDL hydrolyseren tot een mengsel van monoacylglycerolen, vrije vetzuren en glycerol. De werking van dit lipase is geïllustreerd in . figuur 7.19. 7.3 De novo cholesterolsynthese 7.3.1 Inleiding

We gaan nu over tot het bespreken van de de novo synthese van cholesterol, een relevant medisch en biologisch thema. De structuur van cholesterol is te zien in . figuur 7.10. De met vetzuren veresterde cholesterol komt voor als chemisch interte voorraden die zijn opgeslagen in vetdruppels in een cel of in lipoproteïnen. Daarnaast bestaat de vrije cholesterol (een alcohol), die deel uitmaakt van membranen en kan worden omgezet tot cholesterolafgeleiden, zoals steroïdhormonen, galzouten en vitamine D (we zullen deze afgeleiden bespreken in het volgende hoofdstuk). Cholesterol is inderdaad een belangrijk bestanddeel van lipidenmembranen en vormt daar de zogeheten lipid rafts, die een rol spelen in vele membraanfuncties. Elke cel moet dus kunnen beschikken over voldoende cholesterol en een deel van deze behoefte kan worden ingevuld door de novo synthese, vertrekkend van acetyl-CoA.

7

214

Hoofdstuk 7 • Vetzuur- en cholesterolsynthese

. Figuur 7.10  De structuur van vrije en met vetzuur veresterde cholesterol bevat drie belangrijke elementen: de ringen (A-D) die samen een stijve, platte structuur maken in het vlak van de tekening; één alcoholgroep op de A-ring; drie alifatische CH-groepen die op deze ringen aanhechten. Alle groepen zijn gericht naar de ruimte boven het vlak van de steroïdkern. In totaal bevat cholesterol 27 koolstofatomen. Vrije cholesterol bezit een vrije OH-groep; deze wordt in cholesterolesters covalent gebonden aan een vetzuurstaart.

7 Pioniers Bloch en Lynen Konrad Bloch (1912–2000) was de grondlegger van het idee dat cholesterol de novo kan worden gesynthetiseerd vanuit acetyl-CoA. In 1934 vluchtte Bloch van nazi-Duitsland naar Zwitserland en twee jaar later van daar naar de Verenigde Staten, waar hij de belangrijke in-vivo-‘merkingsexperimenten’ uitvoerde. Hiervoor werden kleine hoeveelheden met koolstof-14 gemerkt acetaat aan proefdieren gegeven. Vervolgens werd een chemische analyse uitgevoerd van de in het lichaam aantoonbare en koolstof-14 gemerkte cholesterol. Het resultaat is samengevat in de figuur hier beneden: alle 27 C-atomen van cholesterol bleken afgeleid te zijn van acetaat. Radioactief gemerkte cholesterol vanuit de met C14-gemerkte methylgroep (blauw) of carboxylgroep (rood) van aan proefdieren toegediend azijnzuur. Dit experimentele gegeven was de basis voor de ontrafeling van de de novo-synthese van cholesterol (Konrad Bloch en Feodor Lynen). Maak voor het begrijpen van dit resultaat de verbinding met . figuur 7.11.

Bloch werkte vervolgens samen met Feodor Lynen systematisch de synthetische weg uit en beide onderzoekers kregen voor dit werk in 1964 de Nobelprijs voor Geneeskunde/Fysiologie. Wanneer we kijken naar de structuur van cholesterol (. figuur 7.10), dan is hun conclusie opmerkelijk en op het eerste gezicht veel minder evident dan voor vetzuren. Theoretisch zijn er minimaal 14 acetyleenheden nodig om het C27-koolstofskelet van cholesterol te produceren. We kunnen na analyse (7 par. 7.3.2) vaststellen dat er 18 moleculen acetyl-CoA worden verbruikt voor de opbouw van cholesterol.

7.3 • De novo cholesterolsynthese

215

. Figuur 7.11  De drie fasen in de cholesterolsynthese omvatten (1) de synthese van IPPP, de geactiveerde bouwsteen, uit drie moleculen acetyl-CoA; (2) de polymerisatie van zes moleculen IPPP tot squaleen; (3) de ringsluiting van squaleen en een aantal zijketenmodificaties leiden tot cholesterol. Alleen het koolstofskelet is getoond. De kleurcode van de merking van de koolstofatomen van acetaat (. figuur 7.10) werd aangehouden.

7.3.2 Drie fasen in de de novo synthese van cholesterol

De de novo synthese van cholesterol vanuit acetyl Coa, de zogeheten mevalonaatweg, is een conceptueel rijk thema. Er zijn medische toepassingen zoals de farmacologische inhibitie met statinen. De weg heeft een groot aantal vertakkingen die leiden naar de grote chemische familie van de isopreenafgeleiden, de isoprenoïden of terpenen. Schematisch wordt de synthese van cholesterol in drie fasen onderverdeeld (. figuur 7.11): 1. De synthese van de geactiveerde bouwsteen, het isopentenylpyrofosfaat (IPPP), een C5bouwsteen die een isopreen eenheid bevat. Hiervoor zijn drie moleculen acetyl-CoA nodig, samen met NADPH en ATP; de directe voorloper van IPPP is mevalonaat, vandaar de naam van de weg. 2. De polymerisatie van deze geactiveerde bouwsteen tot squaleen. Drie IPPP-moleculen polymeriseren ‘kop-aan-staart’ tot een C15-bouwsteen; twee van deze C15-bouwstenen polymeriseren dan ‘kop-aan-kop’ tot de C30-structuur van squaleen die symmetrisch is (. figuur 7.11). 3. De ringvorming van squaleen en modificatie van de zijketens. Dit is de langste fase (het ringsluitende enzym en een tiental modificerende enzymen) en leidt tot cholesterol. 7.3.3 Synthese van IPPP, de geactiveerde bouwsteen

De synthese van cholesterol begint met de condensatie van drie moleculen acetyl-CoA tot 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA, dat we vanaf nu afkorten met HMG-CoA (. figuur 7.12). We bespraken deze synthese al voor de productie van ketonlichamen (7 par. 4.4.3). Er is echter een fundamenteel verschil. De HMG-CoA-synthese voor de de novo productie van cholesterol ge-

7

216

Hoofdstuk 7 • Vetzuur- en cholesterolsynthese

. Figuur 7.12  Synthese van HMG-CoA gebeurt in het cytoplasma door HMG-CoA-synthase 1 (HMGCS1), dat in alle weefsels aanwezig is voor de de novo cholesterolsynthese (lipid rafts voor de eigen membranen). Dit in tegenstelling tot het in de mitochondriale matrix gelegen HMG-CoA-synthase 2 (HMGCS2), dat in de lever dient voor de ketogenese.

7

. Figuur 7.13  Synthese van mevalonaat door het medisch belangrijke enzym HMG-CoA-reductase (HMGCR) vereist HMG-CoA en het reducerend vermogen van twee moleculen NADPH. Deze stap is fluxbepalend voor de de novo cholesterolsynthese.

beurt in het cytoplasma van de meeste cellen door HMG-CoA-synthase 1 (HMGCS1). In tegenstelling hiermee is de HMG-CoA-synthese voor de ketogenese het werk van het in de mitochondriale matrix gelegen HMG-CoA-synthase 2 (HMGCS2), dat specifiek voorkomt in de lever. Er is ook een verschil in de hierna volgende stap. Voor de productie van ketonlichamen (ketogenese) splitst mitochondriaal HMG-CoA lyase (HMGCL) acetoacetaat af (. figuur 7.12). Voor de productie van cholesterol vindt een reductie plaats van HMG-CoA tot mevalonaat (. figuur 7.13); deze reactie wordt gekatalyseerd door het cytoplasmatische enzym HMG-CoAreductase (HMGCR). Dit enzym wordt sterk beïnvloed door de cholesterolconcentratie in de membraan van het endoplasmatisch reticulum en is daarmee de plaats bij uitstek voor de regeling van de de novo synthese. Bovendien is deze fluxgenererende stap het doelwit van zeer frequent voorgeschreven geneesmiddelen: de statinen. Beide onderwerpen worden verderop in dit hoofdstuk besproken. Het mevalonaat wordt tweemaal gefosforyleerd met verbruik van ATP en gedecarboxyleerd tot een geactiveerde C5-eenheid, het isopentenylpyrofosfaat (IPPP). Een derde ATP is nodig voor de decarboxylering met dehydratatie (. figuur 7.14). 7.3.4 Polymerisatie van IPPP tot squaleen (C30)

Zes IPPP’s polymeriseren vervolgens tot een isopreenpolymeer, het squaleen. De structuur van IPPP laat een modulaire opbouw toe, een beetje zoals legostenen kunnen worden gekoppeld tot een lange toren (. figuur 7.15). Eerst moet een molecuul IPPP isomeriseren tot dimethylal-

7.3 • De novo cholesterolsynthese

217

. Figuur 7.14  Vorming van IPPP (isopentenylpyrofosfaat), de geactiveerde C5-bouwsteen, uit mevalonaat kost drie ATP moleculen. De drie verantwoordelijke enzymen zijn mevalonaatkinase (MVK), fosfomevalonaatkinase (PMVK) dat twee opeenvolgende stappen katalyseert, en difosfomevalonaatdecarboxylase (MVD).

. Figuur 7.15  Synthese van het C15-molecuul farnesyldifosfaat uit drie IPPP-bouwstenen (C5-bouwstenen) door het enzym farnesyldifosfaatsynthase 1 (FDPS). Eerst isomeriseert een IPPP tot dimethylallylpyrofosfaat, dat wordt omgezet tot een reactief allyl-carbocation, dat reageert met IPPP. Hierdoor ontstaat het C10-molecuul geranylpyrofosfaat. De reactie herhaalt zich met een nieuwe IPPP en hierdoor ontstaat farnesyldifosfaat.

lylpyrofosfaat (verantwoordelijk enzym: IPP-isomerase, met als paraloge genen IDI1 en IDI2). De afsplitsing van de pyrofosfaatgroep van één IPPP leidt tot een elektrofiele carbocationgroep; deze interageert met de nucleofiele dubbele binding van een tweede IPPP. De eerste reactie levert geranyldifosfaat op; deze structuur kan opnieuw een allyl-carbocation vormen en reageren met IPPP, zodat C15-structuur farnesyldifosfaat ontstaat. Beide reacties worden gekatalyseerd door het enzym farnesyldifosfaatsynthase 1 (FDPS). In de volgende reactie die gekatalyseerd wordt door farnesyldifosfaat farnesyltransferase 1 (FDFT1 = squaleensynthase), zullen twee moleculen farnesylpyrofosfaat via een ‘kop-kop’condensatie verbinden tot squaleen, een C30-structuur die dus werd opgebouwd uit zes isopreenmodules (.  figuur 7.16). Voor de geneeskunde kan vermeld worden dat squaleen niet alleen een metaboliet is in de mevalonaatweg, maar ook als zogeheten adjuvans wordt gebruikt in bepaalde vaccins. 7.3.5 Ringvorming en zijketenmodificaties

De karakteristieke cholesterolkern ontstaat uit het lineaire squaleen. Op het eerste gezicht lijkt dit weinig voor de hand te liggen (.  figuur 7.16), maar als we het koolstofskelet van squaleen wat ‘plooien’, wordt de metabole verwantschap een stuk aannemelijker. De sluiting van de vier

7

218

Hoofdstuk 7 • Vetzuur- en cholesterolsynthese

. Figuur 7.16  Squaleen ontstaat dankzij het enzym farnesyldifosfaat farnesyltransferase 1 (FDFT1), dat twee moleculen farnesyldifosfaat aan elkaar verbindt, waarbij de vier energierijke fosfaatgroepen worden afgesplitst. In de onderste figuur is het koolstofskelet zo ‘geplooid’ dat een metabole relatie met de sterolkern duidelijk wordt.

7

ringen komt tot stand door een bijzondere cyclisatiereactie die gekatalyseerd wordt door de enzymen squaleenepoxidase (QQLE) en lanosterolsynthase (LSS). In de eerste stap wordt moleculaire zuurstof verbruikt en een NADPH geoxideerd tot NADP+. Opvallend in deze reactie is de vorming van een reactieve epoxide in de toekomstige A-ring (. figuur 7.17). Deze groep zuigt aan de naburige pi-elektronen van een dubbele binding, wat een dominoreactie opwekt zodat A-, B- C- en D-ringen ontstaan. Een tweede dominoeffect begint met een carbocation dat ontstaat in de D-ring en wat tot gevolg heeft dat een methylgroep van plaats verwisselt. Hierdoor ontstaat het eerste sterol (lanosterol; C30) dat via een tiental bijkomende enzymatische stappen in cholesterol wordt omgezet door de oxidatieve verwijdering van drie methylgroepen, een reductie van de alifatisch vertakte keten en een verplaatsing van de enige overblijvende dubbele binding. We zullen niet nader op deze reacties ingaan die geen directe associatie vertonen met frequente menselijke pathologie. 7.3.6 Synthese van andere isoprenoïden

De opbouw van cholesterol uit isopreenmodulen die polymeriseren en dan cycliseren, is een voorbeeld uit een grote reeks biosynthetische reacties in de natuur die dezelfde strategie volgen. Er zijn inderdaad op dit moment meer dan 20.000 verschillende isoprenoïden bekend in de natuur en dit biedt brede perspectieven voor de biotechnologie en de geneeskunde (Staniek et al., 2013; Li & Pfeiffer, 2014). Opmerkelijk is dat de synthese van al deze stoffen steeds vertrekt van isopentenylpyrofosfaat en zijn isomeer dimethylallylpyrofosfaat (. figuur 7.15). Deze geactiveerde C5-unit wordt dan gepolymeriseerd tot een geranyl- (C10), farnesyl- (C15), geranylgeranyl- (C20), of zelfs nog langere arm. Een substraatspecifiek cyclase kan dan eventueel ringen in de poly-onverzadigde isopreenarm aanbrengen. Deze stoffen spelen een zeer diverse rol als structuurelementen (rubber om een wond van de rubberboom af te dekken), ankerelementen (farnesylarm van eiwitten zoals RAS; dolicholfosfaat voor tijdelijke verankering van oligosachariden), oxidoreductans (co-enzym Q, vitamine E) en signaaltransductie (steroïdhormonen, carotenoïden, zoals retinal, feromonen). Maar terpenen zijn ook interessant wegens de geurende, lekker smakende en mooi gekleurde stoffen (talrijke voorbeelden in de plantenwereld om bestuivers of verspreiders van zaden te

7.4 • Afstemming van de flux van de novo cholesterolsynthese op opnamemogelijk …

219

. Figuur 7.17  Vorming van lanosterol uit squaleen. Linksboven: als squaleen een beetje wordt geplooid, zien we de toekomstige cholesterolstructuur al klaarliggen. De essentiële stap voor de ringvorming is het aanbrengen van een bijzondere oxidatie: het labiele epoxide, dat bijzonder elektronegatief is. De pi-elektronenwolk van de meest naburige C=C-binding wordt aangetrokken en sluit de A-ring; dit heeft een domino-effect op de C=C-bindingen verderop, zodat ook de B, C en D-ringen vormen. Rechtsonder: een tweede domino-effect wordt veroorzaakt door het carbocation aan de basis van de vertakte zijketen; deze ‘sleept’ H-atomen (niet getoond) en twee methylgroepen naar andere plaatsen in het molecuul. Zo ontstaat lanosterol.

‘verleiden’). Opmerkelijk zijn sterk geurende terpenen zoals limoneen (limoenen), zingibereen (gember) en het terpeen alcohol menthol. Omdat we fotonen detecteren met retinal, een afgeleide van het terpeen alcoholretinol, kunnen we deze paragraaf besluiten met de bedenking dat kleur, geur en smaak in ons bestaan door de talrijke terpeenverbindingen in de natuur een palet van receptoren kunnen prikkelen en in onze hersenen een breed spectrum van gewaarwordingen kunnen opwekken. Zonder dit zintuigelijk terpenengenot zou het leven wellicht heel wat saaier zijn. 7.4 Afstemming van de flux van de novo cholesterolsynthese op

opnamemogelijkheid van exogeen cholesterol

7.4.1 Verdeling van voedings- en de novo cholesterol over het lichaam

door lipoproteïnen

Cholesterol is een zeer slecht wateroplosbaar molecuul (grens ≤ 2 milligram per liter) en toch is de cholesterolconcentratie in het circulerende bloed in de orde van grootte van 2 gram per liter, dus 1000 maal hoger. Deze schijnbare paradox wordt verklaard door het bestaan van lipoproteïnen, die door hun fysicochemische samenstelling zorgen voor het ‘oplossen’ (in feite het emulgeren) van triglyceriden en cholesterol in de waterfase van het bloed. Een schema van de structuur van low density lipoprotein (LDL, een van de meest cholesterolrijke lipoproteïnen) is getoond in . figuur 7.18.

7

220

Hoofdstuk 7 • Vetzuur- en cholesterolsynthese

7

. Figuur 7.18  HDL en LDL zijn de belangrijkste circulerende vormen van cholesterol in het bloed. In beide zogeheten lipoproteïnen wordt een kern van apolaire cholesterolesters ‘verpakt’ in een polaire mantel van een halve lipidenmembraan (één halflaag) waarin apoproteïnen zitten (blauw) en een beetje niet veresterd cholesterol (rood). Linksboven: cholesterol wordt door HDL uit perifere cellen opgehaald via diffusie door de ABCA1transporter en esterificatie met behulp van lecithinecholesterolacyltransferase (LCAT). In de lever gebeurt het omgekeerde en wordt cholesterol afgegeven. Rechtsboven: dankzij apoproteïne B-100 wordt LDL geadresseerd naar de LDL-receptor. Binding van LDL aan de LDL-receptor leidt tot receptorgemedieerde endocytose van LDL. Hierdoor wordt cholesterol in cellen opgenomen. Onderaan: kortsluiting tussen deze twee lipoproteïnen ontstaat door tussenkomst van cholesterol ester transfer protein (CETP), dat cholesterolesters overdraagt van HDL naar VLDL of LDL.

De kern van deze microscopisch kleine partikels is opgevuld met cholesterolacylesters. Deze hydrofobe kern staat in contact met de apolaire vetzuurstaarten die deel uitmaken van een halve lipidenmembraan (één laag lipiden in plaats van een dubbellaag). Aan de o ­ ppervlakte van LDL liggen de polaire ‘koppen’ van membraanlipiden, de vrije OH-groepen van membraancholesterol en de polaire aminozuurresiduen van een groot eiwit dat deel uitmaakt van LDL, het apoproteïne B-100; samen maken deze groepen contact met water in het bloedplasma. Dit apoproteïne zorgt niet alleen voor de ‘verpakking’ van cholesterolesters tot in water emulgeerbare deeltjes, maar adresseert LDL ook naar die cellen die het willen opnemen via receptorgemedieerde endocytose (. figuur 7.18 en  7.21). LDL is niet het enige cholesterolbevattende lipoproteïne (. Tabel 7.2. en . figuur 7.20). De weg die voedingscholesterol aflegt, begint met chylomicronen. Dit zijn de grootste lipoproteïnen die tijdens een vetbevattende maaltijd aangemaakt worden door de mucosacellen van de dunne darm en waarin zowel de voedingstriglyceriden als het voedingscholesterol wordt verpakt. De chylomicronen worden dan in de circulatie door het lipoproteïnelipase (LPL)verteerd, waarbij de triglyceriden in het centrum van deze chylomironen worden gehydrolyseerd tot monoacylglycerol, vrije vetzuren en glycerol (. figuur 7.19).

221

7.4 • Afstemming van de flux van de novo cholesterolsynthese op opnamemogelijk …

. Tabel 7.2  Overzicht van de belangrijkste lipoproteïnen. Type

Lipideninhoud

Oorsprong en doel

Klaring

Apoproteïnen

chylomicronen

voedingstriglyceriden en voedingscholesterol

darm naar vetcellen

lipoproteïnelipase

B-48, C, E

‘remnants’

voedingscholesterol

periferie naar lever

RME

B-48, E

VLDL

levertriglyceriden & levercholesterol*

lever naar vetcellen

lipoproteïnelipase

B-100, C, E

LDL

cholesterol

lever naar periferie

RME

B-100

HDL

cholesterol

periferie naar lever

ABC-transporters

A1

RME = receptorgemedieerde endocytose * levercholesterol die in VLDL terechtkomt is een resultante van de voedingscholesterol die opgenomen werd uit de remnants en de de novo synthese. Een overzicht van de organen en weefsels die betrokken zijn bij het metabolisme van deze lipoproteïnen is te zien in . figuur 7.20.

. Figuur 7.19  LPL hydrolyseert de triglyceridenkern van zowel de chylomicronen als van VLDL ter hoogte van de endotheelcellen in de bloedvaatjes van het vetweefsel. De hierdoor vrijkomende vetzuren worden opgenomen door de vetcellen en in deze cellen veresterd tot triglyceriden.

De hieruit voortkomende overblijfselen zijn de zogeheten chylomicrone remnants, die nog altijd het voedingscholesterol bevatten. Deze remnants worden dan door receptorgemedieerde endocytose opgenomen in de lever. De parenchymcellen van de lever meten deze opgenomen cholesterol en bepalen dan of er extra cholesterol moet worden bijgemaakt (7 par. 7.4.2). Samen met door de lever aangemaakte triglyceriden wordt de levercholesterol (uit de remnants afkomstig of zelf aangemaakt) vervolgens verpakt in very low density lipoprotein (VLDL). Deze circuleren weer in de bloedbaan, waar onder invloed van lipoproteïnelipase de triglyceriden selectief worden verwijderd (. figuur 7.19). Zo ontstaat via een tussenstap (het IDL of intermediate density lipoprotein) het cholesterolrijke low density lipoprotein (LDL), dat cholesterol naar alle lichaamscellen kan brengen. De opname van LDL gebeurt via receptorgemedieerde endocytose. Ten slotte maakt de lever ook high density lipoprotein (HDL). Dit is een cholesterolrijk lipoproteïne dat als een ‘stofzuiger’ cholesterol verzamelt in de periferie (. figuur 7.18), via efflux door

7

222

Hoofdstuk 7 • Vetzuur- en cholesterolsynthese

7

. Figuur 7.20  Organen/weefsels die betrokken zijn bij het metabolisme van lipoproteïnen. Voedingscholesterol wordt door de dunne darm opgenomen en ‘verpakt’ in chylomicronen (1) die via de lymfebaan in het bloed komen. In het vetweefsel worden triglyceriden verteerd door lipoproteïnelipase (2), zodat cholesterolrijke remnants ontstaan die opgenomen worden door de lever (3). Samen met opgenomen voedingscholesterol ‘verpakt’ de lever ook de novo aangemaakt cholesterol en triglyceriden in VLDL (4). Het vetweefsel haalt hier triglyceriden uit (2), zodat (via IDL – niet getekend) LDL ontstaat. LDL gaat cholesterol afstaan aan alle lichaamscellen die cholesterol nodig hebben (5). De lever maakt ook HDL (6), dat cholesterol uit de weefsels ophaalt (7), een deel daarvan in de circulatie weer overdraagt op LDL (8) en een ander deel naar de lever terugbrengt (9). De lever maakt van deze cholesterol galzouten die worden geëlimineerd (10).

ABCA1-membraantransporters en esterificatie via LCAT (lecithine-cholesterolacyltransferase), en ook uit met cholesterol ‘volgepropte’ macrofagen van de vaatwanden (schuimcellen). De opgeladen HDL-partikels reizen dan naar de lever, waar het omgekeerde gebeurt: de-esterificatie en diffusie van HDL naar de levercellen, die deze overtollige cholesterol afbreken tot galzouten. Dit is het zogeheten retrograde cholesteroltransport, dat gunstig is om te voorkomen dat cholesterol zich in het lichaam opstapelt. Een aspect van het retrograde cholesteroltransport is dat het ‘kortgesloten’ wordt door het zogeheten cholesterol ester transfer protein (CETP), dat cholesterolesters overdraagt van HDL naar VLDL of LDL (.  figuur 7.18). Omdat deze proteïne het HDL-cholesterol verlaagt en het LDL-cholesterol verhoogt, zijn onderzoekers geïnteresseerd in de ontwikkeling van farmacologische remmers van het transferproces (Chapman et al., 2009). Tijdens deze ‘kortsluiting’ tussen HDL-VLDL of HDL-chylomicronen worden er ook apoproteïnen uitgewisseld. Zie . figuur 7.20 voor een overzicht.

7.4 • Afstemming van de flux van de novo cholesterolsynthese op opnamemogelijk …

223

. Figuur 7.21  LDL-receptoren veroorzaken receptorgemedieerde endocytose van LDL. Dit gebeurt via het verzamelen van LDL in coated pits, genoemd naar de cytoplasmatisch gelegen clathrine-jas (blauw). Na endocytose scheiden zich de wegen van de LDL-receptor (recycleren naar de membraan) en LDL (transport naar de lysosomen). In de lysosomen vindt hydrolyse plaats van de cholesterolesters; de vrije cholesterol herverdeelt zich in de membranen van de cel. Dit leidt tot minder cholesterolopname en -synthese. Links: Brown en Goldstein, die voor hun onderzoek aan de LDL-receptoren de Nobelprijs voor Geneeskunde/Fysiologie kregen. Bron: Corbis-groep.

Pioniers Goldstein en Brown De klassering van de verschillende lipoproteïnen naar dichtheid (Frederickson) is een gevolg van de ultracentrifugatie als scheidingstechniek voor biomoleculen. De ontdekking van de receptorgemedieerde endocytose van LDL (7 ook . figuur 7.21) is een gevolg van de ontwikkeling van de zogeheten immuno-gouddetectie (immunokleuring op EM-niveau), een techniek die werd ontwikkeld door de Nederlanders Geuze en Slot. Hiervoor werd een specifiek tegen het LDL gericht immunoglobuline gekoppeld aan slechts nanometers grote goudbolletjes. Incubatie van cellen met LDL, gevolgd door immunodetectie, leidde tot beelden waarop de LDL-partikels verzameld lagen in kleine putjes in de celmembraan, de coated pits. In een tijdsbestek van minuten veranderden deze putjes in geïnternaliseerde blaasjes, de coated vesicles, wat een vorm van endocytose bleek te zijn. De moleculaire jas van deze blaasjes bestaat uit clathrine, dat een ruimtelijke, bolvormige structuur oplegt aan de coated vesicle. De volgende stap is het versmelten van de uncoated vesicle met het CURL-systeem (compartment of uncoupling between ligand & receptor). Aanzuring in het lumen van dit compartiment leidt tot dissociatie van de LDL en de LDL-receptor; de eerste gaat verder naar het lysosoom, waar LDL wordt ‘verteerd’ en cholesterol ter beschikking komt van de cel. De receptoren kunnen worden gerecycleerd en teruggebracht naar het celoppervlak. Het bestaan van de LDL-receptor werd ontdekt door Joseph Goldstein en Michael Brown (. figuur 7.21) tijdens de studie van patiënten met de zogeheten familiaire hypercholesterolemie. Een aantal van deze patiënten vertoont mutaties in de LDL-receptor, waardoor LDL niet kan worden opgeruimd en de perifere cellen door een gebrek aan opname in een hoog

7

224

Hoofdstuk 7 • Vetzuur- en cholesterolsynthese

tempo cholesterol aanmaken. Deze patiënten ontwikkelen op jonge leeftijd ernstige vormen van atherosclerose. Het baanbrekende onderzoek van Goldstein en Brown in verband met de biologie en pathologie van de LDL-receptor werd in 1985 bekroond met de Nobelprijs voor Fysiologie/ Geneeskunde.

7.4.2 Relatie tussen de novo synthese en aanvoer van

voedingscholesterol

7

Per dag heeft het lichaam van een volwasssene iets minder dat één gram cholesterol nodig, zowel voor het maken van ‘lipid rafts’ voor nieuwe membranen als voor specifieke afgeleiden, zoals steroïdhormonen. We besperaken eerder dat het lichaam (vooral de lever) in staat is zelf de nodige cholesterol te maken vanuit acetyl-CoA (7  par. 7.3). Of dit daadwerkelijk gebeurt, hangt echter af van de voeding, in die zin dat het opnemen van cholesterol uit dierlijk voedsel gepaard gaat met het afremmen van de de novo synthese van cholesterol. Dit gebeurt als volgt: als het voedsel cholesterol bevat, dan zal dit door de darm worden opgenomen en via chylomicronen terechtkomen in chylomicronenremnants. De remnants worden dan door receptorgemedieerde endocytose opgenomen in de lever. De parenchymcellen van de lever meten deze opgenomen cholesterol en bepalen dan of er extra cholesterol moet worden bijgemaakt. Ook perifere cellen houden rekening met de cholesterolopname vanuit de intercellulaire ruimte. Hier is de receptorgemedieerde opname van LDL van toepassing, waardoor cholesterolmoleculen in het lysosoom vrijkomen. Deze passeren via het Niemann-Pick-eiwit (NPC1, een lid van de ABC-transporterfamilie; . Tabel 7.3.) naar andere compartimenten van de cel. De mechanismen die instaan voor de metabole fluxcontrole van de novo synthese van cholesterol concentreren zich rond de werking van HMG-CoA-reductase, de snelheidscontrolerende stap in de anabole weg (.  figuur  7.22). De laatste jaren zijn deze mechanismen tot op moleculair niveau ontrafeld, opnieuw grotendeels door Joseph Goldstein en Michael Brown. HMG-CoA-reductase is een van de meest gecontroleerde enzymen van het menselijk metabolisme en men onderscheidt verschillende mechanismen van regeling: een eerste mechanisme regelt de activiteit van bestaande HMG-CoA-reductase-enzymen via fosforylering/ defosforylering, dus gelijkend op eerder in dit boek beproken voorbeelden, zoals de enzymen die glycogeen maken/afbreken (7 par. 6.5). Een nog belangrijker tweede mechanisme draait rond de snelheid van transcriptie van het HMG-CoA-reductase-gen: deze snelheid wordt sterk verhoogd door het helix-loop-helixdomein (HLH-domein) van de sterol regulatory element binding transcription factor 2 (SREBF2). Het vrijkomen van het HLH-gedeelte van SREBF2 in het cytoplasma en de daaruit volgende diffusie naar de celkern wordt geregeld door de chaperone SCAP (SREBF cleavage activating protein), die een complex vormt met SREBF2. Zolang het complex tussen de chaperone SCAP en SREBF2 in het ER blijft, kan het HLH-domein niet worden vrijgemaakt. Pas wanneer het SCAP-SREBF2-complex naar de membranen van het Golgi-apparaat verhuist, kan deze activering plaatsvinden en komt de transcriptie van het HMG-CoA-reductase-gen op gang. Het mooie van de regulatie is dat SCAP zelf de cholesterolconcentratie in de membraan meet. Wanneer de cholesterolconcentratie hoog genoeg is (> 5% van de membraanlipiden (Radhakrishnan et al., 2008)), dient cholesterol als een soort ‘lijm’ die SCAP aan het INSIG (twee paralogen: insulin induced gene 1 en 2) verankert. Deze verankering houdt het SREB-SCAP-complex goed vast in het ER (Sun et al., 2005). Wanneer de membraancholesterolconcentratie daalt tot

7.4 • Afstemming van de flux van de novo cholesterolsynthese op opnamemogelijk …

225

. Tabel 7.3  Cholesteroltransporterende ABC-eiwitten. Type

Lokalisatie

Functie

Ziekte

ABCA1

perifere cellen

cholesteroltransport van cellen naar HDL

ziekte van Tangier

NPC1

perifere cellen

cholesteroldistributie binnen de cel

ziekte van Niemann-Pick

NPC1L1

darmepitheel

cholesterolopname vanuit darmholte

ABCG5//ABCG8

darmepitheel (microvilli)

efflux van fytosterolen en cholesterol van mucosacellen naar darmholte

sitosterolemie

Voor het transport van cholesterol vanuit de lysosomen (endocytose van LDL) naar de rest van de cel zou de ABCA1-transporter een rol kunnen spelen; echter er is ook een specifieke rol voor Niemann-Pick-type C-eiwit. Patiënten met de ziekte van Niemann-Pick type C stapelen cholesterol in de lysosomen van cellen in de darm en hersenen op.

. Figuur 7.22  HMG-CoA-reductase en SCAP zijn membraancholesterolsensoren. Links: bij > 5% cholesterol in de lipidenfractie van de ER-celmembraan is er een fysische interactie tussen SCAP en INSIG, wat SCAP, alsmede SREBF2 in het ER houdt (retentiemechanisme). Tegelijkertijd wordt HMG-CoA-reductase aan INSIG gebonden, wat leidt tot ubiquitinilering en degradatie van bestaande HMG-CoA-reductase-enzymmoleculen door het proteasoom. Rechts: als de cholesterol daalt tot < 5% van de lipidenfractie (Radhakrishnan et al., 2008), laat SCAP los van INSIG en wordt het SCAP-SREBF-complex naar het Golgi-apparaat gebracht. Daar zitten de intramembraanproteasen S1P en S2P die het membraangedeelte van SREBF scheiden van het helix-loophelixdomein. Het laatste translokeert naar de nucleus, waar het werkt als een transcriptiefactor voor genen van de de novo cholesterolsynthese.

onder de drempel van 5%, laat het SCAP-SREBF2-complex los van INSIG en volgt de translocatie naar het Golgi-apparaat, waar twee proteasen het HLH-domein losknippen. De cruciale aspartaatzijketen van de INSIG-sequentie werd voor deze functie geïdentificeerd (Gong et al., 2006a). Het losgekomen INSIG wordt door het proteasoom vernietigd (Gong et al., 2006b). Bij een voldoende hoge cholesterolconcentratie in de membraan van het endoplasmatisch reticulum wordt het HMG-CoA-reductase zelf ook door cholesterol-‘lijm’ aan INSIG verankerd op een wijze die lijkt op het mechanisme van SCAP. Dit contact tussen

7

226

Hoofdstuk 7 • Vetzuur- en cholesterolsynthese

HMG-CoA-reductase en INSIG leidt tot een derde mechanisme van regeling: lanosterol-afhankelijke ubiquitinilering (Song et al., 2005) van eiwit-HMG-CoA-reductase en vernietiging door het proteasoom; dit om cholesterolopstapeling te voorkomen (. figuur 7.22 links). Het belangrijke van bovenstaande twee punten is dat cellen in het endoplasmatisch reticulum meten hoe groot de voorraad cholesterol in de cel is en op basis van deze informatie het aantal werkende HMG-CoA-reductasemoleculen per cel aanpassen. Een vierde mechanisme berust op de translatie van bestaand HMG-CoA-reductase-mRNA die wordt onderdrukt wanneer veel voedingscholesterol aanwezig is (Chambers & Ness, 1997).

ABC-transporters

7

Naast receptorgemedieerde endocytose zijn specifieke familieleden van de ATP-bindende cassette van membraantransporters (ABC-transporters) belangrijk voor het transport van cholesterol van en naar cellen en tussen celcompartimenten binnen een cel. De belangrijkste nu bekende ABC-transporters voor cholesteroltransport staan op een rijtje in .  Tabel  7.3. Een eerste voorbeeld is de ABCA1-transporter die instaat voor het ‘reverse’ transport van cholesterol van perifere cellen naar HDL. Defecten in het gen voor deze transporter veroorzaken de ziekte van Tangier (Brunham et al., 2006), waardoor cholesterol in de perifere cellen opstapelt en het HDL-cholesterol daalt. Toepassing Fytosterolen remmen de cholesterolopname Een tweede belangrijke ABC-transporter is het Niemann-Pick C1-like-1-proteïne (NPC1L1), dat verantwoordelijk is voor de opname van voedingscholesterol door de darmmucosacellen. Deze transporter is farmacologisch doelwit voor ezetimib, waardoor hypercholesterolemie op een andere wijze bestreden kan worden dan door remming van HMG-CoA-reductase (Wang, 2007). Een derde en zeer interessant geval is het duo ABCG5 en ABCG8. Deze beide ABCtransporters werden ontdekt dankzij Mendeliaans overerfbare ‘loss of function’-mutaties in de coderende genen. Dergelijke mutaties veroorzaken de zogeheten sitosterolemie, de opstapeling van plantaardige sterolen (fytosterolen) in het bloed. Fytosterolen nemen niet deel aan het cholesterolmetabolisme en worden in zeer beperkte mate geresorbeerd door de darmmucosa (Ostlund jr., 2002). De kleine hoeveelheden die toch in de mucosacellen worden opgenomen, worden door ABCG5 en ABCG8 aan de apicale pool van de cellen (microvilli) weer in het lumen van de darm gepompt. Kleine hoeveelheden fytosterol (enkele honderden milligrammen) in dagelijks ingenomen plantaardig voedsel (bijvoorbeeld olijven of olijfolie) verminderen de cholesterolopname vanuit de darm in het bloed (Lammert & Wang, 2005; Ostlund jr., 2002). Dit gegeven heeft de belangstelling van de voedingsindustrie gewekt (‘nutrigenomics’), zodat sommige fytosterolen kunstmatig aan voedingsstoffen worden toegevoegd om de bloedcholesterol te verlagen (Ostlund Jr., 2002; Sanclemente et al., 2009). De bekendste zijn de stanolen die geen dubbele binding bezitten ter hoogte van de A-ring. Een dagelijkse inname van 2 gram fytosterol verlaagt de LDL-cholesterolwaarde met 10-15% en werkt preventief tegen atherosclerose (Plat & Mensink, 2005). Moleculair wordt de werking van fytosterolen verklaard door een combinatie van effecten op de darmmucosacellen: 1. een verlaging van expressie van de NPC1L1-transporter (minder cholesterolopname); 2. vermindering van expressie van ACAT2 (acyl-CoA-cholesterolacyltransferase) waardoor minder ‘verpakking’ van cholesterolesters in chylomicronen; en 3. verhoging van de expressie van de ABCG5- en ABCG8-transporters (verhoogd retrotransport van cholesterol naar het lumen van de darm).

7.4 • Afstemming van de flux van de novo cholesterolsynthese op opnamemogelijk …

227

7.4.3 Cholesterolopstapeling in de vaatwand veroorzaakt

atherosclerose

Atherosclerose, de degeneratie van de vaatwanden van de grote arteriën door een proces dat gepaard gaat met cholesterolopstapeling, inflammatie en proliferatie van gladde spiercellen, is een van de meest voorkomende pathologische processen in onze welvaartsbeschaving en een zeer belangrijke doodsoorzaak tegen de demografische achtergrond van de vergrijzing van onze bevolking. Gevolgen van atherosclerose die zorgen voor deze mortaliteit lopen uiteen van hartinfarct, longembolie, beroerte, aneurysma tot gangreen. Moleculair begint atherosclerose met de opstapeling van cholesterolesters in de intima van de vaatwand. Hierdoor worden macrofagen en monocyten aangetrokken die de cholesterolafzetting proberen op te ruimen; zo ontstaan de ‘schuimcellen’ die pro-inflammatoire mediatoren produceren. De ontsteking draagt bij tot de cholesterolafzetting (Hansson et al., 2006). Zo ontstaat eerst een fatty streak die groeit tot een atheromateuze plaque. Dit proces begint al bij zeer jonge volwassenen, wat voor het eerst werd opgemerkt tijdens de Vietnamoorlog bij autopsie van zeer jonge gesneuvelde soldaten. Naast ontsteking en cholesterolafzetting dragen ook proliferatie van gladde spiercellen en fibrose bij tot de vernauwing van de vaatwand. Een oorzaak hiervan is de secretie van plateletderived growth factor door adhererende bloedplaatjes. Uiteindelijk ontstaat een crisis omdat de atheroomplaat door de endotheelbekleding scheurt, waardoor acuut een trombus ontstaat. In een kransslagader blokkeert dit de aanvoer van zuurstof naar de hartspier en zo ontstaat een hartinfarct. Een van de risicofactoren is een gestegen LDL-concentratie in het bloed, terwijl een gestegen HDL-concentratie juist beschermend is. Dit feit maakt dat bloedcholesterol vaak de populaire onderverdeling kent van ‘goede’ cholesterol (HDL) en ‘slechte’ cholesterol (LDL). ‘Loss of function’-mutaties in het LDL-receptorgen liggen aan de basis van de familiaire hypercholesterolemie, waarin een autosomaal dominant overerfbare gestegen LDL-cholesterol en predispositie voor ischemische hartziekte gezien worden (Hobbs et al., 1992). Naast genetische invloed is er ook een belangrijke invloed van dieet (dierlijk vet, cholesterolrijk voedsel) op de LDL-concentratie. Maar ook de HDL-concentratie heeft invloed op het ontstaan van atherosclerose. Dit bleek uit diverse epidemiologische studies van veroudering en atherosclerose. Men zou kunnen stellen dat HLD de veroudering van de vaatwanden tegengaat, zodat een gestegen HDL-concentratie beschermt tegen hart- en vaatziekten (Ashen & Blumenthal, 2005). Deze beschermende factor wordt toegeschreven aan het retrograde transport van cholesterol van de vaatwanden naar de lever, maar het is ook mogelijk dat HDL een anti-inflammatoire werking heeft op de vaatwanden (Nofer et al., 2005). Op dit beschermende effect wordt in het volgende kader dieper ingegaan. Horizon Hoe beschermt HDL tegen atherosclerose? Er bestaat een relatie tussen bloed-HDL en de kans om oud tot zeer oud te worden. Dit heeft vermoedelijk te maken met de kans dat tijdens de veroudering atherosclerose ontstaat, want dit is een erg belangrijke doodsoorzaak. Enerzijds werd in longitudinale studies waargenomen dat de bloed-HDL-concentratie daalt met het ouder worden (Walter, 2009). Deze evolutie in functie van de tijd zou secundair kunnen zijn aan kwalen waarmee een verouderende mens steeds meer te maken krijgt (bijvoorbeeld diabetes), maar zou ook primair door de veroudering kunnen worden veroorzaakt. In tegenstelling hiermee is de

7

228

7

Hoofdstuk 7 • Vetzuur- en cholesterolsynthese

vaststelling dat in cross-sectionele studies de bloed-HDL-concentratie niet daalt met het ouder worden. Een mogelijke uitleg is dat de mensen die oud worden een selecte groep vormen met een hoge HDL-concentratie, terwijl de mensen met lage HDL-concentraties op jongere leeftijd zijn gestorven. Onderzoek bij honderdjarigen leverde overigens een bijzonder lipoproteïnenbeeld op met grotere HDL- en LDL-partikels. Verder stelde men een genetisch polymorfisme vast in het CETP-gen dat correleert met lagere activiteit van cholesterol ester transfer protein (Barzilai et al., 2006). Dit eiwit laat een cholesterolstroom toe van HDL naar LDL en VLDL (dus de ‘verkeerde’ kant op). Vandaar het idee om CETP-activiteit bij bepaalde mensen farmacologisch te onderdrukken (Shinkai, 2012). De informatie uit de hierboven vermelde studies bij oude mensen kan verklaard worden door omgevingsfactoren en natuurlijke selectie. Het ligt echter anders met het gegeven dat kinderen van ouders die later in het leven honderdjarigen zouden worden met hogere HDL-concentraties geboren werden dan kinderen van mensen die achteraf minder oud werden (Atzmon et al., 2005). Dit verschil duidt op een directe (en genetisch bepaalde?) band tussen de bloed-HDL-concentratie en levensverwachting. Aan die genetische factoren kun je niet veel doen, daar word je mee geboren. Maar zijn er ook omgevingsfactoren die een invloed hebben op de bloed-HDL-concentratie? Een belangrijk geval kwam aan het licht door de studie van de invloed van transvetten in de voeding op de lipoproteïnen, want transvetten verhogen niet alleen het bloed-LDL, maar verlagen tevens de bloed-HDL-concentratie (Mozaffarian et al., 2009). Meer over transvetten is te vinden in het volgende verdiepende kader. Andere onderdelen van de levensstijl die de bloed-HDL-concentraties doen dalen zijn roken, weinig lichaamsactiviteit en een koolhydraatrijke/vetarme voeding (Ashen & Blumenthal, 2005). Matig regelmatig alcoholgebruik (hoogstens enkele glazen) verhoogt de bloed-HDL-concentratie (Van der Gaag et al., 2001), evenals regelmatige fysieke inspanning (Durstine et al., 2002). Mannen hebben een lagere HDL-spiegel dan vrouwen (Legato, 2000) en dit heeft invloed op een geslachtsgebonden verschil in het bepalen van HDL-cholesterol als cardiovasculaire risicofactor. Naast HDL bestaat er een negatieve correlatie tussen levensverwachting en de apoproteïne E (ApoE), die als apoproteïne voorkomt in chylomicronen, remnants en VLDL en verantwoordelijk is voor de receptorgemedieerde opname van cholesterolbevattende remnants in de lever. Echter, deze apoproteïne wordt ook aangemaakt door macrofagen en de exacte rol hiervan bij veroudering is complex. Bij de ziekte van Alzheimer kan ApoE bijdragen tot de vorming van de amyloïdose en vetopstapeling in de letsels. Ten slotte dient te worden vermeld dat er een positieve correlatie bestaat tussen de plasmaspiegels van lipoproteïne(a) en atherosclerose (Kamstrup, 2010). Dit lipoproteïne is een covalente verbinding tussen een LDL-partikel en het plasminogen-achtige glycoproteïne apolipoproteïne(a).

Horizon Wat is het verband tussen transvetten in het voedsel en atherosclerose? De boterschaarste tijdens de Tweede Wereldoorlog was de aanleiding om te zoeken naar goedkope surrogaatboter, die werd gemaakt door plantaardige olie te ‘verharden’. Het verhardingsproces vereist de hydrogenatie van cis-onverzadigde bindingen in vetzuren. Een deel van de onverzadigde bindingen isomeriseert tijdens dit proces tot transonverzadigde

7.4 • Afstemming van de flux van de novo cholesterolsynthese op opnamemogelijk …

229

bindingen (. figuur 7.7G). In de tweede helft van de vorige eeuw veroverde dit ‘geharde’ plantaardige vet, in bakboter, frituurvet en afgeleide voedingsproducten, een belangrijke plaats in het dagelijks geconsumeerde voedsel van de geïndustrialiseerde wereld. Het grootste deel van deze periode wist men nauwelijks iets af van het bestaan van deze ‘transvetten’ en had men geen idee van de effecten op het metabolisme. Biochemisch en epidemiologisch onderzoek dat werd uitgevoerd gedurende het laatste decennium van de twintigste eeuw heeft bewijs geleverd voor de hypothese dat de transvetten in deze verharde plantaardige vetten schadelijk zijn voor hart en bloedvaten (Katan et al., 1995; Mensink & Katan, 1990). In het biochemisch onderzoek werd bij mensen een positieve correlatie vastgesteld tussen de dagelijkse inname van transvetten enerzijds en de concentratie van LDL-cholesterol in het bloed anderzijds. Niet echt bijzonder zou men zeggen, want dit is een verband dat evenzeer geldt voor lipiden met verzadigde vetzuren, in tegenstelling tot de cis-onverzadigde lipiden die het LDL-cholesterol juist verlagen. Maar boven op dit effect bleek de dagelijkse consumptie aan transvetten een negatieve correlatie te vertonen met de concentratie HDL-cholesterol in het bloed. Het gecombineerde verhogende effect op LDL en verlagende effect op HDL maakt dat transvetten de [LDL]/[HDL]-ratio in het bloed sterker doen stijgen dan verzadigde vetzuren. Het epidemiologisch onderzoek legde in een aantal multicentrische prognostische studies een verband tussen de dagelijkse consumptie van lipiden met transvetten in het voedsel enerzijds en het risico om gedurende de studieperiode een hartinfarct te ontwikkelen anderzijds. In een grootschalige studie die werd uitgevoerd bij meer dan 80.000 vrouwen (Hu et al., 1997), bleek het verlagen van de hoeveelheid ‘geharde’transvetten in het dieet ten gunste van ‘niet-geharde’ mono- en poly-onverzadigde vetten een efficiëntere preventieve maatregel tegen hartinfarct te zijn dan het verlagen van de totale hoeveelheid vetten in het voedsel, een gegeven dat een wending gaf aan de toen heersende opvattingen. Deze bevindingen sluiten goed aan op het biochemische onderzoek: transonverzadigde vetzuren (in verharde plantaardige oliën) verhogen de plasma-[LDL]/[HDL]-cholesterolratio meer dan vetten met verzadigde vetzuren (dierlijk vet) en de plasma-[LDL]/[HDL]-cholesterolratio is een belangrijke prognostische risicomerker voor atherosclerose. Een van de mogelijke mechanismen waarmee transvetten de [LDL]/[HDL]-cholesterolratio in het bloed veranderen, is de uitwisseling van cholesterol tussen lipoproteïnen via het cholesterol ester transfer protein (Van Tol et al., 1995). Het inzicht dat transvetten de [LDL]/[HDL]-cholesterolratio ongunstig beïnvloeden, heeft geleid tot een serie maatregelen die enerzijds het percentage transvetten in verharde margarines hebben doen dalen van pakweg 10% (jaren, 1970) tot > Cytochroom-P450-systeem vormt in de lever dus een fundamenteel onderdeel van een systeem voor enzymatische afbraak, detoxificatie en eliminatie van lichaamseigen én lichaamsvreemde moleculen (geneesmiddelen, toxines). Het CYP-systeem is daarom zeer belangrijk voor de geneeskunde in verband met de afbraak en excretie van geneesmiddelen, maar ook omdat sommige voorlopers van carcinogene stoffen (procarcinogenen) via deze weg worden geactiveerd tot carcinogenen.

Horizon Wat is de invloed van de CYP-genenfamilie op de farmacogenetica? De veelvuldige polymorfismen (genetische verschillen tussen mensen) binnen de CYPgenenfamilie vormen een zeer belangrijk gegeven in de farmacogenetica, een discipline die inter-individuele verschillen in het metabolisme van geneesmiddelen bestudeert (Zhou et al., 2009). Een voorbeeld is intermenselijke variatie in de snelheid in het metabolisme van codeïne, een morfinederivaat dat gebruikt wordt in hoestsiroop. Dit is een actief onderzoeksterrein, omdat 80% van alle geneesmiddelen via de CYP-enzymen wordt geoxideerd (fase I) voordat ze door het lichaam worden uitgescheiden. Een ander belangrijk terrein is de relatie tussen CYP-enzymactiviteit en het ontstaan van kanker. Bepaalde CYP-isovormen zijn namelijk actief in het omzetten van procarcinogene in carcinogene stoffen die in staat zijn om basen van het DNA te muteren. Een voorbeeld is CYP1A1 (Androutsopoulos et al., 2009), een isovorm die veel voorkomt in de lever en waarvan de expressie geïnduceerd wordt door de arylhydrocarbonreceptor (dioxinereceptor). De CYP1A-familie is in de lever inderdaad verantwoordelijk voor oxidatie van polycyclische aromatische koolwaterstofverbindingen (Sansen et al., 2007), die onder meer voorkomen in sigarettenrook (Pfeifer et al., 2002). Een belangrijk voorbeeld is de metabole activering van het procarcinogeen benzo[a]pyreen, dat in vervuilde lucht voorkomt (roetdeeltjes) en een rol speelt bij het ontstaan van longkanker (Perera, 1981).

8

254

Hoofdstuk 8 • Vetzuur- en cholesterolafgeleiden

8.5 Van cholesterol afgeleide biomoleculen

Cholesterol wordt niet alleen in grote hoeveelheden geïncorporeerd in de celmembraan, maar dient ook als voorloper van diverse biomoleculen met uiteenlopende functies: 55 Galzouten. Dit zijn enerzijds de afbraakproducten van cholesterol die via de gal in de stoelgang worden uitgescheiden. Anderzijds leveren deze detergenten een belangrijke bijdrage aan de resorptie van vetten door de dunne darm. 55 Steroïdhormonen. Het gaat om een diverse groep van hormonen die allen de van cholesterol afgeleide steroïdkern bezitten (koolstofskelet met de vier ringstructuren). Tot deze groep behoren zowel de corticosteroïden als de geslachtssteroïden. De signaaltransductie van deze hormonen berust op de specifieke binding aan leden van de nucleaire hormoonreceptorfamilie. Voorbeelden zijn de glucocorticoïdreceptor, de progesteronreceptor, de androgeenreceptor en verschillende oestrogeenreceptoren. 55 Vitamine D3 is belangrijk voor de calciumhuishouding van het lichaam. De door de nier afgewerkte afgeleide (calcitriol) is in feite ook een steroïdhormoon, weliswaar met een opengebroken B-ring, die bindt aan de vitamine D-receptor (een ander lid van de nucleaire hormoonreceptorfamilie).

8

8.5.1 Galzouten

Het koolstofskelet van cholesterol kan niet verbrand worden tot CO2, zoals dat het geval is voor de vetzuren. In plaats van een volledige afbraak, wordt de overtollige cholesterol door het lichaam uitgescheiden als galzouten. De lever zet de cholesterol in een klein aantal stappen om tot glycocholaat en taurocholaat, die via de galwegen in de darm belanden waar ze de vertering en resorptie van lipiden gunstig beïnvloeden. Galzouten bezitten namelijk zowel een sterk polair als een sterk apolair oppervlak, waardoor ze werken als detergenten die de hydrofobe krachten (die overheersen bij lipide-waterinteracties) kunnen doorbreken. De ringstructuren van cholesterol worden in de levercel verzadigd en geoxideerd (. Figuur 8.16). Hiervoor zijn mono-oxygenasen nodig die elektronen krijgen van cytochroom P450. Het trihydroxycoprostanoaat wordt daarna omgezet tot cholyl-CoA, dat geconjugeerd kan worden met twee geladen moleculen, glycine of taurine (bèta-amino-ethaansulfonzuur), waardoor respectievelijk glycocholaat en taurocholaat ontstaan. Glycocholaat en taurocholaat worden via de galkanalen afgevoerd naar de galblaas, waar ze geconcentreerd worden tot gal. Tijdens een maaltijd zorgt het hormoon cholecystokinine voor een contractie van de galblaas, zodat de gal terechtkomt tussen de voedingsstoffen in de dunne darm. Daar zullen de galzouten als detergenten gaan inwerken op grote vetdruppels door ze te verspreiden als kleine micellen. Hierop kunnen de pancreatische lipasen dan veel efficiënter inwerken met als gevolg een betere vertering en resorptie van lipiden (. Figuur 8.17). Per dag wordt op deze wijze ongeveer 20 gram galzouten door de lever geproduceerd en in de gal afgevoerd. Meer dan 95% van deze hoeveelheid wordt via resorptie weer opgenomen in het bloed en van daaruit in de levercellen (. Figuur 8.18). Dit is de zogeheten enterohepatische cyclus, die maakt dat slechts 0,5-0,8 gram galzouten per dag verloren gaan in de stoelgang. Dit komt grotendeels overeen met de cholesteroleliminatie uit het lichaam, want er wordt dagelijks ongeveer 800 mg cholesterol opgenomen in de voeding of endogeen geproduceerd. Een defect in de afvoer van galzouten in de darm leidt tot opstapeling van galzouten en galpigmenten in het lichaam en malabsorptie van lipiden met daardoor verlies van lipiden in de stoelgang (steatorroe). De enterohepatische cyclus is een farmacologisch doelwit voor het

8.5 • Van cholesterol afgeleide biomoleculen

255

. Figuur 8.16  Afbraak van cholesterol tot galzuren gebeurt in de levermicrosomen.

. Figuur 8.17  Dispersie van vetdruppels tot micellen is te danken aan het amfipatisch karakter van de platte galzoutmoleculen, die een polair en apolair oppervlak maken.

behandelen van hypercholesterolemie: met bepaalde harsen (o.a. cholestyramine) worden galzouten in de darm gecomplexeerd; dit vermindert stap 3 in . Figuur 8.18 en zorgt dat per dag meer cholesterol als galzouten wordt uitgescheiden. Deze behandeling werkt dus volgens een ander principe dan de rem van HMG-CoA-reductase met statinen (7 par. 7.4.4). 8.5.2 Steroïdhormonen

Cholesterol wordt in de mitochondria van gespecialiseerde endocriene cellen in de bijnieren, ovaria en testes omgezet tot steroïdhormonen (. Figuur 8.19). Deze specialisatie komt enerzijds tot uiting door de expressie van receptoren voor hypofysehormonen (ACTH voor de bijnier en FSH- en LH-receptoren in de gonaden) en anderzijds dankzij de specifieke cytochroom-P450iso-enzymen die nodig zijn voor de oxidatie van cholesterol. Deze synthese vindt plaats, net zoals werd besproken voor de eicosanoïden, via een stamboomroute waarbij de vertakkingen tot stand komen door de expressie van weefselspecifieke enzymen die vanuit de gemeenschappelijke stam voor het weefsel specifieke eindproducten afleveren (.  Figuur 8.20). Voorbeelden zijn corticosteroïden die worden aangemaakt door de bijnierschors en weer opgedeeld kunnen worden in glucocorticoïden (bijvoorbeeld cortisol), mineralocorticoïden (bijvoorbeeld aldosteron) en dehydro-epiandrosteron (DHEA). Anderzijds

8

256

Hoofdstuk 8 • Vetzuur- en cholesterolafgeleiden

8 . Figuur 8.18  De enterohepatische cyclus van galzouten zorgt ervoor dat galzouten vele malen ‘hergebruikt’ worden door het lichaam voordat ze definitief worden uitgescheiden in de stoelgang. Deze cyclus werkt als volgt: (1) de lever maakt nieuwe galzouten en laat deze via (2) de galwegen, galblaas en ductus choledochus (groen) terechtkomen in het duodenum; (3) > 95% van de galzouten wordt geresorbeerd door de dunne darm; (4) er vindt transport plaats via portaal bloed naar de lever; (5) de lever neemt de galzouten weer op en laat deze moleculen weer via de galkanaaltjes tussen de parenchymcellen naar de galblaas stromen. Slechts een klein deel van de door de gal afgevoerde galzouten wordt uitgescheiden in de stoelgang (6).

. Figuur 8.19  Steroïdhormonen ontstaan in de bijnierschors en gonaden door stimulatie van specifieke receptoren voor hypofysaire glycoproteïnehormonen, zoals ACTH en LH, die de cAMP-aanmaak stimuleren. Hierdoor stijgt de enzymatische flux van het belangrijke ‘side chain cleavage enzyme’. Bovendien wordt de werking gestimuleerd van het ‘steroïd acute regulatory protein’ (StAR), dat cholesterol van de buitenste naar de binnenste mitochondriale membraan transporteert. Verbruik van cholesterol leidt tot opname via LDL-receptoren of de novo synthese (7 par. 7.4.1).

8.5 • Van cholesterol afgeleide biomoleculen

257

. Figuur 8.20  Stamboomstructuur van de synthese van steroïdhormonen. Elke blauwe pijl stelt ten minste één enzymatische verandering voor. De vertakkingen zijn gebaseerd op de expressie van weefselspecifieke enzymen die specifieke eindproducten afleveren. Dehydro-epiandrosteron (DHEA) is het meest abundante product van de zona reticularis van de bijnierschors en circuleert in het bloed vooral als sulfaatester (DHEAS), maar kan ook verder omgezet worden tot androgenen. Aromatase wordt door FSH tot expressie gebracht in de granulosacellen van follikels in het ovarium en hierdoor ontstaan oestrogenen uit androgenen.

maken testes en ovaria de geslachtssteroïden, die we kunnen onderverdelen in progesteron, androgenen (testosteron) en oestrogenen. Steroïdhormonen worden vanuit cholesterol gemaakt door enerzijds (een deel van) de alifatische zijketen op de D-ring af te klieven en door anderzijds op diverse plaatsen de ringen te oxideren met vorming van stereospecifiek geplaatste OH-groepen. Sommige steroïden worden voorzien van keto- of aldehydegroepen of extra dubbele bindingen, zoals de aromatisering van de A-ring in oestrogenen. Steroïdhormonen bevatten 21 of minder koolstofatomen, terwijl cholesterol een C27-structuur heeft. Het koolstofskelet wordt dus ingekort met zes koolstofatomen via het cholesterol side chain cleavage enzyme (cholesteroldesmolase, gecodeerd door het CYP11A1-gen), dat gelegen is in de binnenste mitochondriale membraan van steroïdproducerende cellen (.  Figuur 8.19 en . Figuur 8.20). Het C6-brokstuk dat als aldehyde wordt afgesplitst, is afval en wordt verbrand. Deze eerste fase in de steroïdhormoonproductie is fluxbepalend voor de verdere biosynthetische weg en wordt sterk geregeld (.  Figuur 8.19). Een dimensie van deze regeling gebeurt via de beschikbaarheid van cholesterol, bijvoorbeeld via de novo synthese (HMG-CoA-reductase) of receptorgemedieerde opname van LDL (. Figuur 8.19, 7 ook par. 7.4.1). Een andere dimensie is de transfer van cholesterol vanuit het cytoplasma naar de binnenste mitochondriale membraan. Hiervoor is de expressie nodig van het steroidogenic acute regulatory protein (StAR). Het StAR-eiwit is lid van een grotere familie van transporteiwitten die lipiden in de cel doen verhuizen tussen compartimenten (Soccio & Breslow, 2003).

8

258

8

Hoofdstuk 8 • Vetzuur- en cholesterolafgeleiden

. Figuur 8.21  Synthese van corticosteroïden. Links zie je de weg die leidt tot de glucocorticoïden in de zona fasciculata van de bijnierschors. Hiervoor zijn een C17-α-hydroxylering, C11-β-hydroxylering en een C21hydroxylering nodig. Rechts zie je de de synthese van mineralocorticoïden in de zona glomerulosa met de kenmerkende C18-hydroxylatie. De productie van DHEA door de zona reticularis van de bijnierschors is niet getoond (. Figuur 8.20).

De derde en misschien belangrijkste dimensie is dat er verhoogde expressie van het CYP11A1-eiwit tot stand komt wanneer leden van de hypofysaire glycoproteïnehormoonfamilie (LH en ACTH) inwerken op hun bijbehorende receptoren. Hierdoor wordt cAMP geproduceerd en proteïnekinase A geactiveerd. Deze receptoren komen celspecifiek tot expressie: ACTH-receptoren in de bijnieren en LH-receptoren in de Leydig-cellen (man) en thecacellen (vrouw) van respectievelijk testes en ovaria. Hypothalamische peptiden (CRH, GNRH) zullen de hypofyse stimuleren tot, respectievelijk, ACTH- en LH-secretie. Hierdoor ontstaat er een specifieke as van communicatie tussen hersenen-hypofyse en doelwitorganen voor steroïdhormoonsynthese. Een negatieve feedback wordt verzekerd doordat de afgewerkte steroïdhormonen (bijvoorbeeld cortisol voor de bijnieren) de productie en secretie van CRH en ACTH onderdrukken.

Corticosteroïden

Corticosteroïden ontstaan in de schors van de bijnieren. Dit zijn gepaarde driehoekige orgaantjes van elk circa 10 cc volume, die anatomisch boven de nieren liggen. Elke bijnier bestaat niet alleen uit een schors (cortex), maar ook uit merg (medulla). We zullen deze laatste in het volgende hoofdstuk bespreken bij de synthese van het aminozuurafgeleide hormoon adrenaline. De schors is verder onderverdeeld in drie zones die gespecialiseerd zijn in de expressie van CYPs die reacties katalyseren aan het eind van de vertakkingen van de steroïdsynthese (. Figuur 8.21). Zona fasciculata.  In de zona fasciculata worden de glucocorticoïden gemaakt, met als belang-

rijkste product cortisol. De dagelijkse productie is 10-15 milligram. Hiervoor moet enerzijds C21 van de zijketen worden gehydroxyleerd door CYP21A2 (de CYP21A1 paraloog is een pseudogen). Anderzijds moet de D-ring stereospecifiek worden gehydroxyleerd via de eerste reactie

8.5 • Van cholesterol afgeleide biomoleculen

259

. Figuur 8.22  Sulfatering van DHEA (dehydro-epiandrosteron) vereist de werking van het sulfotransferase SULT2A1 en met hulp van ATP-metabool geactiveerd sulfaat (PAPS).

van het 17-alfa-hydroxylase (CYP17A1). Ten slotte wordt de C-ring geoxideerd door 11-bètahydroxylase (CYP11B1). Zona glomerulosa.  De zona glomerulosa van de bijnierschors is gespecialiseerd in de productie van mineralocorticoïden, met als meest actieve stof het aldosteron. De normale dagelijkse productie is slechts 0,1-0,15 milligram. Hiervoor is naast het CYP21A2 en CYP11B1 (die ook gebruikt worden voor de synthese van de glucocorticoïden) de kenmerkende C18-hydroxylering nodig, die de methylgroep tussen de C- en D-ring omzet in een aldehyde, via het enzym aldosteronsynthase (CYP11B2). Het verschil tussen de bijnierschorscellen van de zona glomerulosa en zona fasciculata is dus de specifieke expressie van enzymen die instaan voor oxidatie van C17 (via CYP17A1) of C18 (via CYP11B2) van het steroïd. Zona reticularis.  In de zona reticularis ontstaat dehydro-epiandrosteron (DHEA),, dat een totaal

andere weg volgt en geen CYP21A en CYP11B nodig heeft. In plaats daarvan wordt via een dubbele reactie van het 17-alfa-hydroxylase (CYP17A1) een tweede splitsingsreactie van de zijketen uitgevoerd zodat dit steroïd 19 koolstofatomen telt in plaats van de 21 in cortisol en aldosteron. De bijnieren produceren circa 20-30 milligram per dag van dit hormoon. Meer dan 90% van het DHEA wordt via het sulfotransferase SULT2A1 gesulfateerd ter hoogte van de OH-groep op de A-ring tot dehydro-epiandrosteronsulfaat (DHEAS) (.  Figuur 8.22). In deze vorm circuleert het hormoon door het bloed. DHEAS is het meest voorkomende steroïdhormoon in het bloed, maar de exacte functie bij volwassen mensen is niet bekend; dit in tegenstelling tot de foetus, waar het bijdraagt tot de synthese van oestrogenen door de placenta). SULT2A1 is een van de leden van een grote sulfotransferase-enzymfamilie, die ATP-geactiveerd sulfaat (PAPS, dat staat voor 3’-fosfoadenosine 5’-fosfosulfaat) gebruiken (. Figuur 8.22) om het substraat te sulfateren. Sommige andere familieleden katalyseren de sulfatering als middel om de uitscheiding van steroïdhormonen te bewerkstelligen. Aangezien de plasmaDHEAS-concentratie daalt vanaf de middelbare leeftijd, heeft dit hormoon de bijna mythische status van ‘verjongingshormoon’ (Celec & Starka, 2003). Lage plasma-DHEAS-concentraties worden dan ook epidemiologisch gecorreleerd aan leeftijdgebonden degeneratieve aandoeningen, zoals dementie, atherosclerose en suikerziekte. Het effect op diabetes zou mogelijk verklaard kunnen worden door het feit dat DHEAS de glucosegeïnduceerde insulinesecretie ondersteunt (Dillon et al., 2000). DHEA bezit zwakke androgene eigenschappen en wordt goed omgezet tot oestrogenen, dus kan men het hormoon zien als een natuurlijke vervanger voor de tijdens de menopauze gedaalde prodcutie van geslachtssteroïden in de ovaria.

8

260

Hoofdstuk 8 • Vetzuur- en cholesterolafgeleiden

Toepassing

8

Erfelijke ziekten van de bijnierschors Er bestaat in principe voor elk type bijniersteroïdhormoongerelateerd P450-hydroxylase minstens één gen met een daarbij behorende ‘inborn error of metabolism’. De meest voorkomende erfelijke ziekten van de bijnierschors zijn gebaseerd op een verstoorde steroïdhormoonproductie ten gevolge van de 21-hydroxylase- en 11-bèta-hydroxylasedeficiëntie. De 21-hydroxylasedeficiëntie is het gevolg van mutaties in het CYP21A2-gen, dat instaat voor een cruciale biosynthetische stap van de gluco- en mineralocorticoïden (. Figuur 8.21). Hierdoor ontstaat er een tekort aan zowel cortisol als aldosteron, maar het exacte fenotype hangt af van pogingen van het lichaam om dit gebrek te compenseren. In de normale endocriene fysiologie stimuleert de hypothalamus via corticotropin releasing hormone (CRH) de hypofysaire secretie van adrenocorticotroop hormoon (ACTH), dat de bijnier stimuleert tot steroïdproductie. Een zelfregelende negatieve feedback is dat een deel van het in het bloed circulerende cortisol door hypothalamus en hypofyse wordt opgenomen om de secretie van CRH en ACTH te dempen (zie figuur in dit kader). Door het synthesedefect in de bijnieren valt de feedbackinhibitie op de hypothalamus en hypofyse weg, zodat grote hoeveelheden ACTH in het bloed zorgen voor overdreven stimulatie en groei van de bijnieren. Kinderen met deze ziekte worden geboren met zeer grote bijnieren: congenitale bijnierhyperplasie.

Figuur: congenitale bijnierhyperplasie door erfelijk bepaalde 21-hydroxylasedeficiëntie. Links: normale negatieve feedback van in het bloed uitgescheiden cortisol op de secretie van hypothalamisch corticotropin releasing hormone (CRH) en hypofysair adrenocorticotroop hormoon (ACTH). Midden: normale stimulatie van de bijnierschors met werkzaam 21-hydroxylase (CYP21A2). Rechts: overdreven stimulatie van de bijnierschors door niet-werkend 21-hydroxylase, waardoor er geen rem is van cortisol op de ACTH-secretie. De vergrote schors van de bijnieren (geel) maakt androgenen, wat virilisatie (meisjes) en vroegtijdige puberteit (jongens) verklaart. Een ‘escape’-route van steroïdsynthese in de bijnier verloopt via de werking van CYP17A1 met daardoor opstapeling van 17-alfa-hydroxyprogesteron, dat wordt omgezet tot androgene steroïden. Hierdoor ontstaat het adrenogenitaal syndroom, waarbij jongens vroegtijdig in de puberteit komen en de meisjes viriliseren (mannelijke secundaire geslachtkenmerken

8.5 • Van cholesterol afgeleide biomoleculen

261

ontwikkelen). Het tekort aan glucocorticoïden veroorzaakt een gebrek aan gluconeogenese en hypoglykemie. Indien ook de synthese van aldosteron erg laag is, ontstaat hypoaldosteronisme, met de levensgevaarlijke ‘zoutcrisis’ (hyponatriëmie, hypotensie, hyperkaliëmie en metabole acidose). Omdat deze ziekte relatief veel voorkomt en lethaal kan zijn gedurende de eerste levensmaanden, vindt er in Nederland en Vlaanderen een systematische screening plaats bij pasgeborenen (White, 2009). Bijzonder aan de hoge mutante allelenfrequentie (ongeveer 1% dragers in de populatie) is het feit dat het CYP21A2-gen behoort tot de human leucocyte antigen (HLA)-klasse-IIIregio, dus dicht bij de HLA-klasse-II-genen (DR, DG) die de immuunrespons regelen. De HLA-locus is de meest polymorfe regio van het humaan genoom, wat de slagvaardigheid van het immuunsysteem van onze soort garanties biedt tegen een speciesvernietigend pathogeen. Het is daarom mogelijk dat CYP21A-genmutaties als ‘extended haplotype’ zijn geselecteerd, samen met HLA-klasse-II-haplotypen die onze voorouders goed beschermden tegen bepaalde letale en veel voorkomende pathogenen. Vergelijk deze situatie met de glucose-6-fosfaatdehydrogenasedeficiëntie. Bij patiënten met de 11-bèta-hydroxylasedeficiëntie, het gevolg van mutaties in het CYP11B1-gen, is er een defect in de omzetting van 11-desoxycortisol in cortisol (de laatste biosynthetische stap, . Figuur 8.21). Hierdoor stapelen 11-desoxycortisol en 11-desoxycorticosteron op en valt de normale feedback op de hypofyse en hypothalamus weg (een situatie die vergelijkbaar is met die bij het figuur in dit kader). Het gevolg is ook hier congenitale bijnierhyperplasie en adrenogenitaal syndroom. Maar omdat het in grote hoeveelheden geproduceerde 11-desoxycorticosteron zich gedraagt als een mineralocorticoïd hormoon, ontwikkelen deze patiënten tevens hoge bloeddruk en hypokaliëmie.

Geslachtssteroïden

Geslachtssteroïden worden gemaakt in de testes en de ovaria. De gemeenschappelijke voorloper is progesteron (.  Figuur 8.23), dat via CYP17A1 een tweede klievingsreactie moet ondergaan van de zijketen en dan enerzijds kan worden gereduceerd (androgenen), of anderzijds ter hoogte van de A-ring door aromatase kan worden geoxideerd (oestrogenen). De A-ring wordt hierdoor aromatisch (zoals in een benzeenring) en de methylgroep tussen A- en B-ring splitst hierbij af. De expressie van aromatase in vrouwen maakt dus een enzymatische stap mogelijk die mannen niet/weinig kunnen uitvoeren. Dit is een verklaring voor het verschil in secundaire geslachtskenmerken van mannen en vrouwen. 55 De testosteronproductie (. Figuur 8.23) wordt in de Leydig-cellen opgedreven door binding van luteïniserend hormoon (LH) op specifieke LH-receptoren die de cAMPconcentratie doen stijgen (. Figuur 8.19). Hierdoor stijgt de steroïdproductie, vooral in de fluxcontrolerende stap, het side chain cleavage enzyme, waarvan de werking ondersteund wordt door inductie van expressie van het cholesteroltransporterende STAR-eiwit (. Figuur 8.19). Een tweede klieving van de zijketen gebeurt ter hoogte van C17 en zet progesteron om in androsteendion, dat op C17 wordt gereduceerd tot testosteron. Dit androgeen is nog niet volledig actief maar reist eerst naar zijn doelwitcellen, waar het via het 5-alfa-reductase in de A-ring wordt gereduceerd tot dihydrotestosteron (. Figuur 8.23). Dihydrotesteron bindt op de androgeenreceptor, een van de nucleaire receptoren die werkt als transcriptiefactor. 55 In de ovaria is de productie van oestrogenen het resultaat van een intensieve samenwerking tussen thecacellen en granulosacellen van de follikels. De thecacellen (interstitiële

8

262

Hoofdstuk 8 • Vetzuur- en cholesterolafgeleiden

8 . Figuur 8.23  Synthese van geslachtssteroïden. De Leydig-cellen van de testis zijn actief in het oxideren van progesteron tot androsteendion (tweede klievingsreactie van de resterende twee C-atomen van de zijketen). Dit steroïd wordt dan gereduceerd tot testosteron, dat in doelwitcellen via het 5-alfa-reductase metabool wordt geactiveerd. In de ovaria worden de androgenen androsteendion en testosteron door de granulosacellen opgenomen en ter hoogte van de A-ring geoxideerd dankzij aromatase (CYP19A1). Een andere weg verloopt via tijdens de zwangerschap vanuit dehydro-epiandrosteron (DHEA), een product van de zona reticularis van de bijnierschors, dat door steroïd delta-isomerase (HSD3B) in de placenta wordt omgezet tot androsteendion en via aromatase verder veranderd wordt in oestrogenen. Elke blauwe pijl stelt ten minste één enzymatische verandering voor.

cellen) worden door LH geprikkeld om cAMP aan te maken. Hierdoor versnellen de reacties van het side chain cleavage enzyme en van de 17-hydroxylase die de tweede klieving doet (. Figuur 8.23). Zo wordt androsteendion geproduceerd die door de naburige granulosacellen wordt opgenomen. Deze laatste reageren op follikelstimulerend hormoon (FSH) met gestegen aromatase-expressie. Aromatase (CYP19A1) is een P450-afhankelijke oxidatief C19-demethylase, waardoor de A-ring wordt geoxideerd; hierdoor wordt androsteendion (C19) omgezet tot oestron (C18). Oestron kan worden gereduceerd tot oestradiol, dat bindt op specifieke oestrogeenreceptoren die net als androgeenreceptoren leden zijn van de nucleaire receptor-familie. De samenwerking tussen thecacellen en granulosacellen verklaart waarom de reproductieve cyclus (ovulatiecyclus) bij de vrouw steunt op een taakverdeling tussen twee gonadotrofinen (FSH en LH) en twee endocriene celtypen (theca- en granulosacellen) in de ovaria. 55 Een variant op het samenwerken tussen twee celtypen in de synthese van oestrogenen vindt plaats tijdens de zwangerschap (. Figuur 8.24). Tijdens dit proces neemt de synthese van oestrogenen en progesteron enorm toe (tot 1000 maal de snelheid in niet-zwangere vrouwen). De eerste vier weken is deze verhoogde biosynthetische flux het werk van het corpus luteum in de eierstok, maar daarna gaat de zich ontwikkelende placenta zelf meehelpen.

8.5 • Van cholesterol afgeleide biomoleculen

263

. Figuur 8.24  Samenwerking tussen placenta (moeder) en foetus in de productie van oestrogenen tijdens de zwangerschap. Het door de placenta gemaakte pregnenolon passeert in de foetale circulatie (gestippelde pijl). De foetale bijnieren produceren DHEAS die door de foetale lever op C16 wordt gehydroxyleerd. Het steroïd passeert weer naar de moederlijke circulatie (gestippelde pijl). De placenta zal de biosynthese voortzetten door aromatisering van de A-ring.

Na acht weken is de placenta verantwoordelijk voor de meeste oestrogeenproductie in het lichaam van de aanstaande moeder. Opmerkelijk is dat de placenta maar voor een deel van deze synthese instaat, terwijl het resterende deel gebeurt in de bijnieren en lever van de foetus (. Figuur 8.24). De placenta zorgt via CYP11A1 voor de klievingsreactie van cholesterol; het gevormde pregnenolon verhuist naar de foetale bijnieren waar de tweede klievingsreactie plaatsvindt (CYP17A1) en ook de sulfatering van DHEA. Het zo gevormde DHEAS passeert via de foetale lever, waar een 16-hydroxyleringstap gebeurt. De placenta neemt het 16-α-OH-DHEAS op en zet dit via steroïd delta-isomerase (HSD3B) om in 16-OH-androsteendion, dat via aromatase (CYP19A1) veranderd wordt in oestriol. We zien hier dus een samenwerking tussen moeder en foetus voor de synthese van oestrogenen, net zoals thecaen granulosacellen dit doen bij de niet-zwangere vrouw. Het is in dit verband opmerkelijk dat het relatieve gewicht van de bijnieren ten opzichte van het lichaamsgewicht bij een vier maanden oude foetus meer dan tienmaal groter is dan bij een volwassen individu. Horizon Neurosteroïden: regelaars van gedrag en hersenfunctie? Uit onderzoek van de laatste dertig jaar blijkt dat de productie van steroïdhormonen niet alleen een gespecialiseerde bezigheid is van bijnieren en gonaden, maar ook een metabole activiteit in bepaalde regio‘s van het centraal zenuwstelsel (CZS; Reddy, 2010). Inderdaad, de belangrijke eiwitten voor de productie van steroïden (StAR-eiwit, desmolase, 17-alfahydroxylase, 3-hydroxysteroïddehydrogenase, aromatase, 5-alfa-reductase) komen tot expressie in de delen van de hersenen van de mens en andere vertebraten, niet alleen in neuronen maar ook in gliacellen (Reddy, 2010). Dit betekent dat de reeds lang bekende effecten

8

264

8

Hoofdstuk 8 • Vetzuur- en cholesterolafgeleiden

van steroïdhormonen op gemoedstoestand en gedrag niet alleen een zaak zijn van de door bijnieren en ovaria/testes aangemaakte steroïdhormonen die naar het doelwit (CZS) verhuizen, maar ook een zaak geworden is van expressie van steroïdogene enzymen in het CSZ zelf (Reddy, 2010). Uit onderzoek bij mensen en bij modelorganismen blijkt dat de zogeheten neurosteroïden een complexe rol spelen in diverse processen, waaronder reproductieve biologie en pijnregulatie. Als farmaca hebben ze een mogelijke toekomst in de preventie of behandeling van epilepsie en depressie (Reddy, 2010). Bij de mens zijn er dus steeds meer argumenten voor het bestaan van een lokaal (in de hersenen) werkend systeem van aanmaak van steroïden (Stoffel-Wagner, 2001). Dit idee steunt op expressie van enzymen zoals 3-hydroxysteroïddehydrogenase, aromatase en 5-alfa-reductase in bepaalde centra (Stoffel-Wagner, 2001). Bovendien zouden er specifieke afgeleiden in het zenuwstelsel voorkomen die we tot nu toe niet hebben vermeld. De inwerking van 3-hydroxysteroïddehydrogenase en 5-alfa-reductase op progesteron levert bijvoorbeeld allopregnanolon (3-α,5α-tetrahydroprogesteron) op, een neurosteroïd die stress, depressie en pijnperceptie kan beïnvloeden (Stoffel-Wagner, 2001). Zo werd er een direct verband aangetoond tussen een prikkel van bepaalde ruggenmergneuronen met het ‘pijnpeptide’ substance P (dat inwerkt op neurokinine-1-receptoren) en een rem van de secretie van allopregnanolon (Patte-Mensah et al., 2005). Een andere bijzonderheid is het mechanisme van werking van allopregnanolon. Dit neurosteroïdhormoon kan namelijk via een andere weg dan de eerder besproken nucleaire hormoonreceptoren biologische effecten uitoefenen, namelijk de niet-covalente binding aan een extracellulair domein van GABAA-receptoren van neuronen (Wang, 2011). GABAA-receptoren zijn de belangrijkste inhiberende receptoren in het centraal zenuwstelsel. Deze receptoren zitten vooral buiten de synaptische contacten tussen neuronen, zodat neurosteroïden op een complexe wijze bijdragen tot de prikkeloverdracht in neuronale netwerken (Lee & Maguire, 2014). Omdat allopregnanolon de invloed van GABA op de GABAA-receptoren versterkt, kan de inhibitie van zenuwcellen worden bestendigd. Andere neurosteroïden, zoals pregnenolonsulfaat, zijn juist in staat om de invloed van GABA op GABAA-receptoren te verminderen, zodat er een complex competitief systeem tussen neurosteroïden lijkt te bestaan (Wang, 2011).

Evolutie Testosteron en natuurlijke selectie via sexuele voortplanting Sinds Charles Darwin die met zijn boek ‘The Descent of Man, and Selection in Relation to Sex’ de seksuele voortplanting bij dieren onderdeel liet uitmaken van natuurlijke selectie en evolutie van het leven, is er veel onderzoek gedaan naar moleculaire mechanismen en de rol van geslachtssteroïden, met name onderzoek bij vogels. Darwin stelde dat de natuurlijke selectie gebeurt door de keuze van vrouwtjesdieren uit een onderling competitieve groep mannetjesdieren. Deze laatste kunnen zeer ver gaan in het uiterlijk vertoon (kleuren, vorm, gevechtsmiddelen zoals horens), maar ook in gedrag (agressiviteit, zang, dans). De mannetjes betalen ook een prijs voor deze competitieve inspanning (energie, verwondingen, verliezers die sociaal uitgestoten worden), maar Darwin stelde dat de beloning, het selecteren van ‘fitness’ hiervoor compenseert. Darwin vermeldt in zijn boek ook de weduwvogel (Euplectes progne), omdat de mannetjes extreem lange staartveren ontwikkelen en hiermee de vrouwtjes het hof maken. Empi-

8.5 • Van cholesterol afgeleide biomoleculen

265

risch onderzoek, waarbij met een schaar en wat superlijm de staartveren van één mannelijk dier werden ingekort en die van een ander dier werden verlengd, toonde aan dat de lengte van deze veren positief correleert met het reproductief succes. Dit omdat de vrouwtjes kozen voor de man-met-de-langste-veren (Andersson, 1982). Een ander voorbeeld is het tot stand komen van het effect van het gefloten lied bij meer dan 3000 zangvogelsoorten; een lied dat grotendeels aangeleerd is, specifiek is voor de vogelsoort en een opmerkelijk seksueel dimorfisme vertoont. Kuikens van mannelijke en vrouwelijke zangvogels vertonen al vroeg in het leven verschillen in de hersenen van expressie van grote aantallen genen (Naurin et al., 2011; Peterson et al., 2013). Men veronderstelt dat dit invloed heeft op de neuronale zangcircuits in beide geslachten tijdens de ontwikkeling van kuiken tot volwassen vogel. Opmerkelijk is dat het horen van gezang van de mannelijke partner aan het begin van het broedseizoen een snelle en sterke verandering van de gonaden bij een receptief vrouwtje zal induceren, zodat deze eieren gaat leggen. In overeenstemming met met de ‘klassieke rol’ van in het bloed circulerende en door de gonaden geproduceerde geslachtssteroïden op het gedrag van zangvogels is het effect van langwerkende testosteronpreparaten op de zangvogel Junco hyemalis (Ketterson et al., 2009). Deze extra aan mannetjes toegediende testosteron induceerde twee gedragseffecten. Aan de ene kant maakte testosteron deze mannetjes aantrekkelijker voor hun partners en ook seksueel aggressiever en productiever. Maar aan de andere kant waren deze vogels minder goede vaders voor hun kinderen (Ketterson et al., 2009). Dit experiment was een artificieel systeem, maar recent bleken verschillen in testosteronspiegels tussen in de wilde natuur voorkomende Junco hyemalis-mannetjes samen met verschillen in expressie van androgeenreceptoren in de hersenen een correlatie te vertonen met reproductief gedrag (Rosvall et al., 2012). De expressie van het enzym aromatase in de hersenen van vogels is zeer hoog, zodat er een efficiënt lokaal steroïdmetabolisme lijkt te bestaan dat androgenen kan omzetten in oestrogenen. Bovendien werden andere enzymen die bij de mens verantwoordelijk zijn voor neurosteroïden (zie kader Horizon hiervoor) gemeten in de hersenen van vogels (Schlinger et al., 2011). Wat betreft de gezondheid van de mens kan men ook stellen dat er voor het mechanisme van het geslachtelijk dimorfisme van androgenen, oestrogenen en hun bijbehorende receptoren een prijs betaald wordt. Voorbeelden uit de wetenschappelijke literatuur zijn de impact van de activatie van androgenen op het verloop van prostaatkanker bij de man (Nacusi & Tindall, 2011) en de impact van oestrogenen (Martino et al., 2004) en androgenen (Fioretti et al., 2014) op borstkanker bij de vrouw. We kunnen besluiten dat het onderzoeksdomein van de geslachtssteroïden als moleculaire mediatoren van de seksuele voorplanting een enorme expansie heeft gekend en dat nog vele vragen op een adequaat antwoord wachten.

8.5.3 Vitamine D en hiervan afgeleide stoffen

Een stof die wat chemische structuur en werkingsmechanisme betreft aanleunt bij de steroïdhormonen is 1,25-dihydroxycholecalciferol (synoniem: calcitriol). Net als bij de andere steroïden gaat het om een hormoon dat afgescheiden wordt door de nieren en ontstaat door metabole samenwerking tussen huid (of het spijsverteringsapparaat) en de lever.

8

266

8

Hoofdstuk 8 • Vetzuur- en cholesterolafgeleiden

. Figuur 8.25  Vitamine D3 (cholecalciferol) ontstaat vanuit 7-dehydrocholesterol, het laatste metaboliet van de mevalonaatweg, in de huid en moet tweemaal gehydroxyleerd worden, eenmaal door de lever en eenmaal door de nier, voordat het actief wordt in de vorm van 1,25-dihydroxycholecalcifererol.

Strikt genomen is vitamine D geen cholesterol-afgeleide, maar stopt de mevalonaatweg (7 par. 7.3.2) met 7-dehydrocholesterol, de laatste metaboliet voor cholesterol die in de B-ring nog één extra dubbele binding heeft (. Figuur 8.25). Zonlicht breekt de B-ring van 7-dehydrocholesterol open. Hierdoor ontstaat het previtamine D3, dat via isomerisatie van een cis- tot transdubbele binding wordt omgezet tot cholecalciferol (= vitamine D3) (.  Figuur 8.25). Twee hydroxyleringsreacties (t.h.v. C25 en C1) die tot stand komen ter hoogte van respectievelijk de lever en de nier, zorgen dat de fysiologisch inerte vitamine D3 wordt omgezet tot een actief hormoon, het 1,25-dihydroxycholecalciferol (. Figuur 8.25 en . Figuur 8.26). Vitamine D wordt ook via de voeding opgenomen en samen met het door de huid gemaakte prohormoon door lever en nieren geactiveerd. Het door de twee hydroxyleringen geactiveerde hormoon draagt in sterke mate bij tot de calciumhuishouding in het lichaam. Ten eerste wordt de resorptie van calcium uit de darmholte en uit het lumen van de niertubuli verbeterd. Ten tweede wordt bij normocalciëmie (normale bloed-calciumconcentraties) calcium ingebouwd in het botmineraal. Anderzijds zal het bij hypocalciëmie (te laag bloedcalcium) zorgen voor een botdemineralisatie. De meeste van deze effecten verlopen traag (uren) en vereisen de interactie tussen 1,25-dihydroxycholecalciferol en de vitamine D-receptoren. Binding van het hormoon aan zijn receptor doet het complex naar de celkern migreren, en daar interageren met promotorsites van responsieve genen. Op deze wijze zorgt 1,25-dihydroxycholecalciferol voor een verhoogde gentranscriptie. Deficiëntie in de aanmaak, inname of werking van vitamine D is de oorzaak van Engelse ziekte (‘rickets’; rachitis) die gekenmerkt wordt door skeletafwijkingen van het groeiende kind (kromgroeien van armen en benen en deformatie van de borstkas) en hypocalciëmie. Deze aandoeningen komen tegenwoordig minder voor dan vroeger, doordat tal van voedingswaren (melkproducten) kunstmatig zijn aangevuld met vitamine D.

8.5 • Van cholesterol afgeleide biomoleculen

267

. Figuur 8.26  Synthese van calcitriol (1,25-dihydroxycholecalciferol = 1,25-(OH)2 vitamine D) vertrekt van 7-dehydrocholesterol in de huid of van vitamine D die opgenomen wordt via de voeding. Het ‘vitamine Dbinding protein’ (met als officiële gennaam ‘group-specific component GC’) transporteert de diverse vormen van vitamine D door het bloed. Voor de activering zijn twee hydroxyleringen nodig: eerst op koolstof 25 (CYP27A1 in de lever) en daarna de 1-hydroxylering (CYP27B1 in de nieren). Het actieve calcitriol reist gebonden aan ‘vitamine D-binding protein’ naar doelwitcellen, onder meer in bot en darmmucosa. In de celkern bindt het aan de vitamine D-receptor, waardoor de genexpressie kan veranderen.

Horizon Bestaan er ‘niet-klassieke effecten’ van vitamine D en zijn hiervoor toepassingen? De klassieke effecten van 1,25-dihydroxycholecalcifererol komen tot stand met de trans-isomeer van de dubbele binding naast de A-ring en vereisen nucleaire receptoren (de vitamine D-receptor, VDR). Men heeft deze receptor ook op talrijke andere plaatsen in het lichaam gevonden zodat er een waaier van biologische effecten is die niet direct verbonden zijn aan het calciummetabolisme. Een voorbeeld is het gegeven dat vitamine D de proliferatie van kankercellen remt, zodat er gezocht wordt naar farmacologische vitamine D-analogen die weinig effect hebben op de calciëmie en een maximaal remmend effect op tumorcellen (Bouillon et al., 1995). Er zijn echter ook snelle effecten beschreven (minuten) die verklaard worden via binding van 1,25-dihydroxycholecalcifererol (vermoedelijk de cis-isomeer) op vitamine D-receptoren die in caveolae van de plasmamembraan geconcentreerd liggen (Norman, 2006). Diverse klinische studies ondersteunen de inname van vitamine D-supplementen in de bestrijding van osteoporose (verlies van botmassa, die versneld optreedt na de menopauze van de vrouw). Daarom wordt aan 65-plussers aangeraden dagelijks 800-1000 IE vitamine D in te nemen (Nieves, 2005). Dit ‘klassieke’ effect van vitamine D verbetert de botmassa en vermindert het risico op heupfracturen, een belangrijke oorzaak van morbi-

8

268

Hoofdstuk 8 • Vetzuur- en cholesterolafgeleiden

diteit en mortaliteit bij oudere mensen. Andere ‘niet-klassieke’ toepassingen van vitamine D lijken gerechtvaardigd gezien het wetenschappelijke bewijs (Kulie et al., 2009). Vitamine D-deficiëntie leidt tot een hoger risico op het ontwikkelen van kanker, waarbij een tekort aan 25-hydroxycholecalciferol als mogelijke oorzaak werd aangeduid (Tuohimaa, 2008). Er bestaat een associatie tussen genetische polymorfismen in het vitamine D-receptorsysteem en kanker, vooral borstkanker (Kostner et al., 2009). De invloed van 1,25-dihydroxycholecalciferol op kankercellen in weefselkweek duidt op een rechtstreeks antiproliferatief effect (Kriebitzsch et al., 2009). Chemische analogen van vitamine D veranderen de eigenschappen van T-cellen (Van Etten & Mathieu, 2005) en hebben daarom een gunstig effect op de auto-immuniteit in diermodellen van type-1-diabetes (Baeke et al., 2008).

Literatuur

8

Andreeva, A.V., Kutuzov, M.A. & Voyno-Yasenetskaya TA (2007). Regulation of surfactant secretion in alveolar type II cells. Am J Physiol. 293, L259–271. Andersson, H., Kaplan, P., Kacena, K. & Yee, J. (2008). Eight-year clinical outcomes of long-term enzyme replacement therapy for 884 children with Gaucher disease type 1. Pediatrics. 122, 1182–1190. Andersson, M. (1982). Female choice selects for extreme tail length in a widowbird. Nature 299, 818–820. Androutsopoulos, V.P., Tsatsakis, A.M. & Spandidos, D.A. (2009). Cytochrome P450 CYP1A1: wider roles in cancer progression & prevention. BMC. Cancer 9, 187. Austen, K.F. (2005). The mast cell & the cysteinyl leukotrienes. Novartis. Found. Symp. 271, 166–175. Austen, K.F. (2008). The cysteinyl leukotrienes: where do they come from? What are they? Where are they going? Nat. Immunol. 9, 113–115. Baeke, F., van Etten, E., Gysemans, C., Overbergh, L. & Mathieu, C. (2008). Vitamin D signaling in immune-mediated disorders: Evolving insights & therapeutic opportunities. Molec. Asp. Med. 29, 376–387. Bandeira-Melo, C. & Weller, P.F. (2003). Eosinophils & cysteinyl leukotrienes. Prostaglandins Leukot. Essent. Fatty Acids. 69, 135–143. Blankman, J.L. & Cravatt B.F. (2013). Chemical probes of endocannabinoid metabolism. Pharmacol Rev. 65, 849–871. Bouillon, R., Okamura, W.H. & Norman, A.W. (1995). Structure-function relationships in the vitamin D endocrine system. Endocr. Rev. 16, 200–257. Brady, R.O. (1998). Therapy for the sphingolipidoses. Arch. Neurol. 55, 1055–1056. Brune, K. & Furst, D.E. (2007). Combining enzyme specificity & tissue selectivity of cyclooxygenase inhibitors: towards better tolerability? Rheumatology. (Oxford). 46, 911–919. Celec, P. & Starka, L. (2003). Dehydroepiandrosterone - is the fountain of youth drying out? Physiol. Res. 52, 397–407. Dembitsky, V.M. (2004). Astonishing diversity of natural surfactants: 1. Glycosides of fatty acids & alcohols. Lipids. 39, 933–953. Dillon, J.S., Yaney, G.C., Zhou, Y., Voilley, N., Bowen, S., Chipkin, S., et al. (2000). Dehydroepiandrosterone sulfate & bèta-cell function: enhanced glucose-induced insulin secretion & altered gene expression in rodent pancreatic bèta-cells. Diabetes. 49, 2012–2020. Etten, E. van & Mathieu, C. (2005). Immunoregulation by 1, 25-dihydroxyvitamin D-3: Basic concepts. J. Steroid Biochem. & Mol. Biol. 97, 93–101. Fioretti, F.M., Sita-Lumsden, A., Bevan, C.L. & Brooke, G. (2014). Revising the role of the androgen receptor in breast cancer. J Mol Endocrinol. 52, R257–R265. Grinberg, A.V., Hannemann, F., Schiffler, B., Muller, J., Heinemann, U. & Bernhardt, R. (2000). Adrenodoxin: structure, stability, & elektron transfer properties. Proteins. 40, 590–612. Ji, R.R., Xu, Z.Z., Strichartz, G. & Serhan, C.N. (2011). Emerging roles of resolvins in the resolution of inflammation and pain. Trends Neurosci. 34, 599–609. Herzog, E.L., Brody, A.R., Colby, T.V., Mason, R. & Williams, M.C. (2008). Knowns and unknowns of the alveolus. Proc Am Thorac Soc. 5, 778–782.

Literatuur

269

Ketterson, E.D., Atwell, J.W. & McGlothlin, J.W. (2009). Phenotypic integration and independence: Hormones, performance, and response to environmental change. Integr Comp Biol. 49, 365–379. Kostner, K., Denzer, N., Muller, C.S.L., Klein, R., Tilgen, W. & Reichrath, J. (2009). The Relevance of Vitamin D Receptor (VDR) Gene Polymorphisms for Cancer: A Review of the Literature. Anticancer Res. 29, 3511–3536. Kriebitzsch, C., Verlinden, L., Eelen, G., Tan, B.K., Van Camp, M., Bouillon, R., et al. (2009). The impact of 1, 25(OH) (2)D-3 & its structural analogs on gene expression in cancer cells - a microarray approach. Anticancer Res. 29, 3471–3483. Kulie, T., Groff, A., Redmer, J., Hounshell, J. & Schrager, S. (2009). Vitamin D: An evidence-based review. J. Am. Board Family Med. 22, 698–706. Lanas, A. (2009). Nonsteroidal antiinflammatory drugs & cyclooxygenase inhibition in the gastrointestinal tract: a trip from peptic ulcer to colon cancer. Am. J. Med. Sci. 338, 96–106. Lee, V. & Maguire, J. (2014). The impact of tonic GABA(A) receptor-mediated inhibition on neuronal excitability varies across brain region and cell type. Front Neural Circuits. 8, 1–27. Lima, J.J. (2007). Treatment heterogeneity in asthma: genetics of response to leukotriene modifiers. Mol. Diagn. Ther. 11, 97–104. Luchicchi, A. & Pistis M. (2012). Anandamide and 2-arachidonoylglycerol: pharmacological properties, functional features, and emerging specificities of the two major endocannabinoids. Mol Neurobiol. 46, 374–392. Marchioli, R., Schweiger, C., Tavazzi, L. & Valagussa, F. (2001). Efficacy of n-3 polyunsaturated fatty acids after myocardial infarction: results of GISSI-Prevenzione trial. Gruppo Italiano per lo Studio della Sopravvivenza nell‘Infarto Miocardico. Lipids. 36(Suppl), S119–S126. Maegawa, G.H., Stockley, T., Tropak, M., Banwell, B., Blaser, S., Kok, F., et al. (2006). The natural history of juvenile or subacute GM2 gangliosidosis: 21 new cases & literature review of 134 previously reported. Pediatrics. 118, e1550–e1562. Martino, S., Costantino, J., McNabb, M., Mershon, J., Bryant, K., Powles, T. & Secrest, R.J. (2004). The role of selective estrogen receptor modulators in the prevention of breast cancer: comparison of the clinical trials. Oncologist. 9, 116–125. Mitchell, J.A. & Warner, T.D. (2006). COX isoforms in the cardiovascular system: understanding the activities of non-steroïdal anti-inflammatory drugs. Nat. Rev. Drug Discov. 5, 75–86. Myerowitz, R. (1997). Tay-Sachs disease-causing mutations & neutral polymorphisms in the Hex A gene. Hum. Mutat. 9, 195–208. Nacusi, L.P. & Tindall, D.J. (2011). Targeting 5α-reductase for prostate cancer prevention and treatment. Nat Rev Urol. 8, 378–384. Naurin, S., et al. (2011). The sex-biased brain: sexual dimorphism in gene expression in two species of songbirds. BMC Genomics. 12, 37. Nieves, J.W. (2005). Osteoporosis: the role of micronutrients. Am. J. Clin. Nutr. 81, 1232S–1239S. Nkadi, P.O., Merritt, T.A. & Pillers, D.A. (2009). An overview of pulmonary surfactant in the neonate: genetics, metabolism, & the role of surfactant in health & disease. Mol. Genet. Metab. 97, 95–101. Norman, A.W. (2006). Minireview: vitamin D receptor: new assignments for an already busy receptor. Endocrinology. 147, 5542–5548. Patte-Mensah, C., Kibaly, C. & Mensah-Nyagan, A.G. (2005). Substance P inhibits progesterone conversion to neuroactive metabolites in spinal sensory circuit: a potential component of nociception. PNAS 102, 9044–9099. Perera, F. (1981). Carcinogenicity of airborne fine particulate benzo(a)pyrene: an appraisal of the evidence & the need for control. Environ. Health Perspect. 42, 163–185. Peterson, M.P., et al. (2013). Testosterone affects neural gene expression differently in male and female juncos: a role for hormones in mediating sexual dimorphism and conflict. PloS One. 8, e61784. Pfeifer, G.P., Denissenko, M.F., Olivier, M., Tretyakova, N., Hecht, S.S. & Hainaut, P. (2002). Tobacco smoke carcinogens, DNA damage & p53 mutations in smoking-associated cancers. Oncogene. 21, 7435–7451. Possmayer, F., Yu, S.H., Weber, J.M. & Harding, P.G. (1984). Pulmonary surfactant. Can. J. Biochem. Cell Biol. 62, 1121–1133. Reddy, D.S. (2010). Neurosteroids: endogenous role in the human brain and therapeutic potentials. Prog Brain Res. 186, 113–137. Reisenberg, M., Singh, P.K., Williams, G. & Doherty P. (2012). The diacylglycerol lipases: structure, regulation and roles in and beyond endocannabinoid signalling. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 367: 3264–3275. Rostom, A., Dube, C., Lewin, G., Tsertsvadze, A., Barrowman, N., Code, C., et al. (2007). Nonsteroïdal anti-inflammatory drugs & cyclooxygenase-2 inhibitors for primary prevention of colorectal cancer: a systematic review prepared for the U.S. Preventive Services Task Force. Ann. Intern. Med. 146, 376–389.

8

270

8

Hoofdstuk 8 • Vetzuur- en cholesterolafgeleiden

Rosvall, K.A., et al. (2012). Neural sensitivity to sex steroids predicts individual differences in aggression: implications for behavioural evolution. Proc Biol Sci. 279, 3547–3555. Sansen, S., Yano, J.K., Reynald, R.L., Schoch, G.A., Griffin, K.J., Stout, C.D., et al. (2007). Adaptations for the oxidation of polycyclic aromatic hydrocarbons exhibited by the structure of human P450 1A2. J. Biol. Chem. 282, 14348–14355. Schlinger, B.A. & Remage-Healey, L. (2012). Neurosteroidogenesis: insights from studies of songbirds. J Neuroendocrinol. 24, 16–21. Soccio, R.E. & Breslow, J.L. (2003). StAR-related lipid transfer (START) proteins: mediators of intracellular lipid metabolism. J. Biol. Chem. 278, 22183–22186. Spyropoulos, B., Moens, P.B., Davidson, J. & Lowden, J.A. (1981). Heterozygote advantage in Tay-Sachs carriers? Am. J. Hum. Genet. 33, 375–380. Stoffel-Wagner B. (2001). Neurosteroid metabolism in the human brain. Eur J. Endocrinol. 145, 669–79. Tantisira, K.G. & Drazen, J.M. (2009). Genetics & pharmacogenetics of the leukotriene pathway. J. Allergy Clin. Immunol. 124, 422–427. Tuohimaa, P. (2008). Vitamin D, aging & cancer. Nutr. Rev. 66, S147–S152. Wang, M. (2011). Neurosteroids and GABA-A Receptor Function. Front Endocrinol (Lausanne) 2: 44. Waters, P., Vaid, M., Kishore, U. & Madan, T. (2009). Lung surfactant proteins A & D as pattern recognition proteins. Adv. Exp. Med. Biol. 653, 74–97. Weylandt, K.H., Chiu, C.Y., Gomolka, B., Waechter, S.F. & Wiedenmann B. (2012). Omega-3 fatty acids and their lipid mediators: towards an understanding of resolvin and protectin formation. Prostaglandins Other Lipid Mediat. 97, 73–82. White, P.C. (2009). Neonatal screening for congenital adrenal hyperplasia. Nat. Rev. Endocrinol. 5, 490–498. Wirbelauer, J. & Speer, C.P. (2009). The role of surfactant treatment in preterm infants & term newborns with acute respiratory distress syndrome. J. Perinatol. 29 Suppl 2, S18–S22. Zhang, M.J. & Spite M (2012). Resolvins: anti-inflammatory and proresolving mediators derived from omega-3 polyunsaturated fatty acids. Annu Rev Nutr. 32, 203–227. Zhou, S.F., Liu, J.P. & Chowbay, B. (2009). Polymorphism of human cytochrome P450 enzymes & its clinical impact. Drug Metab. Rev. 41, 89–295.

271

Aminozuurmetabolisme Samenvatting Hoofdstuk 9 behandelt een netwerk van metabole wegen die bewerkstelligen dat de twintig verschillende aminozuren voor eiwitsynthese voorradig zijn en dat er afgeleide moleculen kunnen worden bijgemaakt. Het hoofdstuk begint met het verschil tussen essentiële en niet-essentiële aminozuren. Alleen niet-essentiële aminozuren kunnen door de mens worden gemaakt; de essentiële aminozuren worden via de voeding in het lichaam opgenomen. Bij de afbraak van overtollige aminozuren besteden we aandacht aan stikstofeliminatie: het voor de hersenen toxische ammoniak wordt in de lever veilig in ureum verwerkt, dat in de urine wordt uitgescheiden. Inborn errors van het aminozuurmetabolisme zijn alkaptonurie, albinisme en fenylketonurie: voor de laatste worden alle pasgeboren baby’s gescreend. Een belangrijke afgeleide van glycine en succinyl-CoA is heem dat gebruikt wordt in hemoglobine en cytochromen; afbraak van deze stof levert bilirubine op die in de gal wordt uitgescheiden als diglucuronide. Andere van aminozuren afgeleide stoffen zijn polyaminen, stikstofmonoxide, catecholaminen, serotonine, melatonine, histamine en schildklierhormoon.

9.1 Inleiding – 273 9.2 Essentiële en niet-essentiële aminozuren – 274 9.2.1 Inleiding – 274 9.2.2 De novo synthese van niet-essentiële aminozuren – 276

9.3 Aminozuurkatabolisme – 280 9.3.1 Afbraak van het koolstofskelet van aminozuren – 280 9.3.2 Stikstof van aminozuurdegradatie wordt geëlimineerd als ureum – 284

9.4 Van aminozuren afgeleide stoffen – 289 9.4.1 Inleiding – 289 9.4.2 Creatine, carnitine en carnosine – 289 9.4.3 Heemsynthese – 291

F. C. Schuit, Leerboek metabolisme, DOI 10.1007/978-90-368-0620-6_9, © 2015 Bohn Stafleu van Loghum, onderdeel van Springer Media BV

9

9.4.4 Afbraak van heem – 294 9.4.5 Polyaminen – 297 9.4.6 Stikstofmonoxide (•NO) – 298 9.4.7 Catecholaminen – 300 9.4.8 Melanine – 302 9.4.9 Serotonine en melatonine – 304 9.4.10 Glutamine, glutamaat en GABA – 307 9.4.11 Thyroxine – 308 9.4.12 Histamine – 309

Literatuur – 310

9.1 • Inleiding

273

9.1 Inleiding

In dit hoofdstuk bewandelen we een reeks metabole wegen waarin aminozuren op de voorgrond treden. Een uitgangspunt is dat de wandelaar niet het gevoel krijgt in een doolhof terecht te zijn gekomen. Er bestaat hier immers een grotere complexiteit in het netwerk van elkaar kruisende en vertakkende wegen dan in de voorgaande hoofdstukken. We zullen daarom zo veel mogelijk vereenvoudigen en hoofdzaak scheiden van bijkomstigheden. De eerste prioriteit van een cel is om steeds over een toereikende voorraad van elk van de twintig aminozuursoorten te beschikken, om de eiwitsynthese (de bevraging van aminozuurtRNA’s door ribosomen) vlot te laten verlopen. Eiwitten staan immers centraal in het uitvoeren van ontelbare functies die het leven mogelijk maken. Hiervoor worden van elk type aminozuur de bijbehorende aminozuur-tRNA’s gemaakt als bouwstenen voor de translatie. Daarnaast dienen aminozuren als bouwsteen voor opbouw van de basen van DNA en RNA (7 H. 10) en van belangrijke membraanfosfolipiden. Aminozuren zijn ook potentiële brandstof voor het energiemetabolisme (7 H. 4) en dit heeft twee belangrijke implicaties. Enerzijds moet het koolstofskelet worden omgebouwd, waarbij men het onderscheid maakt tussen glucogene en ketogene aminozuren. Anderzijds ontstaat er door de verbranding van aminozuren stikstofafval (ammoniak), dat op een chemisch veilige manier (ureum) wordt uitgescheiden. Ten slotte zijn aminozuren bouwsteen van heem, de ijzerhoudende molecuul die zuurstof kan transporteren of via een redoxketen kan reduceren (7 H. 5). Er zijn echter ook bijzondere metabole paden waarin gespecialiseerde cellen bijzondere afgeleide moleculen opbouwen vanuit welbepaalde aminozuren. Een eerste voorbeeld is communicatie via hormonen en neurotransmitters, waarbij van aminozuren afgeleide stoffen een grote rol spelen. Neurotransmitters zijn ofwel directe afgeleiden van aminozuren (acetylcholine, noradrenaline, dopamine, serotonine, GABA) ofwel ongewijzigde aminozuren (glutamaat, glycine). Histamine is een ander voorbeeld van een signaaldragende aminozuurafgeleide, evenals schildklierhormoon en stikstofmonoxide (NO). Het idee wordt verder versterkt als we beseffen dat er taltijke oligopeptiden en polypeptiden bestaan die functioneren als neuropeptiden, hormonen of groeifactoren. We zullen ook stilstaan bij de omzetting van tyrosine in melanine, het belangrijkste pigment in huid, haar en iris van de ogen. Het bovenstaande maakt dat een evenwichtig mengsel van de verschillende aminozuren een bijzonder groot belang heeft voor het reilen en zeilen van alle lichaamscellen, maar ook voor onderlinge communicatie tussen organen en cellen. Daarom gaan we beginnen met de vraag hoe het organisme dit evenwichtige mengel kan garanderen. We zullen het onderscheid maken tussen aminozuren die we zelf met menselijke enzymen in elkaar kunnen omzetten (dit zijn de niet-essentiële aminozuren) en aminozuren die we niet zelf kunnen maken (de essentiële aminozuren). Deze laatste hebben we daarom dagelijks nodig in onze voeding en hiermee sluit dit hoofdstuk aan op 7 H. 11. Leerdoelen 55 het belangrijke verschil tussen essentiële en niet-essentiële aminozuren begrijpen; 55 inzicht in het tot stand brengen van een evenwichtig mengsel van de verschillende aminozuren; 55 inzicht in de veilige excretieweg van stikstofafval van de afbraak van aminozuren 55 inzicht in de bestemming van het koolstofskelet van de aminozuurverbranding; 55 een goed overzicht opbouwen van de diverse van aminozuren afgeleide stoffen.

9

274

Hoofdstuk 9 • Aminozuurmetabolisme

. Figuur 9.1  Het aminozuurhuishouden van een cel is in de eerste plaats gericht op het beschikbaar hebben van een voldoende voorraad van elk van de aminoacyl-tRNA’s (AA-tRNA’s) die nodig zijn voor de eiwitsynthese. Het verschil tussen essentiële en niet-essentiële aminozuren is dat deze laatste via de novo synthese kunnen worden bijgemaakt vanuit een koolstof- en stikstofbron. Andere wegen om vrije aminozuren toe te voegen aan de voorraad staan aangeduid. Hergebruik van aminozuren uit ‘versleten’ eiwitten is een optie. Een andere optie is opname van vrije aminozuren via een batterij membraantransporters. Een derde optie vertrekt van receptorgemedieerde endocytose van eiwitten (bijvoorbeeld ApoB100 in LDL) en lysosomiale eiwitvertering.

9

Studeeraanwijzing Door het gevaar van het doolhofeffect is het belangrijk om de grote lijnen te blijven zien. Hierbij helpt het om te zoeken naar aanknopingspunten met andere hoofdstukken van het boek (7 H. 4,10,11). De tijd die nodig is voor het verwerken van de kernleerstof van dit hoofdstuk wordt geschat op 12-15 uur.

9.2 Essentiële en niet-essentiële aminozuren 9.2.1 Inleiding

Elke cel moet voortdurend in staat zijn om versleten eiwitten te vervangen door nieuwe en heeft hiervoor op elk moment de aminozuurbouwstenen nodig die worden omgezet tot aminozuur-tRNA’s. Van elk van de twintig aminozuren voor de eiwitsynthese wordt er daarom een voorraadje in de cel aangelegd. Nieuwe moleculen worden voor elk van deze aminozuren aan de voorraad toegevoegd via drie mechanismen (. figuur 9.1): 55 Recycleren van aminozuren door de afbraak van versleten of overbodige cellulaire eiwitten. De verouderde eiwitten van de cel kunnen ook via lysosomale proteasen worden afgebroken tot aminozuren, of via het proteasoom, dit na de covalente verbinding van het af te breken eiwit aan ubiquitine. 55 Opname van vrije aminozuren door de plasmamembraan; dit vereist een batterij aminozuurtransporters die specifiek zijn voor bepaalde aminozuren (cysteïne, grote neutrale, kationische, kleine alifatische). Voor sommige van deze transporters bestaat er een inborn error of metabolism. Een voorbeeld is de ziekte van Hartnup, die veroorzaakt wordt door mutaties in het SLC6A19-gen dat codeert voor de neutrale aminozuurtransporter.

275

9.2 • Essentiële en niet-essentiële aminozuren

. Tabel 9.1  Essentiële en niet-essentiële aminozuren. Essentieel

Aantal stappen*

Mol%**

Aantal codons***

Niet-essentieel

Aantal stappen*

Mol%

Aantal codons

histidine

10

2

2

alanine

1

9

4

5

5

6

isoleucine

6

5

3

arginine1

lysine

7

7

2

aspartaat

1

6

2

leucine

5

8

6

asparagine

2

4

2

2

3

2

methionine

7

2

1

cysteïne2

threonine

2

6

4

glutamaat

1

6

2

fenylalanine

10

4

2

glutamine

2

4

2

tryptofaan

16

1

1

glycine

1

8

4

valine

6

7

4

proline

3

5

4

serine

2

7

6

tyrosine3

11

3

2

1 Essentieel aminozuur bij kinderen; niet-essentieel bij volwassenen; 2 Cysteïne kan ook worden gevormd uit een essentieel aminozuur (methionine); 3 Tyrosine kan in één stap worden gevormd uit een essentieel aminozuur (fenylalanine); * Het aantal verschillende enzymatische stappen voor de de novo synthese; bron: 7 http://www.genome. jp/kegg/pathway.html#amino; ** Molaire aminozuursamenstelling van menselijk eiwit (benaderd door melkeiwit); *** Aantal synonieme codons in de genetische code voor mRNA-translatie.

55 Opname van eiwitten, bijvoorbeeld LDL of transferrine, door receptorgemedieerde endocytose (7 figuur 7.21). Een specifieke receptor brengt het eiwitligand in de cel, waar het in de lysosomen wordt afgebroken tot vrije aminozuren; om deze aminozuren te laten diffunderen naar het cytoplasma, is weer een batterij aminozuurtransporters in de lysosomale membraan nodig. Bijzondere situaties ten opzichte van het schema van aminozuuropname in . figuur 9.1 doen zich voor in de skeletspier van een vastende persoon, waar aminozuren via dezelfde transporters de cellen verlaten. In de niertubuli en darmepitheelcellen worden de uit het lumen opgenomen aminozuren (apicale pool) weer afgegeven aan de bloedbaan (basale pool). Een andere bijzondere situatie is de eliminatie van de overtollige aminozuren door de lever en de detoxificatie van de hierdoor vrijgemaakte stikstof als ureum. Voor ongeveer de helft van de aminozuren die gebruikt worden voor de eiwitsynthese, bestaat er een vierde optie, namelijk de novo synthese van nieuwe aminozuren met behulp van een koolstofskelet en een stikstofbron. Deze helft wordt samen niet-essentiële aminozuren genoemd en hun synthese wordt hierna besproken (7 par. 9.2.2). De andere helft kan niet de novo worden geproduceerd en moet dus worden gerecycleerd uit oude eiwitten of worden opgenomen uit de extracellulaire ruimte. Dit zijn de essentiële aminozuren. Beide groepen staan in . tabel 9.1 op een rij. De onderverdeling in essentiële en niet-essentiële aminozuren is niet altijd even scherp. Zo kunnen volwassenen genoeg arginine produceren door het gedeeltelijk doorlopen van de

9

276

Hoofdstuk 9 • Aminozuurmetabolisme

ureumcyclus (dus niet essentieel) terwijl groeiende kinderen een extra argininebron nodig hebben in hun voeding (dus essentieel). Anderzijds wordt het tyrosine gemaakt door oxidatie van fenylalanine, dat zelf een essentieel aminozuur is, en kan cysteïne worden gemaakt uit het essentiële methionine. Wanneer het dieet relatief weinig fenylalanine of methionine bevat, worden tyrosine en cysteïne dus nodig in de voeding. De essentiële aminozuren bevatten de vertakte alifatische aminozuren (leucine, isoleucine en valine), de ingewikkelde aromatische ringen (fenylalanine en tryptofaan) en de basische aminozuren (histidine, lysine en arginine; de laatste alleen bij kinderen) en ten slotte threonine en methionine. Evolutie

9

Essentiële versus niet-essentiële aminozuren Auxotrofe organismen zijn in staat om alle twintig aminozuurbouwstenen voor de eiwitsynthese op te bouwen. Heterotrofen hebben een deel van dit vermogen verloren. Het is wellicht geen toeval dat de de novo synthesecapaciteit voor de meest ingewikkelde biosynthetische wegen tijdens de evolutie van vele heterotrofen verloren is gegaan (. tabel 9.1), terwijl de ‘gemakkelijke’ biosynthesewegen nog altijd door eigen lichaamscellen kunnen worden uitgevoerd. Uitzonderingen zijn tyrosine en arginine, maar een verklaring is dat de mens de vijf biosynthetische stappen van arginine voor een heel ander doel nodig heeft, namelijk de stikstofeliminatie (ureumcyclus), en daarnaast tyrosine ook in één stap kan maken uit fenylalanine. Het lijkt ook logisch dat de novo synthese van heem en de basen van DNA en RNA vertrekken van niet-essentiële aminozuren. Als we kijken naar de molaire aminozuursamenstelling in eiwitten, dan vertegenwoordigen de niet-essentiële aminozuren samen ongeveer 45%. Het zeer moeilijk te produceren tryptofaan is schaars in de natuur en wellicht is de genetische code hieraan aangepast doordat de bevraging van ribosomen voor dit aminozuur maar door één specifiek codon gebeurt.

9.2.2 De novo synthese van niet-essentiële aminozuren

Vertrekpunt: glutamaat en glutamine

De synthese van niet-essentiële aminozuren vereist niet alleen een koolstofskelet en energie (ATP), maar ook een bron van stikstofatomen en de enzymen om de opbouw te katalyseren. Een paar van deze enzymen en hun reacties zullen nu worden besproken. We kunnen beginnen met glutamaatdehydrogenase (GLUD1) dat een belangrijke reactie katalyseert, die alfa-ketoglutaraat omzet in glutamaat (.  figuur  9.2). Hierbij wordt ammoniak (NH4+) ingebouwd, waarbij NADPH een reducerend elektronenpaar levert. We zullen in 7 par. 9.3 zien dat glutamaatdehydrogenase ook in de omgekeerde richting zal katalyseren, waardoor glutamaat wordt omgezet tot NH4+ en alfa-ketoglutaraat, maar hiervoor wordt NAD gebruikt in plaatst van NADP. De meeste weefsels beschikken over een forse expressie van het ATP-verbruikende enzym glutamaat-ammonia ligase (glutaminesynthetase) (GLUL), dat een tweede ammoniak gebruikt om de gamma-carboxylgroep van glutamaat te amideren tot de zijketen van glutamine (. figuur 9.2). Deze reactie is niet alleen nuttig om glutamine te maken, maar ook om het giftige ammoniak in de hersenen op te ruimen. Asparagine kan op een analoge wijze worden gemaakt uit ATP en aspartaat, of door transamidatie ontstaan uit aspartaat en glutamine. Aminotransferasen (transaminasen) katalyseren de overdracht van een alfa-aminogroep van een aminozuur naar een alfa-ketozuur, met vorming van een nieuw alfa-ketozuur en een

9.2 • Essentiële en niet-essentiële aminozuren

277

. Figuur 9.2  Productie van glutamaat en glutamine. Boven: glutamaatdehydrogenase (GLUD1) zorgt voor de reductie van de ketogroep van alfa-ketoglutaraat met NADPH-elektronen en tegelijk incorporatie van ammoniak (NH4+), zodat glutamaat ontstaat. Onder: glutamaat-ammonia ligase (GLUL) bouwt een tweede ammmoniak in glutamaat in (dit kost ATP) met vorming van glutamine.

. Figuur 9.3  Aminotransferasen (transaminasen) dragen een alfa-aminogroep van een aminozuur over op een alfa-ketozuur, met vorming van een nieuw alfa-ketozuur en een nieuw aminozuur. Twee belangrijke transaminasen, alaninetransaminase (ALT of GPT) en aspartaattransaminase (AST of GOT1), vertrekken in de lever vanuit glutamaat en vormen respectievelijk alanine en aspartaat.

nieuw aminozuur (. figuur 9.3). Deze enzymen maken gebruik van de pyridoxaalgroep die een afgeleide is van vitamine B6.Vanuit glutamaat kunnen cellen zo in één stap alanine en aspartaat vormen vanuit respectievelijk pyruvaat en oxaloacetaat. De verantwoordelijke enzymen zijn het glutmaat-pyruvaattransaminase (GPT) – dat ook alaninetransaminase (ALT) wordt genoemd – en het glutmaat-oxalocetaattransaminase (GOT1 en GOT2) met als alternatieve naam aspartaattransaminase (AST). Merk op dat beide enzymen ook in omgekeerde richting kunnen worden gebruikt om glutamaat te genereren vanuit alanine of vanuit aspartaat (.  figuur 9.3). Deze beide enzymen komen, samen met andere enzymen van het aminozuurmetabolisme, zoals glutamaatdehydrogenase, glutaminesynthetase, de enzymen van de ureumcyclus en glutaminase, in hoge mate tot expressie in de lever. Daarom worden beide enzymen in het circulerende bloed als serum-aminotransferasen opgespoord bij patiënten bij wie het vermoeden bestaat van levercellulaire schade (Woreta & Alqahtani, 2014). Vooral bij acute toxische, ischemische of virale beschadiging van levercellen stijgen de serum-aminotransferasen sterk boven de normale referentiewaarden (Woreta &

9

278

9

Hoofdstuk 9 • Aminozuurmetabolisme

. Figuur 9.4  A Tetrahydrofolaat (THF), een van de chemische vormen van foliumzuur is opgebouwd uit de stikstofdragende pteridine-ring (links), para-aminobenzoëzuur en ten minste één glutamaatresidu (blauw). Het opnemen van een metabool actief koolstofatoom gebeurt ter hoogte van de rood gekleurde N5- en N10stikstofatomen van het molecuul. B THF draagt geactiveerde methylgroepen in diverse oxidatietoestanden. Hier is alleen het deel van de structuur van N5,N10-methyleen-THF getoond, dat nodig is voor de synthese van thymine.

Alqahtani, 2014). Bij chronische virale hepatitis of sluipende levercelschade (alcoholisme) is de stijging in AST en ALT beperkter en moeten herhaaldelijk metingen worden gedaan om de resultaten te kunnen interpreteren. Bij deze patiënten heeft de evolutie van de serumtransaminasespiegel vaak een prognostische betekenis. Er bestaan in het menselijke metabolisme nog andere transaminasen, maar deze zijn minder belangrijk in een medische context. Een voorbeeld is het fosfoserine-aminotransferase (PSAT1 – overdracht van de aminogroep van glutamaat naar 3-fosfohydroxypyruvaat, met vorming van 3-fosfoserine dat wordt omgezet tot serine).

Foliumzuur en de synthese van glycine

Serine ontstaat niet alleen via de hierboven beschreven transaminatie, maar kan ook glycine vormen door deel te nemen aan het C1-metabolisme. Hierin speelt foliumzuur, een van de bestanddelen van het vitamine B-complex, een grote rol. Foliumzuur (.  figuur 9.4) bevat een reactief centrum waarin twee stikstofatomen (N5 en N10) betrokken zijn voor de opname van een C1-groep in diverse oxidatietrappen (. figuur 9.4A). Glycine wordt gemaakt vanuit serine doordat dit aminozuur een C1-unit afstaat aan tetrahydrofolaat (THF). Het aldus gevormde N5,N10-methyleen-THF kan deze C1-units afdragen aan verschillende biomoleculen in een methyleringsreactie. Een medisch relevant voorbeeld is de methylering van uracil met vorming van thymine (. figuur 9.4B). Op deze reactie zal verder worden ingegaan in 7 par. 10.4.2. De redoxtoestand van de C1-unit in N5,N10-methyleen-THF kan veranderen in -CH3 (methyl-THF - enzym = methyleentetrahydrofolaat reductase (MTHFR)) of -CHO (formyl-THF - trifunctioneel enzym MTHFD1 = methyleentetrahydrofolaat dehydrogenase - cyclohydrolase - formyltetrahydrofolate synthetase). Formyl-THF wordt tweemaal gebruikt bij de de novo synthese van de purinebasen (7 par. 10.2).

9.2 • Essentiële en niet-essentiële aminozuren

279

. Figuur 9.5  De geactiveerde CH3-cyclus. Startpunt (linksboven) is S-adenosylmethionine, dat een positief geladen zwavelatoom bevat met daarop de geactiveerde methylgroep (in cirkel). De enzymen zijn S-adenosylmethioninesynthase (MAT1A en MAT2A), S-adenosylhomocysteïnehydrolase (AHCY), 5-methyltetrahydrofolatehomocysteïnemethyltransferase (MTR) en een reeks methyltransferasen die de geactiveerde methylgroep overdragen (methylering).

S-adenosylmethionine (SAM) en de synthese van zwavelhoudende aminozuren

N5-methyl-THF wordt gebruikt voor de synthese van methionine uit homocysteïne (.  figuur 9.5). Dit laatste molecuul is een zwavelhoudend aminozuur dat niet gebruikt wordt voor de eiwitsynthese, maar dat tussenkomt in de geactiveerde methylcyclus. Deze cyclus vertrekt van S-adenosylmethionine (SAM), dat een driewaardig en positief geladen zwavelatoom bevat, waardoor de methylgroep op dit zwavelatoom bijzonder sterk geactiveerd is (.  figuur 9.5) en gebruikt kan worden voor de meest energievragende methyleringsreacties. SAM wordt uit methionine via twee paraloge S-adenosylmethioninesynthasen (MAT1A en MAT2A) opgebouwd met energetische hulp van ATP, waarbij de drie fosfaatgroepen van het adenosinegedeelte worden afgesplitst. Wanneer SAM zijn geactiveerde methylgroep afstaat, ontstaat S-adenosylhomocysteïne, dat door het enzym S-adenosylhomocysteïnehydrolase (AHCY) gesplitst wordt in homocysteïne en adenosine. Methionine kan weer uit homocysteïne worden gevormd door aanbouw van een methylgroep, die wordt geleverd door N5-methyl-THF. Deze methyloverdracht wordt gekatalyseerd door 5-methyltetrahydrofolate-homocysteïnemethyltransferase (MTR), een enzym dat vitamine B12 als co-enzym draagt. De regeneratie van methionine en de isomerisatie van methylmalonyl-CoA tot succinylCoA zijn de enige twee reacties in het menselijk lichaam die vitamine B12 nodig hebben. Op deze wijze ontstaat een kringloop die de geactiveerde CH3-cyclus wordt genoemd (. figuur 9.5). Deze cyclus is noodzakelijk voor een arsenaal van methyleringsreacties die het chromatine epigenetisch veranderen (histonen- en DNA-methylering), hetgeen cruciaal is voor epigenetische invloeden op het gebruik van het genoom. Andere methyleringsreacties die vertrekken van

9

280

Hoofdstuk 9 • Aminozuurmetabolisme

SAM zorgen voor de gemethyleerde 5’-CAP van mRNA’s, voor de omzetting van noradrenaline in adrenaline en voor de synthese van choline (7 figuur 8.4). Horizon Waarom is homocysteïne een metabole risicofactor? Homocysteïne is niet alleen een tussenproduct in de geactiveerde CH3-cyclus maar ook de zwaveldonor in de biosynthese van cysteïne die ook vertrekt van serine:

homocysteïne + serine → cystathionine cystathionine → NH 4 + + alfa − ketobutyraat + cysteïne

9

De eerste reactie komt neer op een condensatie waarbij er een thio-ether ontstaat; de tweede reactie, die wordt gekatalyseerd door cystathionase (CTH), komt neer op een hydrolyse van de thio-ether. Epidemiologisch onderzoek toont een positieve correlatie aan tussen de homocysteïneconcentratie in het bloed en het risico op hart- en vaatziekten. In een recente meta-analyse van meer dan twintig studies uit de afgelopen 25 jaar werd het cardiovasculair risico met ongeveer 20% verhoogd per 5 micromol/liter verhoging van de homocysteïneconcentratie in het bloed (Humphrey et al., 2008). Deze correlatie is een belangrijke ontdekking, maar zegt nog niets over het eventuele causale verband en het eventuele ziektemechanisme, dat voorlopig nog onopgehelderd is. Een mogelijk mechanisme verloopt via S-adenosylhomocysteïne, waarvan een gestegen plasmaspiegel ook correleert met cardiovasculair risico (Wagner & Koury, 2007). S-adenosylhomocysteïne is een remmer van door SAM uitgevoerde methyleringen. Omdat zowel vitamine B6 als foliumzuur en vitamine B12 betrokken zijn bij de recyclage van methionine uit homocysteïne, is er een verband tussen inname van deze drie vitaminen in het voedsel en de homocysteïneconcentratie in het bloed (McCully, 2007). Een dergelijk verband kan de basis zijn van preventieve geneeskunde waarbij een gezonde voeding bijdraagt tot verlaging van een metabole risicofactor. Nieuwe inzichten leggen een verband tussen een normale redoxhuishouding en een normale methylering (o.a. van chromatine), de zogeheten methoxistasis (Joseph & Loscalzo, 2013); een gestegen homocysteïneconcentratie in het bloed zou een merker kunnen zijn voor een niet of onvoldoende werkende methoxistasis.

9.3 Aminozuurkatabolisme 9.3.1 Afbraak van het koolstofskelet van aminozuren

Het koolstofskelet van aminozuren is een uitstekende brandstof, die in de mitochondriale matrix kan worden geoxideerd tot CO2. Dit gegeven werd al in 7 H. 4 besproken (7 vooral figuur 4.15 voor het onderscheid tussen ketogene en glucogene aminozuren). Belangrijke modaliteiten om deze verbranding uit te voeren, eerder dan de aminozuren te gebruiken voor eiwitsynthese of voor het maken van aminozuurafgeleiden, zijn: 55 het bestaan van een overschot aan aminozuren vanwege een teveel aan opgenomen voedingseiwitten; de lever zal dergelijke aminozuren omzetten tot glucose, ketonlichamen of vetzuren en zelf verbranden om de eigen ATP-behoefte te dekken (7 par. 4.5);

9.3 • Aminozuurkatabolisme

281

. Figuur 9.6  Enzymatische afbraak van fenylalanine en tyrosine. Fenylalanine (1) wordt door het fenylalaninehydroxylase (PAH) omgezet tot tyrosine (2). Tyrosine wordt daarna in de lever via tyrosine-aminotransferase (TAT) omgevormd tot para-hydroxyfenylpyruvaat (3), dat door 4-hydroxyfenylpyruvaat dioxygenase (HPD) verder geoxideerd wordt tot homogentisaat (4). De aromatische ring van homogentisaat wordt vervolgens met zuurstof opengebroken door homogentisaat-1,2-dioxygenase (HGD); zo ontstaat maleylacetoacetaat (5), dat dankzij maleylacetoacetaat isomerase (MAAI) verder afgebroken wordt tot fumarylacetoacetaat (6). De laatste stap in de afbraak gebeurt door fumarylacetoacetase (FAH), dat fumarylacetoacetaat splitst in fumaraat en acetoacetaat (7).

55 tijdens een periode van vasten, waarbij de lever de stroom van aminozuren, die in het bloed verschijnt door de hydrolyse van mobiliseerbare spiereiwitten, omzet tot glucose (gluconeogenese) of ketonlichamen (ketogenese, 7 par. 4.4.3 en 7 par. 12.5); 55 afbraak van fenylalanine en tyrosine tot acetoacetaat en fumaraat is medisch belangrijk; zij verloopt via een reeks oxidaties die gebruik maken van moleculaire zuurstof om de aromatische ring open te breken (. figuur 9.6) om uiteindelijk fumaraat en acetoacetaat op te leveren (hierdoor zijn tyrosine en fenylalanine gemengd ketogeen en glucogeen). Normaal wordt in een menselijk lichaam ongeveer 75% van de door de voeding ingenomen fenylalanine omgezet in tyrosine en 25% ingebouwd in eiwitten. Zoals verderop in dit hoofdstuk wordt besproken, is tyrosine bovendien de voorloper van belangrijke afgeleide stoffen, zoals dopamine, adrenaline en melanine. Overschotten van fenylalanine en tyrosine worden in de lever afgebroken via de gemengd ketogene/glucogene-weg (. figuur 9.6). De eerste stap van deze weg wordt gekatalyseerd door het medisch belangrijke enzym fenylalaninehydroxylase (PAH), een mono-oxygenase, dat tetrahydrobiopterine nodig heeft als co-enzym. Tijdens de tweede stap van deze afbraak zal het enzym tyrosine-aminotransferase (tyrosinetransaminase) (TAT in .  figuur  9.6) tyrosine transamineren tot para-hydroxyfenylpyruvaat dat door het enzym 4-hydroxyfenylpyruvaat dioxygenase (HPD in .  figuur 9.6) wordt geoxideerd tot homogentisaat. Dit metaboliet wordt via homogentisaat-1,2-dioxygenase (HGD) verder geoxideerd tot maleylacetoacetaat. Maleylacetoacetaat moet nog via een isomerase (MAAI) omgezet worden tot fumarylacetoacetaat, dat door fumarylacetoacetase (FAH) wordt gekliefd in fumaraat en acetoacetaat. Medisch gezien is de eerste reactie de belangrijkste en we zullen die nu meer in detail bespreken.

Fenylketonurie

Meer dan 300 nu bekende erfelijke mutaties in het gen dat codeert voor het enzym fenylalaninehydroxylase (.  figuur  9.7), zijn de oorzaak van een stofwisselingsziekte van het aminozuurmetabolisme: de fenylketonurie (PKU) (Hoeks et al., 2009). Het gaat om een autosomaal

9

282

Hoofdstuk 9 • Aminozuurmetabolisme

. Figuur 9.7  Fenylalaninehydroxylase (PAH) oxideert de benzeenring van fenylalanine met moleculaire zuurstof, zodat tyrosine ontstaat. Het tweede zuurstofatoom wordt gereduceerd tot water met het op THF gelijkende tetrahydrobiopterine dat gerecycled wordt via het enzym quinoid dihydropteridine reductase (QDPR).

9

recessieve aandoening met een incidentie van ongeveer 1 op 20.000 geboorten (de frequentie van mutante allelen van dit gen in onze bevolking is iets minder dan 1%). Bij PKU-patiënten zijn de mutaties verantwoordelijk voor een te trage omzetting van fenylalanine tot tyrosine en hierdoor ontstaan twee problemen: 55 opstapeling van fenylalanine; 55 tekort aan tyrosine. De opstapeling van fenylalanine in het bloed (hyperfenylalaninemie) veroorzaakt competitie ter hoogte van de passage door de bloed-hersenbarrière met andere voor de hersenen belangrijke aromatische aminozuren (tyrosine en tryptofaan). In levercellen leidt opstapeling van fenylalanine tot een uitweg via het eerder besproken tyrosinetransaminase fenylalanine omzet tot fenylpyruvaat, dat wordt uitgescheiden in de urine (vandaar de naam fenylketonurie). Het tweede probleem van de gestoorde enzymatische flux is een daling van de tyrosineconcentratie in het bloed, wat het tekort aan tyrosine zal verergeren ter hoogte van neuronen die van deze voorloper dopamine en noradrenaline moeten maken. Ter hoogte van de melanocyten in de huid zal er ook minder tyrosine beschikbaar zijn voor de biosynthese van melanine, wat een lichte pigmentatie van de patiënten verklaart. Het belangrijkste klinische gevolg van onbehandelde PKU is de irreversibele achterstand in de ontwikkeling van de hersenen, waarvan de ernst samenhangt met de mate van enzymdeficiëntie. Behandeling vanaf de geboorte met een eiwitarm dieet, aangevuld met een kunstmatig mengsel van 19 aminozuren (fenylalanine uitgezonderd) kan hersenschade voorkomen. Daarom moet men de opstapeling van fenylalanine in het bloed direct na de geboorte opsporen, zodat men onmiddellijk kan starten met het dieet. De opsporing van de opstapeling van fenylalanine in het bloed gebeurt daarom systematisch in een druppetje bloed bij alle pasgeborenen met behulp van de Guthrie-test. Andere congenitale (metabole) ziekten die in België en Nederland via een neonatale screening worden opgespoord, zijn de aangeboren hypothyreoïdie en het adrenogenitaalsyndroom. Bij eventuele verdere uitbreiding naar andere stofwisselingsziekten dient telkens een kosten-batenanalyse te worden gemaakt: een afweging van de eventueel gebruikte middelen in vergelijking met alternatieve besteding in de gezondheidszorg (Autti-Rämö et al., 2005). Het dieet is niet eenvoudig door de patiënten vol te houden, zodat een goede coaching welkom is (Camp et al., 2012). Er moet bij een dieet ook rekening gehouden worden met andere bronnen van fenylalanine, zoals de zoetmaker aspartaam.

9.3 • Aminozuurkatabolisme

283

Bij een andere stofwisselingsziekte van het aminozuurmetabolisme, de alkaptonurie is het homogentisaat-1,2-dioxygenase (HGD) defect, zodat homogentisaat zich opstapelt en symptomen veroorzaakt. Pioniers Sir Archibald Garrod Fenylketonurie is dus een medisch erg belangrijk voorbeeld van een inborn error of metabolism. De naam voor dit concept werd in 1902 bedacht door Sir Archibald Garrod (1857-1936) naar aanleiding van een andere erfelijke stoornis in de afbraak van fenylalanine, namelijk de alkaptonurie. Deze stofwisselingsziekte wordt veroorzaakt door mutaties in het gen dat codeert voor homogentisaat 1,2-dioxygenase (HGD in . figuur 9.6), dat onder normale omstandigheden de aromatische ring van homogentisaat opent. Het eigenlijke gen en de details van de mutaties werden pas bijna een eeuw later dan het pionierswerk van Garrod opgespoord (Granadino et al., 1997). Bij alkaptonuriepatiënten wordt homogentisaat in de urine uitgescheiden. Deze stof wordt door zuurstof uit de lucht geoxideerd tot een zwart pigment, wat de naam van de ziekte uitlegt. Alkaptonurie veroorzaakt geen hersenschade, maar zal op den duur wel leiden tot ochronosis (de geleidelijke afzetting van grijsbruin tot blauwzwart pigment in kraakbeen (oorschelp), ligamenten en pezen, in het ‘wit’ van de oogbol) en artritis (gewrichtsontsteking). Naast de specifieke bijdrage tot de opheldering van het mechanisme van alkaptonurie verlegde Garrod met zijn concept ‘inborn error of metabolism’ de grenzen van de wetenschap met één reusachtige beweging, zodat zijn werk een steunpilaar werd voor het werk van vele andere wetenschappers. Garrods werk vertegenwoordigt zonder meer een van de belangrijkste mijlpalen in de geschiedenis van metabool onderzoek, omdat het een direct verband legde tussen genen en enzymen. Een review van het belang van dit werk staat in de literatuurlijst (Prasad & Galbraith, 2005).

Figuur: Alkaptonurie is een stofwisselingsziekte van de oxidatie van homogentisaat tot maleylacetoacetaat, dat ligt op de weg van de volledige verbranding van fenylalanine en tyrosine. De ‘uitvinder’ van het belangrijke concept van de ‘inborn error of metabolism’ was Archibald Garrod (1857-1936). Niet alleen mutaties van het PAH-gen, maar ook zeldzamee inborn errors van het aminozuurmetabolisme kunnen aanleiding geven tot ontwikkelingsproblemen van het centraal zenuwstelsel (Gropman, 2012). Oorzaak van een zeer zeldzame vorm van fenylketonurie is mutatie in het quinoïddihydropteridinereductase(QDPR)-gen (Shintaku, 2002), waardoor tetrahydrobiopterine, de cofactor van fenylalaninehydroxylase (. figuur 9.7), niet

9

284

Hoofdstuk 9 • Aminozuurmetabolisme

kan worden gemaakt. Omdat tetrahydrobiopterine ook nodig is voor andere aromatische aminozuurhydroxylasen (zoals tryptofaanhydroxylase voor de synthese van serotonine) is deze vorm van fenylketonurie veel ernstiger dan de ‘klassieke’ vorm. Een andere inborn error van de tyrosineafbraak leidt tot tyrosinemie, dat gekenmerkt wordt door zelfmutilatie, mentale retardatie en leverbeschadiging. Ook hierbij is de competitie met opname van tryptofaan door de hersenen een belangrijk mechanisme voor de mentale retardatie. Verschillende genen kunnen door mutatie en deficiëntie van de gecodeerde enzymen een analoog fenotype uitlokken. Voorbeelden zijn fumarylacetoacetase (FAH) of tyrosine-aminotransferase (TAT). De tyrosinemie is een van de metabole aandoeningen van de lever die in aanmerking komt voor levertransplantatie als behandelingswijze (Moini et al., 2010).

9.3.2 Stikstof van aminozuurdegradatie wordt geëlimineerd als ureum

9

In deze paragraaf wordt aandacht besteed aan het punt dat de koolstofverbranding van de aminozuurskeletten gepaard gaat met iets dat niet optreedt tijdens de verbranding van glucose en vetzuren: de opstapeling van ‘stikstofafval’ die schadelijk is voor het lichaam, vooral voor de hersenfunctie. Dit afval wordt voornamelijk in de lever gevormd als ammoniak, enerzijds door de oxidatieve deaminatie van glutamaat door glutamaatdehydrogenase (GLUD1) en anderzijds door de deaminatie van glutamine tot glutamaat door het enzym glutaminase 2 (GLS2) (.  figuur  9.8). GLS2 is een van de twee paralogen van dit enzym; GLS1 komt in kleine hoeveelheden voor in vele weefsels, waaronder de hersenen die hiermee glutamaat produceren. Onder het mengsel van vrije aminozuren in het bloed dat de lever bereikt – hetzij via de poortader, hetzij via de leverarterie – neemt glutamine kwantitatief de belangrijkste plaats en dit aminozuur functioneert dan ook als het meest relevante transportvehikel van overtollige aminogroepen die in perifere weefsels zijn gevormd als afval. In de meeste organen wordt dit uit te scheiden toxische ammoniak op glutamine gebonden via glutamaat-ammonia ligase (glutaminesynthetase) (GLUL in . figuur 9.2). Een van de taken van het circulerende glutamine is dus om overtollige stikstof vanuit diverse plaatsen in het lichaam, met name het centraal zenuwstelsel, naar de lever te brengen. Het eigenlijke detoxificatieproces in de lever verloopt via de inbouw van ammoniak in een organisch molecuul dat goed wateroplosbaar is en chemisch inert, zodat het in hoge concentraties kan worden uitgescheiden in de urine. Dit molecuul is ureum. Horizon Wat betekent metabole zonatie in de leverlobulen? Ammoniak is toxisch voor het lichaam, want de hersenen zijn zeer gevoelig voor een verschuiving in het evenwicht tussen alfa-ketoglutaraat en glutamaat die optreedt als ammoniak zich opstapelt. Immers, glutamaatdehydrogenase katalyseert een reactie die in twee richtingen kan verlopen (. figuur 9.2 en 9.8). Wanneer de lever in deze detoxificerende taak faalt (leverdecompensatie), treedt hyperammoniëmie op (te hoge concentratie ammoniak in het bloed) die hersenfunctie-uitval geeft door hepatische encefalopathie, cerebraal oedeem

9.3 • Aminozuurkatabolisme

285

. Figuur 9.8  Productie van ammoniak door de lever gebeurt enerzijds via glutamaatdehydrogenase (GLUD1) en anderzijds via glutaminase (in de lever GLS2). Merk op dat GLUD1 hier de omgekeerde reactie katalyseert van die in . figuur 9.2, maar met het verschil dat NAD+ wordt gereduceerd tot NADH. Gecombineerd met transaminasen (van rechts naar links in . figuur 9.3) wordt glutamaat een verzamelpunt voor stikstofeliminatie van verscheidene aminozuren zoals alanine en aspartaat.

en gestegen intracraniale druk die uiteindelijk leidt tot het ‘hepatisch coma’ en de dood. De exacte moleculaire componenten van de hepatische encefalopathie zijn nog onvolledig opgehelderd. Eén werkhypothese is gebaseerd op verhoogde oxidatieve stress en intracellulaire calciumintoxicatie in astrocyten (Norenberg et al., 2009). Een tweede hypothese stelt abnormaal intense activering van NMDA-type glutamaatreceptoren centraal (Rodrigo et al., 2009). Bovendien is het mogelijk dat een uitputting van de voorraad alfa-ketoglutaraat in de mitochondria van de neuronen leidt tot een energiecrisis. Twee bijkomende bijzonderheden kunnen over deze detoxificatie van de lever worden vermeld. Ten eerste moet de lever naast het opruimen van het stikstofafval van andere lichaamscellen ook de ammoniak neutraliseren die wordt geproduceerd door het metabolisme van de darmflora. Deze detoxificatie gebeurt door dezelfde enzymen die hierboven werden vermeld. Ten tweede bestaat er een anatomische taakverdeling tussen gebieden in de leverlobulen (metabole zonatie), waarbij sommige leverparenchymcellen zijn gespecialiseerd in omzetting van glutamine tot glutamaat (glutaminase 2) en een kleine zone die het omgekeerde doet via glutamaat-ammonia ligase (Brosnan & Brosnan, 2009) (zie figuur). Hierdoor ontstaat een rolverdeling voor de grove eerste fase en het fijne werk in de tweede fase van het opruimen van de ammoniakafval. Het grove werk gebeurt in de periportale zone (de cellen het dichtst rond de portale triade). Deze cellen nemen glutamine uit het bloed op samen met de door de darmflora geproduceerde ammoniak; ze zijn zeer actief in het produceren (GLS2, GLUD1) en detoxificeren van ammoniak en maken voortdurend ureum. Op deze wijze wordt 90% van het bloedammoniak gedetoxificeerd. Het fijne werk gebeurt via in de pericentrale levercellen (gelegen rond de centrale vene van de leverlobule). Deze cellen nemen de laatste resten ammoniak uit het bloed op en neutraliseren dit door glutamaat om te zetten tot glutamine via glutamaat-ammonia ligase (GLUL). Aldus ontstaat een interne glutaminecyclus in de lever, waarbij periportale en pericentrale levercellen (die elk gespecialiseerde taken hebben) met elkaar samenwerken.

9

286

Hoofdstuk 9 • Aminozuurmetabolisme

Figuur: metabole zonatie met taakverdeling tussen gespecialiseerde periportale en pericentrale hepatocyten. De eerste detoxiciferen ammoniak tot ureum en gebruiken enzymen die glutamine omzetten tot glutamaat (GLS2) en alfa-ketoglutaraat (GLUD1). De pericentrale levercellen gaan de nog overblijvende ammoniak detoxiciferen dankzij de omzetting van glutamaat in glutamine. Zo ontstaat de glutaminecyclus.

De chemische omzetting van de in de lever vrijkomende ammoniak tot ureum verloopt in twee fasen, die zijn samengevat in . figuur 9.9. 55 inbouw van ammoniak in carbamoylfosfaat, een energierijke verbinding; 55 binnentreden van carbamoylfosfaat in de ureumcyclus.

9

Deze dualiteit bezit overeenkomsten met de vorming en het verbruik van acetyl-CoA in de Krebs-cyclus, en het is opmerkelijk dat Hans Krebs de pionier was in het ophelderen van beide metabole wegen. De volgende stap is de energievragende synthese van carbamoylfosfaat: een organische verbinding tussen ammoniak (NH4+) en CO2 waarvan de synthese twee moleculen ATP kost (.  figuur 9.10). Deze reactie wordt gekatalyseerd door carbamoylfosfaatsynthase 1, (CPS1) dat in de levermitochondria dient voor synthese voor ureum. Er bestaat ook een cytoplasmatisch gelegen carbamoylfosfaatsynthase 2, dat in elke cel aanwezig is voor de de novo synthese van pyrimidinebasen en deel uitmaakt van het multifunctioneel enzym CAD (7 par. 10.3). De ureumcyclus.  De laatste chemische fase is de ureumcyclus. Dit is de omzetting van Ncarbamoylfosfaat in ureum. De structuur van deze weg heeft belangrijke vergelijkingspunten met de citroenzuurcyclus. De ureumcyclus (. figuur 9.10) vindt plaats in de parenchymcellen van de lever en ziet er als volgt uit: 1. Carbamoylfosfaat treedt de ureumcyclus binnen door koppeling met ornithine (een van de cyclusmetabolieten) waardoor citrulline wordt gevormd. Deze reactie wordt gekatalyseerd door ornithinecarbamoyltransferase (OTC). 2. Citrulline condenseert met aspartaat tot argininosuccinaat zodat er een tweede aminogroep de cyclus binnentreedt. Het verantwoordelijke enzym is argininosuccinaatsynthase 1 (ASS1). 3. Daarna klieft het argininosuccinaatlyase (ASL) het substraatargininosuccinaat in arginine en fumaraat. Het aspartaat verliest dus in twee stappen zijn NH2-groep, maar het koolstofskelet blijft behouden. Het fumaraat kan in de citroenzuurcyclus weer worden omgezet tot oxaloacetaat, dat via transaminatie (AST) weer aspartaat oplevert. 4. Ten slotte klieft arginase 1 (ARG1) het arginine in ornithine en ureum. Het ureum verlaat de cel en komt in de bloedbaan terecht. De nier zal dit ureum in de urine uitscheiden. Het is belangrijk om te melden dat de meeste weefsels weinig arginase bevatten en dus

9.3 • Aminozuurkatabolisme

287

. Figuur 9.9  De eliminatie van stikstof verloopt parallel met de verbranding van de koolstofskeletten. Ammoniak ontstaat door glutamaatdehydrogenase (1). De aminogroepen van een waaier van aminozuren convergeren naar glutamaat, dankzij de werking van een reeks transaminasen (2). Een tweede bron van ammoniak in de periportale leverparenchymcellen is de deaminatie van glutamine door glutaminase (3). Een derde bron (niet getekend) is de opname van door de darmflora geproduceerde en in het portale bloed geresorbeerde ammoniak. Vervolgens wordt de toxische ammoniak ingebouwd in een organische verbinding, het N-carbamoylfosfaat (4). Daarna treedt carbamoylfosfaat in de ureumcyclus binnen (5: synthese van citrulline). De ureumcyclus eindigt met de splitsing van arginine in ornithine en ureum (6).

wel arginine kunnen aanmaken maar dit niet kunnen klieven in ornithine en ureum. De lever bevat echter veel arginase-1, vandaar dat deze metabole cyclus bij de mens en andere zoogdieren bijna uitsluitend in dit orgaan gelokaliseerd is. Een vlotte diffusie van ureum door membranen van levercellen, bloedvaten en niertubuli gebeurt door transmembranaire eiwitten, zoals ureumtransporters, maar ook door aquaporines (Litman et al., 2009). Ammoniak kan door rode bloedcellen verzameld worden via de rhesusfactor, een eiwitcomplex dat deel uitmaakt van menselijke bloedgroepen. De synthese van ureum is een energievragend proces; deze energie wordt, zoals gebruikelijk, aangeleverd door ATP-equivalenten (twee tijdens de vorming van carbamoylfosfaat en twee tijdens de vorming van argininosuccinaat). Het vermijden van toxiciteit ter hoogte van de hersenen rechtvaardigt bij de mens deze energie-uitgave. Het is echter niet de enige oplossing bij vertebraten. Vissen scheiden ammoniak via de kieuwen en een ‘energetisch goedkopere’ weg uit (ammonothelen) in plaats van ureum (ureothelen). Reptielen (inclusief vogels) hebben een nog ‘duurdere’ strategie ontwikkeld die stikstof elimineert in de vorm van uraatkristallen (uricothelen); dit omdat sommige enzymen van de ureumcyclus ontbreken (Baker, 2005). We zullen in 7 par. 10.5 zien hoe deze weg verloopt. Waarom reptielen deze energetisch veeleisende uitscheiding hebben ontwikkeld is een raadsel. Er werd vooropgesteld dat excretie van uraatkristallen water bespaart vergeleken met excretie als ureum. Een andere mogelijkheid is de ontwikkeling in een met een harde schaal omhulde reptieleneieren, waarin stikstofafval relatief veiliger wordt bewaard als uraatkristallen. Arginine-citrullinecyclus.  Naast leverspecifiek arginase 1 (ARG1) bestaat er een tweede type van dit enzym. Het arginase 2(ARG2) is een enzym van de dunne darm dat een bijzondere rol speelt (.  figuur 9.11) in de bescherming van uit het dieet opgenomen arginine tegen afbraak door de lever. Deze weg verloopt via citrulline, dat niet door de lever uit het portale bloed

9

288

Hoofdstuk 9 • Aminozuurmetabolisme

9 . Figuur 9.10  Synthese van carbamoylfosfaat (CPS1) gebeurt in de levermitochondria. Dit energievragende proces neutraliseert de toxische ammoniak. Hierna brengt ornithinecarbamoyltransferase (OTC) de organische stikstof in de ureumcyclus met vorming van citrulline. Vervolgens bouwt argininosuccinaatsynthase 1 (ASS1) de tweede NH2-groep die afkomstig is van aspartaat (rood), met vorming van argininosuccinaat; dit metaboliet wordt dan via argininosuccinaatlyase (ASL) gekliefd in fumaraat en arginine (zie hier de synthese van arginine). Maar voor de stikstofeliminering gaan we nog een stap verder: arginase 1 (ARG1) klieft arginine in ornithine en ureum. We kunnen hiermee een nieuwe cyclus beginnen.

. Figuur 9.11  De arginine-citrullinecyclus heeft als doel te vermijden dat arginine na de spijsvertering in het portale bloed terechtkomt doorat de lever dit opneemt en via arginase 1 vernietigt. De darm maakt dankzij arginase 2 en OTC (. figuur 9.10) echter citrulline, dat niet door de lever wordt opgenomen maar door de nieren wordt omgezet tot arginine en afgegeven aan de systemische circulatie.

wordt opgenomen. Tijdens de eiwitspijsvertering wordt de door de darmmucosa opgenomen arginine omgezet in citrulline, dat aan het bloed wordt afgeven. Dit citrulline wordt opgenomen door de nier, die er via argininosuccinaatsynthetase en argininosuccinase weer a­ rginine van maakt. Deze metabole kringloop brengt arginine dus in de systemische circulatie in plaats van

9.4 • Van aminozuren afgeleide stoffen

289

de poortader (Moinard & Cynober, 2007) en heet de arginine-citrullinecyclus (.  figuur 9.11). Deze vaststelling maakt dat – hoewel citrulline niet gebruikt wordt voor de eiwitsynthese – dit aminozuur bij mensen met een sterk gestoorde darmfunctie noodzakelijk wordt in de voeding om de argininebalans van het lichaam normaal te houden. Bij dergelijke patiënten is citrulline een extra essentieel aminozuur (Osowska et al., 2004). Toepassing Aangeboren defecten van de enzymen van de ureumsynthese Stofwisselingsziekten die bij jonge kinderen de oorzaak zijn van hersenschade kunnen ontstaan door mutaties in genen die coderen voor enzymen van de ureumcyclus (Gropman, 2012). Er bestaan inderdaad diverse inborn errors of van de ureumcyclus, waarbij de hyperammoniëmie en de hepatische encefalopathie centraal staan in de symptomatologie die al bij jonge kinderen optreedt (Endo et al., 2004). Enerzijds denkt men hierbij aan genen die coderen voor de enzymen van de ureumcyclus, maar anderzijds aan genen voor transporters van ornithine of citrulline. Als er een deficiëntie optreedt in ASS1, ASL of ARG1 (. figuur 9.10), treedt citrullinemie op (een abnormaal hoog citrullinegehalte in het bloed). De therapie hangt af van het specifieke defect van de patiënt, maar omvat meestal een aangepast dieet (laag proteïnegehalte en specifieke voedingssupplementen die ammoniak helpen uitscheiden). Uiteindelijk komen deze patiënten in aanmerking voor levertransplantatie (Moini et al., 2010). Een nieuwe ontwikkeling is het inzicht dat sommige virussen het metabolisme herprogrammeren om de virale replicatie te ondersteunen. Een voorbeeld is het argininosuccinaatsynthase 1, dat aspartaat verbruikt (. figuur 9.10) en waarvan de expressie wordt onderdrukt in cellen die besmet zijn met het herpes-simplexvirus (Grady et al., 2013).

9.4 Van aminozuren afgeleide stoffen 9.4.1 Inleiding

Aminozuren zijn niet alleen de bouwstenen van peptiden en proteïnen, maar ook de biosynthetische voorlopers van andere biomoleculen en hier moet men een onderscheid maken. Ten eerste gaat het om afgeleide stoffen die ongeveer alle cellen nodig hebben (heem, sfingosine en choline, polyaminen, purinen en pyrimidinen); deze ontstaan uit niet-essentiële aminozuren, zoals glycine, serine, glutamaat, glutamine en aspartaat. Een tweede groep afgeleide stoffen (neurotransmitters, melanine, histamine, schildklierhormoon en stikstofmonoxide) ontstaat vooral uit essentiële aminozuren en dit in gespecialiseerde celtypen. 9.4.2 Creatine, carnitine en carnosine

De aminen creatine en carnitine zijn belangrijk voor het energiemetabolisme als dragers van energierijke fosfaten (creatinefosfaat; 7 par. 2.7.1) en van geactiveerde vetzuren voor het transport in de mitochondriale matrix (acylcarnitine; 7 par. 4.4.1). Carnosine is een dipeptide dat veel voorkomt in skeletspieren en mogelijke toepassingen heeft in de sportgeneeskunde. Creatine.  Creatine wordt in twee stappen gemaakt uit drie aminozuren (.  figuur  9.12). Arginine en glycine worden door glycineamidinotransferase (GATM) omgezet in ornithine en

9

290

Hoofdstuk 9 • Aminozuurmetabolisme

. Figuur 9.12  Synthese van creatine vertrekt van arginine en glycine en heeft hulp nodig van een derde aminozuur, methionine, dat geactiveerd wordt tot S-adenosylmethionine (SAM).

. Figuur 9.13  Synthese van carnitine start met het trimethyleren van bepaalde lysinezijketens in eiwitten, die vrijkomen na lysosomale eiwitvertering.

9

guanidoacetaat; dit laatste wordt door GAMT (guanidinoacetaat N-methyltransferase) dankzij S-adenosylmethionine omgezet in creatine en S-adenosylhomocysteïne. In het centraal zenuwstelsel gebeuren deze reacties in gescheiden cellen die metabool met elkaar moeten samenwerken (Braissant & Henry, 2008). Inborn errors van GAMT en GATM geven aanleiding tot een stofwisselingsziekte: het creatinedeficiëntiesyndroom (Braissant & Henry, 2008) met mentale retardatie en gedragstoornissen. De mens heeft voldoende enzymatische capaciteit om vanuit de bouwstenen in een gezonde voeding de nodige creatine aan te maken (7 par. 11.4). Bovendien wordt creatine via de voeding ingenomen door het eten van vlees (Brosnan & Brosnan, 2009). Atleten nemen soms creatinesupplementen als ergogene stof om de spierprestatie verder op te drijven (Mesa et al., 2002). Creatine wordt afgebroken tot creatinine dat door de nieren in de urine wordt uitgescheiden. Carnitine.  De synthese van carnitine begint met de posttranslationele veranderingen van sommige lysinezijketens in eiwitten, waarbij de epsilon-aminogroep wordt getrimethyleerd (.  figuur  9.13). Een voorbeeld van deze chemische verandering van eiwitstructuur is histon-H3-lysine 27, waarvan de trimethylering een rol speelt in de epigenetische onderdrukking van genexpressie. Wanneer dergelijke proteïnen in de lysosomen worden afgebroken, ontstaat vrije trimethyllysine die de eerste metaboliet is van de carnitinesynthese (Vaz & Wanders, 2002). Carnosine.  Het dipeptide carnosine (bèta-alanylhistidine) is rijkelijk aanwezig in skeletspie-

ren waar het een nog slechts gedeeltelijk begrepen functie heeft (Hipkiss, 2009). De synthese van carnosine vanuit bèta-alanine (een aminozuur dat niet gebruikt wordt voor de eiwitsynthese) en histidine gebeurt door het enzym carnosinesynthase (CARNS1). Bèta-alanine wordt als ergogeen voedingssupplement gebruikt door sporters (Caruso et al., 2012). Met NMRspectroscopie werd vastgesteld dat dergelijke supplementen de carnosineconcentratie in de skeletspieren doen stijgen (Derave et al., 2007). De afbraak van het dipeptide gebeurt door carnosinedipeptidase.

9.4 • Van aminozuren afgeleide stoffen

291

. Figuur 9.14  Eerste fase van heemsynsthese. A Aanmaak van van delta-aminolevulinaat door ALAS1 (lever) en ALAS2 (reticulocyten) uit glycine en succinyl-CoA is de fluxgenererende stap van de heemsynthese. B Condensatie van twee moleculen delta-aminolevulinaat tot porfobilinogeen door het enzym ALAD. C Vier moleculen porfobilinogeen polymeriseren dankzij porfobilinogeendeaminase tot een lineair tetrapyrrool. Loodintoxicatie (Pb) remt de eerste en tweede stap van de heemsynthese.

9.4.3 Heemsynthese

Het metabolisme van heem is medisch belangrijk, want het is nauw verbonden met de biologie en de pathologie van de rode bloedcellen en de lever. Heem bestaat uit een organische structuur, de porfyrinering, en een centraal ijzeratoom. Voor de synthese van de organische ring is zowel stikstof nodig als een koolstofskelet en we zullen deze synthese opsplitsen in twee fasen.

Eerste fase

De eerste fase begint met de condensatie van glycine aan succinyl-CoA, een metaboliet van de citroenzuurcyclus (.  figuur 9.14A). Deze eerste stap in de heemsynthese vindt plaats in de mitochondriale matrix en via het enzym delta-aminolevulinaatsynthase, waarvoor er bij de mens twee paralogen bestaan met, respectievelijk, intense expressie in de lever (ALAS1, cyto-

9

292

Hoofdstuk 9 • Aminozuurmetabolisme

. Figuur 9.15  Tweede fase van heemsynsthese. Cycliseren van het lineair tetrapyrrool door het enzym UROS levert de eerste porfyrinering, het uroporfyrinogeen III. Daarna worden zijketens gemodificeerd door een decarboxylering en twee oxidatiereacties zodat protoporfyrine IX ontstaat; incorporatie van een ijzerion in protoporfyrine IX door ferrochelatase levert heem. Loodintoxicatie (Pb) remt ook deze laatste stap van de heemsynthese.

9

chromen) en rode bloedcelvoorlopers (ALAS2, hemoglobine). Deze snelheidsbeperkende stap voor de heemsynthese wordt geremd door het eindproduct heem (feedbackinhibitie). In de tweede stap gaan twee moleculen delta-aminolevulinaat dankzij het enzym deltaaminolevulinaatdehydratase (ALAD) condenseren tot porfobilinogeen (. figuur 9.14B). Hiermee is letterlijk de hoeksteen voor de heemsynthese ontstaan. In de derde reactie zullen vier moleculen porfobilinogeen ‘kop-aan-staart’ polymeriseren tot een skeletstructuur die groot genoeg is om de porfyrinering te maken. Het verantwoordelijke enzym is porfobilonogeendeaminase (ook wel hydroxymethylbilaansynthase genoemd, HMBS). Het totale proces vertoont overeenkomsten met de opbouw van squaleen uit IPPP. Het product van deze reactie is een lineair tetrapyrrool: het hydroxymethylbilaan (. figuur 9.14C).

Tweede fase

Het lineaire tetrapyrrool zal in de tweede fase van de heemsynthese omgezet worden tot een afgewerkt heemmolecuul. Eerst moet door het enzym uroporfyrinogeen-III-synthase (UROS) een cyclische structuur gevormd worden, waarbij de D-ring ruimtelijk omgedraaid wordt; hierdoor ontstaat uroporfyrinogeen III. Vervolgens zal er een aantal kleine veranderingen opstreden in de porfyrinestructruur (achtereenvolgende werking van de enzymen UROD, CPOX en PPOX in .  figuur  9.15). Zo ontstaat het protoporfyrine IX, waarin via het ferrochelatase (FECH) als laatste stap een centraal tweewaardig ijzerion wordt ingebouwd (. figuur 9.15). Dit ijzer is afkomstig van ferritine, een groot ijzeropslageiwit in het cytoplasma. Het zo verkregen heem wordt dan ‘verpakt’ in een hydrofobe spleet van een heemdragend eiwit (hemoglobine, myoglobine, katalase, peroxidase of cytochromen). Loodintoxicatie heeft een belangrijk vertragend effect op de heemsynthese, zowel in de eerste, tweede stap als de laatste stap van de weg (Pb in . figuur 9.14 en . figuur 9.15). Hierdoor zal chronische loodvergiftiging (7 ook par. 11.7.13) een belangrijk effect hebben op de vorming

9.4 • Van aminozuren afgeleide stoffen

293

van rode bloedcellen (Flora et al., 2012). Loodintoxicatie is een aandachtspunt bij peuters en kleuters die opgroeien in oude huizen (pica van loodhoudende verf), maar ook door uitstoot van ‘vluchtig’ lood in het milieu (verkeer dat rijdt op loodhoudende benzine). Dit laatste probleem werd grondig aangepakt met de introductie van loodvrije benzine. Toepassing Aangeboren defecten van de heemsynthese Er bestaan verschillende stofwisselingsziekten van de heemsynthese met ziektebeelden die tezamen de porfyrieën genoemd worden (Kauppinen, 2005; Balwani & Desnick, 2013). De moleculaire genetica van deze groep ziekten is heterogeen, want met uitzondering van de ALAD-porfyrie (zie hierna) kan elk klinisch beeld ontstaan door mutaties in elk gen van de syntheseweg (Sassa & Kappas, 2000). Er bestaat ook een erfelijke heterogeniteit, zodat elke familie met porfyriepatiënten zijn eigen unieke mutatie heeft (Gross et al., 2000). Net als voor eerder in dit boek besproken inborn errors of metabolism, ontbreekt bij de porfyriepatiënt door de genmutatie de noodzakelijke metabole flux, zodat metabolieten stroomopwaarts van het probleem zich opstapelen en het eindresultaat (heem) onvoldoende wordt gemaakt. De drie meest voorkomende klinische vormen zijn: 55 De hepatisch cutane vorm. Dit is een vorm die vaak latent aanwezig is. De huid is door opstapeling van porfyrines gevoelig voor zonlicht (fotosensitiviteit) en dit veroorzaakt huidletsels. Deze patiënten hebben meestal mutaties in het gen dat codeert voor uroporfyrinogeendecarboxylase (. figuur 9.15; Phillips et al., 2001). Er bestaat een genetische interactie (epistase) met het hemochromatose-gen, dat ijzeropstapeling veroorzaakt in de lever. 55 In de congenitale erytrocytenporfyrie ontbreekt ter hoogte van de voorlopers van rode bloedcellen in het beenmerg een van de enzymen die zorgen voor de heemsynthese. Oorzaken zijn mutaties in de genen die coderen voor ALAS2, UROS en FECH (. figuur 9.14 en . figuur 9.15), zodat metabolieten van de heemsyntheseweg zich in het lichaam opstapelen. De huid wordt hierdoor fotosensitief. Een ander gevolg van de opstapeling is de rode verkleuring van de urine. 55 De acute intermittente porfyrie (acute hepatische vorm) kan veroorzaakt worden door mutaties in diverse genen van de heemsynthese. Deze patiënten vertonen zeer pijnlijke en kenmerkende aanvallen van buikkramp en neurologische/psychiatrische stoornissen. Het precieze mechanisme van deze crises is nog niet duidelijk. Belangrijk is dat de patiënten tijdens een crisis overmatige expressie van het delta-aminolevulinaatsynthase-gen in de lever vertonen (Gross et al., 2000). Tijdens de crisis worden er dus bijzonder veel delta-aminolevulinaat en porfobilinogeen door de lever aangemaakt; een deel hiervan wordt uitgescheiden in de urine. ALAD-porfyrie De ALAD-porfyrie is uitermate zeldzaam, maar wetenschappelijk interessant. De mutatie ligt in deze ziekte in het ALAD-gen, wat leidt tot onvoldoende enzymatische flux en daardoor opstapeling van delta-aminolevulinaat. Het bijzondere van deze ziekte is het mechanisme (Jaffe & Stith, 2007). Normale ALAD-enzymen polymeriseren als homodimeren via tetrameren en hexameren tot de enzymatisch actieve octameren. Er bestaat dus een allosterisch evenwicht tussen dimeren, tetrameren, hexameren en octameren (Lawrence et al., 2009). De genmutaties leiden tot een gebrekkige polymerisatie waardoor de enzymatisch minder ef-

9

294

Hoofdstuk 9 • Aminozuurmetabolisme

ficiënte hexameren overwegen. De ALAD-porfyrie is daarom een uniek metabool voorbeeld van een ziekte waarvan de basis ligt in een foute eiwitconformatie. Een andere bekende eiwitconformatieziekte wordt veroorzaakt door prionen.

9.4.4 Afbraak van heem

9

Ook de afbraak van heem is medisch en biologisch belangrijk. De meest intense stroom van afbraak vindt plaats in de milt, waar bij elke passage verouderde rode bloedcellen sterven. Deze cellen leven gemiddeld slechts ongeveer 120 dagen, waarbij de afbraaksnelheid in de milt gecompenseerd wordt door een even grote aanmaaksnelheid van nieuwe rode bloedcellen in het beenmerg. Dit betekent dat er een goed geregeld evenwicht bestaat tussen de flux van enzymatische heemsynthese in het beenmerg en heemafbraak in de milt. Wanneer de rode bloedcel sterft, worden de celonderdelen door fagocytose opgenomen door reticulo-endotheliale cellen. De lysosomale proteasen verteren het eiwitgedeelte van het hemoglobine tot aminozuren. De heemring wordt door heemoxygenase (HMOX1) opengebroken (.  figuur 9.16). Dit enzym gebruikt hiervoor drie zuurstofatomen van twee O2-moleculen, zodat biliverdine en koolmonoxide (CO) ontstaan (het vierde zuurstofatoom oxideert NADPH). Het vrijkomende heemijzer wordt in twee stappen op efficiënte wijze gerecycleerd voor hergebruik door ferrochelatase in het beenmerg. Eerst zullen de cellen van het reticulo-endotheliale systeem het vrijkomende ijzer in de milt opslaan als complex met het eerder besproken ferritine. Vervolgens zullen deze cellen het opgeslagen ijzer afstaan aan een in het bloed circulerend transporteiwit, het transferrine. Dit transporteiwit zal ijzer terugbrengen naar het beenmerg, waar het de voorlopers van rode bloedcellen binnengaat via receptorgemedieerde endocytose. Een klein deel van het lichaamsijzer gaat verloren via verlies in urine, bloedverlies (menstruatie) of huidschilfering. IJzer wordt door de mens dus slechts in geringe mate uitgescheiden. Overdreven opstapeling van ijzer in het lichaam komt voor bij hemosiderose en hemochromatose. Dit wordt verder besproken in 7 H. 11. Biliverdine wordt in de milt door biliverdinereductase (BLVRA en BLVRB) gereduceerd tot bilirubine en aan het bloed afgegeven om uitgescheiden te kunnen worden door het lichaam. Omdat bilirubine overwegend apolair is, lost het slecht op in de waterfase van het bloedplasma, maar bindt het aan albumine. Dat is het meest voorkomende plasma-eiwit (35-45 gram per liter), wordt door de lever aangemaakt en gaat niet-geconjugeerde bilirubine ‘ophalen’ in de milt. Na terugkeer naar de lever wordt het bilirubine-albuminecomplex opgenomen en vervolgens wordt bilirubine tijdelijk gebonden aan een ander eiwit, het ligandine, waarvan de functie niet goed begrepen is. Vervolgens wordt bilirubine ter hoogte van de carboxylgroepen van de beide proprionylzijketens geconjugeerd met twee sterk polaire en geladen glucuronzuurmoleculen, waardoor het beter wateroplosbare bilirubinediglucuronide ontstaat (. figuur 9.16). Het hiervoor verantwoordelijke enzym (UGT1A1) is lid van een grote familie van UDP-glucuronyltransferasen, die gebruik maken van geactiveerd substraat (UDP-glucuronaat). Het polaire bilirubinediglucuronide wordt door de leverparenchymcellen uitgescheiden in de galkanaaltjes die de leverlobulen draineren naar de galblaas, vanwaaruit het terechtkomt in de dunne darm. De darmflora in de dikke darm hydrolyseert een deel van de glucuronzuurmoleculen en verandert bilirubine in urobilinogeen dat verder omgezet wordt tot stercobiline, die de stoelgang een bruine kleur geeft. Een kleine hoeveelheid urobilinogeen wordt in de dikke darm opgenomen, verschijnt in het bloed, en wordt als geel gekleurde urobiline in de urine uitgescheiden.

9.4 • Van aminozuren afgeleide stoffen

295

. Figuur 9.16  Afbraak van heem tot biliverdine door heemoxygenase (HMOX1) gebeurt in de milt wanneer oude rode bloedcellen sterven. De reactie levert naast biliverdine ook ijzer(3+) en koolmonoxide (CO). Drie zuurstofatomen van twee moleculen dizuurstof worden verbruikt om het substraat te oxideren, waarbij het koolstofatoom aan de rode pijlpunt wordt omgezet tot CO. Hierna wordt biliverdine door biliverdinereductase (BLVRA en BLVRB) gereduceerd tot bilirubine dat door de lever geconjugeerd wordt met twee moleculen glucuronzuur. Resultaat is het geconjugeerde bilirubinediglucuronide, dat wateroplosbaar is en wordt uitgescheiden in de gal.

Een overdreven afbraak van heemmoleculen (hemolyse) of een gestoorde excretie van bilirubine uit het lichaam (leverstoornis of ziekte van de galwegen) veroorzaakt geelzucht (icterus), waarbij het geeloranje bilirubine opstapelt in diverse weefsels. In sclera van het oog (oogwit) is deze gele verkleuring bij icterus opvallend. Een ziekte van de leverparenchymcellen leidt vooral tot stijging van in het bloed circulerende niet-geconjugeerde (aan albumine gebonden) bilirubine, terwijl een verstopping van de galwegen (galsteen, tumor, ontsteking) leidt tot een stijging van het bilirubinediglucuronide. Toepassing Stoornissen van de heemafbraak Heem en zijn afbraakproducten geven bloed, urine, gal en stoelgang hun typische kleur. Al in de oudheid werd in diagnostiek belang gehecht aan de waarneming van deze zeer intens gekleurde moleculen. De persoonlijke gemoedstoestand werd volgens de toen gangbare theorie in verband gebracht met vier vloeistoffen (bloed, flegma, groene gal en zwarte gal), wat heden ten dage gebruikte woorden als melancholisch en flegmatisch verklaart. Door een beter inzicht in de fysiologie en pathologie van de heemafbraak kregen de kleur van huid, ogen, feces een steeds duidelijker diagnostisch belang. Voorbeelden zijn de eerder vermelde icterus en de hiermee gepaard gaande bleke stoelgang (gebrek stercobiline).

9

296

9

Hoofdstuk 9 • Aminozuurmetabolisme

Chemische en fysische technieken zijn ontwikkeld om de lichtabsorptie van deze sterk gekleurde moleculen te kwantificeren. Het onderscheid tussen de chemische vormen van bilirubine die in het bloed circuleren is klinisch-diagnostisch van belang en wordt gemaakt door de directe versus indirecte ‘vandenbergh-test’, genoemd naar de Nederlandse internist Abraham Albert Hijmans van den Bergh (1869-1943). Tijdens de ‘directe test’ reageert het vrij in het bloed circulerende bilirubinediglucuronide met een diazoniumzout tot het violet gekleurde azobilirubine; in de ‘indirecte test’ moet het aan albumine gebonden bilirubine eerst met een organisch oplosmiddel zoals ethanol worden losgemaakt, voordat de reactie met het diazoniumzout kan plaatsvinden. De kleur ontstaat door de geconjugeerde dubbele bindingen in de cyclische of lineaire tetrapyrrool die fotonen van het zichtbare licht absorberen. Desoxyhemoglobine is bijvoorbeeld blauwpaars van kleur; binding van zuurstof aan heem verschuift het absorptiemaximum waardoor de typisch rode kleur ontstaat. Door de intense lichtabsorptie kan op een niet-invasieve wijze de zuurstofsaturatie in het bloed fotometrisch worden bepaald (McMurdy et al., 2008). Blauwe plekken worden na enkele dagen geel/groen door lokale afbraak van heem tot bilirubine. De gele kleur van urine, de groene kleur van gal en de bruine kleur van feces zijn direct gerelateerd aan de intensief fotonen absorberende tertrapyrrolstructuren in deze moleculen. Een voor de zich ontwikkelende hersenen gevaarlijke vorm van geelzucht is de kernicterus, die veroorzaakt wordt door een incompatibiliteit tussen de zwangere moeder en haar foetus voor de zogeheten resusfactor (Rh, een antigeen aan de oppervlakte van rode bloedcellen). Hierbij dringen antistoffen van het immuunsysteem van de Rh-negatieve moeder door de placenta heen en vernietigen de Rh-positieve foetale rode bloedcellen. Het hierdoor geproduceerde vrije bilirubine wordt slecht door de immature lever geconjugeerd waardoor de concentratie stijgt in het bloed, en bilirubine de bloed-hersenbarrière passeert en opstapelt in onder andere de basale ganglia en de kernen van de gehoorzenuw (slechthorendheid) en oogspierzenuwen (strabisme). Bij ernstige vormen treed mentale retardatie op. Deze vorm van geelzucht van de pasgeborene moet onderscheiden worden van veel frequentere goedaardige vormen, waarvan de meeste worden toegeschreven aan een lage flux van bilirubineconjugatie in de immature neonatale lever (Kirk, 2008). Transcutane niet-invasieve fotometrie van de bilirubineconcentratie wordt meer en meer gebruikt om de ernst van het fenomeen in te schatten. In ernstige gevallen van neonatale geelzucht die niet veroorzaakt zijn door resusincompatibiliteit, kan het gaan om een inborn error van de bilirubineconjugatie (Bosma, 2003). In het Crigler-Najjar-syndroom ligt de oorzaak in mutaties van het UGT1A1-gen, met als gevolg een gedaalde flux van de bilirubine-UDP-glucuronyltransferase in de lever. Hierdoor stapelt niet-geconjugeerd bilirubine zich op met als resultaat ernstige kernicterus. Het klinisch veel mildere Gilbertsyndroom wordt ook veroorzaakt door UGT1A1-genmutaties, maar het gaat hierbij om promotormutaties met verminderde expressie van een normaal werkend enzym. Gevolg is een eerder lichte stijging van de in het bloed circulerende bilirubinespiegels, waarvan het vermoeden bestaat dat ze voordeel kunnen bieden aan de mens. Bilirubine is niet alleen het afbraakproduct van porfyrines, maar tevens een natuurlijke antioxidant omdat het vrije zuurstofradicalen inactiveert (scavenger). Een gelijksoortige rol wordt toegekend aan urinezuur (een ander biologisch afbraakproduct), vitamine C en vitamine E. Hierdoor bestaat er een omgekeerde relatie tussen de in het bloed aanwezige bilirubineconcentratie en het risico op atherosclerose en daarmee geassocieerde hart- en vaatziekten (Mayer, 2000).

9.4 • Van aminozuren afgeleide stoffen

297

. Figuur 9.17  Polyaminen ontstaan door decarboxylering van ornithine, gevolgd door een overdracht van aminopropylgroepen afkomstig van S-adenosylmethionine (SAM, voor structuur . figuur 9.5). Hierdoor ontstaat 5-methylthioadenosine (5’meTA). Let op de regelmaat in de ruimtelijke positionering van positieve ladingen, die complementair is aan de negatief geladen fosfaatgroepen van de DNA-ruggengraat.

9.4.5 Polyaminen

Vanuit ornithine en S-adenosylmethionine ontstaat een aantal aminozuurafgeleiden die samen polyaminen worden genoemd, vanwege de aanwezigheid van ten minste twee positief geladen aminogroepen die op regelmatige afstand van elkaar staan (. figuur 9.17). De synthese vertrekt van ornithine, dat door het ornithinedecarboxylase (ODC) wordt omgezet in putrescine, dat eigenlijk een diamine is. Transfer van een aminopropylgroep van S-adenosylmethionine naar putrescine door het enzym spermidinesynthase (SRM) levert spermidine op, dat dankzij een tweede aminopropyltransfer door het sperminesynthase (SMS) omgezet wordt tot spermine (. figuur 9.17). Een andere belangrijke bron van polyaminen is de darm (opname van voedsel en productie door de microflora in de darmholte). Polyaminen regelen belangrijke processen, zoals groei en proliferatie. Het is dan ook van groot belang dat de concentraties in de cel nauwkeurig worden geregeld, en de fluxcontrole van ODC speelt hierin een sleutelrol (Olsen & Zetter, 2011). Door hun structuur, vooral de regelmatige positie van positieve ladingen, complementair aan de negatief geladen fosfaatgroepen van DNA, heeft de binding van polyaminen aan DNA een impact op de compacte of ‘open’ structuur van chromatine. Hierdoor hebben polyaminen invloed op genexpressie (Childs et al., 2003). Horizon Nieuwe invalshoeken voor polyaminen in de geneeskunde De fluxcontrole van het enzym ornithinedecarboxylase steunt op het korte leven van het eiwit en dit wordt verklaard door de snelle vernietiging van ODC door het proteasoom. Het mechanisme van de vernietiging steunt op het bestaan van een ODC-antizym (de twee paralogen zijn OAZ1 en OAZ2), dat een eiwitcomplex vormt met ODC en het naar het proteasoom geleidt. Bovendien zorgt antizym voor een rem van de opname van polyaminen door de cel (Olsen & Zetter, 2011). Bijzonder in deze regeling is dat voortdurend aanwezig mRNA voor antizym ligt te wachten op een signaal voor eiwitynthese; dit signaal is de polyamineconcentratie in de cel: als deze stijgt, verandert het leesraam van de translatie, zodat

9

298

9

Hoofdstuk 9 • Aminozuurmetabolisme

antizymeiwit wordt gemaakt. Een bijkomende regeling treedt op door de aanmaak van antizyminhibitor (AZIN1 - een anti-antizym dus). Het medisch belang van deze regeling blijkt uit vele vormen van kanker, waar de aanmaak van AZIN1 is verhoogd en OAZ1 en OAZ2 zijn onderdrukt. Hierdoor kan ODC veel meer polyaminen maken en slaat de proliferatie op hol (Olsen & Zetter, 2011). Uit het voorgaande blijkt het grote belang van de polyaminenconcentratie in de cel. Daarom moeten polyaminen ook worden afgebroken, anders zouden ze zich in het lichaam opstapelen. De twee belangrijkste enzymen voor afbraak zijn SSAT (spermidine/spermine-N1-acetyltransferase) and SMO (spermineoxidase) en men denkt dat een abnormale afbraak in menselijke cellen aan de basis kan liggen van ziektesymptomen (Casero & Pegg, 2009). De eencellige ziekteverwekker Trypanosoma (oorzaak van dodelijke Afrikaanse slaapziekte) leeft in menselijke cellen en parasiteert op het polyaminemetabolisme van de gastheer; de enige medicamenteuze behandelingswijze op dit moment steunt op rem van de polyamineweg (Willert & Phillips, 2012). Een andere invalshoek suggereert dat polyaminen via autofagie in de hersenen het langetermijngeheugen helpen onderhouden (Gupta et al., 2013). Een aan polyaminen aanleunende stof is agmatine, dat ontstaat door de enzymatische decarboxylatie van arginine en dat neurotransmitter-achtige effecten zou kunnen hebben. We nemen deze stof vooral op uit de voeding, met name uit gistproducten, zoals bier en wijn (Galgano et al., 2012).

9.4.6 Stikstofmonoxide (∙NO)

Een slechts uit twee atomen bestaande gasvormige aminozuurafgeleide is stikstofmonoxide (∙NO), dat chemisch reactief is door een radicaal: dit is een ongepaard elektron in de buitenste elektronenwolk (puntje voor de N in .  figuur  9.18). ∙NO wordt geproduceerd vanuit arginine met behulp van NO-synthase (NOS), een gemengd oxidase dat twee moleculen NADPH nodig heeft voor twee achtereenvolgende reducties van een zuurstofatoom van twee moleculen dizuurstof (.  figuur  9.18). Als tussenproduct ontstaat N-ω-hydroxyarginine en deze gecompliceerde reactie lijkt enzigzins op de productie van CO door heemoxygenase (. figuur 9.16). Omdat ∙NO zo reactief is, leeft het bijzonder kort en oefent het lokale effecten uit op de cel waar het gemaakt wordt of op naburige cellen. Er bestaan drie NOS-paralogen (NOS1 tem NOS3), die in gespecialiseerde cellen zorgen voor lokale ∙NO-productie en daardoor voor lokale effecten. Deze drie vormen van het enzym worden ook nNOS, iNOS en eNOS genoemd omdat zij gebruikt worden in, respectievelijk, neuronen, het immuunsysteem en endotheelcellen. Horizon Wat is de betekenis van drie NOS-paralogen? nNOS De eerste paraloog NOS1 codeert voor de neuronale vorm van het enzym (nNOS). Het gasvormige ∙NO bleek inderdaad te werken als neurotransmitter (Bult et al., 1990). De neuronale vorm wordt vooral gebruikt in de bulbus olfactorius, het striatum en het cerebellum. Het enzym bevat calmoduline als regulatorische subeenheid, wat maakt dat de

9.4 • Van aminozuren afgeleide stoffen

299

. Figuur 9.18  Stikstofmonoxide (∙NO) wordt geproduceerd uit arginine via twee oxidatiereacties gekatalyseerd door NO-synthase (NOS). NADPH treedt telkens op als reductans. Hierdoor wordt arginine verbruikt en citrulline gevormd. ∙NO is een radicaal met een ongepaard elektron en daardoor zeer reactief.

lokale ∙NO-productie allosterisch zeer snel wordt aangedreven door een stijging van de intracellulaire calciumconcentratie (Zhou & Zhu, 2009). De calciumstijging kan het gevolg zijn van de activering van NMDA-type glutamaatreceptoren. Tijdens de korte levensduur van intraneuronaal ∙NO wordt een signaaltransductie op gang gebracht die leidt tot veranderd neuronaal gedrag. Een van deze signaalwegen verloopt via guanylaatcyclase, de productie van cyclisch guanosinemonofosfaat (cGMP) en de activering van cGMP-afhankelijk proteïnekinase. Mogelijk interessant is dat sommige neuronen heemoxygenase met een analoog doel gebruiken, omdat er bij de afbraak van heem CO vrijkomt (. figuur 9.16); CO dient in dit verband als een signaalmolecuul. Een voorbeeld hiervan zijn enterische neuronen die de darmmotoriek regelen (Bult et al., 1990; Knipp & Bicker, 2009). iNOS De tweede paraloog (NOS2) is een induceerbaar gen, vandaar de andere naam van het enzym: iNOS. Het enzym wordt specifiek gebruikt door macrofagen, microgliacellen, Kupffer-cellen, dendritische cellen van het innate immuunsysteem. De basale expressie van het gen in deze cellen is laag, maar na stimulatie met cytokinen, zoals interleukine-1 of gammainterferon, wordt de expressie van het NOS2-gen bijzonder sterk verhoogd, zodat het aantal mRNA-transcripten spectaculair stijgt. Door deze induceerbaarheid ontstaat massale ∙NO-productie op de plaats waar de macrofagen geactiveerd werden. Het reactieve ∙NO diffundeert door de macrofaagcelmembraan en beschadigt direct naburige cellen, of doodt intracellulaire parasieten zoals Leishmania, die bij voorkeur in macrofagen groeit. ∙NO wordt dus eigenlijk gebruikt als een chemisch wapen om ziektekiemen te doden. Merkwaardig is dat zich in de met Leishmania geïnfecteerde macrofagen een strijd afspeelt rond het gebruik van arginine, dat enerzijds de voorloper is van ∙NO maar anderzijds de voorloper van eiwitten en polyaminen in de groeiende en zich delende parasiet (Wanasen & Soong, 2008). Een ander belangrijk pathogeen dat door macrofagen met ∙NO bestreden wordt is de tuberkelbacil Mycobacterium tuberculosis (Liu & Modlin, 2008).

9

300

9

Hoofdstuk 9 • Aminozuurmetabolisme

eNOS De endotheliale vorm van NOS (NOS3) produceert lokaal ∙NO in de bloedvatwanden, dat een belangrijke rol speelt in de relaxatie van gladde spiercellen in de vaatwand. Het gas bleek na onderzoek door Louis Ignarro chemisch identiek te zijn aan EDRF (endotheliumderived relaxing factor) (Ignarro, 2002), de al eerder door Robert Furchgott ontdekte endotheliale factor die de spiercellen van bloedvaten doet relaxeren (Furchgott et al., 1984). Het bewijs hiervoor werd geleverd met een ‘sandwichexperiment’, waarin stukjes geïsoleerde aorta met endotheel relaxeerden, terwijl stukjes waarvan het endotheel was verwijderd dit niet deden. Terugplaatsen van het losgemaakte endotheel op de ‘gestripte’ aorta deed deze laatste weer relaxeren (Furchgott & Zawadzki, 1980). Net als in de zenuwcellen berust de regeling van eNOS op een interactie van calcium met calmoduline en activering van guanylaatcyclase. Ferid Murad bewees dat deze signaaltransductie ook op gang komt wanneer bepaalde farmaca, die optreden als ∙NO-donoren, de bloeddruk verlagen. Belangrijke voorbeelden zijn natriumnitroprusside en nitroglycerine, dat gebruikt wordt bij angina pectoris om de vaatwand van de kransslagaders van het hart te relaxeren (Waldman & Murad, 1988). Sildenafil (Viagra)®, een remmer van de afbraak van cyclisch GMP (door cGMP-fosfodiësterase of PDE-type 5), grijpt ook in op deze signaaltransductie, wat de hierdoor veroorzaakte vasodilatatie van dit farmacon verklaart. Furchgott, Murad en Ignarro ontvingen voor dit belangrijke werk in 1998 samen de Nobelprijs voor Fysiologie/Geneeskunde. Salvador Moncada, een vierde pionier, die eveneens op dit terrein zeer actief was (Moncada et al., 1988), viel deze eer niet te beurt.

9.4.7 Catecholaminen

Drie voor de mens belangrijke afgeleiden van tyrosine zijn de catecholaminen dopamine, noradrenaline en adrenaline. De metabole weg die leidt tot synthese van deze afgeleiden is samengevat in . figuur 9.19. In eerste instantie wordt de aromatische ring verder geoxideerd via het enzym tyrosinehydroxylase (TH). Hierdoor ontstaat 3,4-dihydroxyfenylalanine (DOPA). In tweede instantie wordt DOPA door DOPA-decarboxylase (DDC) omgezet tot dopamine, een amine dat gebruikt wordt als neurotransmitter. Dit enzym decarboxyleert ook 5-hydroxytryptofaan (7 par. 9.4.9) en staat daarom ook bekend als aromatisch aminozuurdecarboxylase. De dopamineproducerende cellen bevinden zich binnen het centraal zenuwstelsel enerzijds in de hypothalamus en anderzijds in de nigrostriatale neuronen in de hersenstam (Girault & Greengard, 2004). Bepaalde hypothalamische cellen secreteren dopamine in de poortader naar de adenohypofyse; hierdoor wordt de prolactinesecretie onderdrukt. Dopamine van de substantia nigra regelt de motoriek (o.a. de spiertonus) en het kortetermijngeheugen. Bij patiënten met de ziekte van Parkinson gaan nigrostriatale neuronen vroegtijdig dood door omstandigheden die nog niet volledig duidelijk zijn. Een sleutelrol in het degeneratieve proces van aftakelende neuronen is het eiwit alfa-synucleïne, dat slecht gevouwen wordt en toxisch wordt voor de neuronen (Recchia et al., 2004). Net als voor andere neurodegeneratieve ziekten zijn er predisponerende genen gevonden die het risico op het ontstaan van de ziekte bepalen (Bertram & Tanzi, 2005). Tyrosinehydroxylase en DOPA-decarboxylase vertegenwoordigen een gemeenschappelijke stam voor de synthese van catecholaminen. In de neuronen van de substantia nigra eindigt het

9.4 • Van aminozuren afgeleide stoffen

301

. Figuur 9.19  Catecholaminen zijn afgeleiden van tyrosine. Eerst wordt de aromatische ring een tweede maal gehydroxyleerd door tyrosinehydroxylase (TH); het hierdoor gevormde DOPA wordt dan omgezet tot dopamine door aromatisch aminozuurdecarboxylase (DDC). Noradrenaline ontstaat door een hydroxylering van de zijketen (dopaminehydroxylase; DBH). In de bijnier wordt noradrenaline gemethyleerd tot adrenaline (fenylethanolamine-N-methyltransferase; PNMT).

hier met de opslag, intracellulair transport door de dopaminerge zenuwuitlopers en geregelde secretie van dopamine. In noradrenerge neuronen gaat de metabole weg één stap verder en wordt de zijketen van het amine geoxideerd door het enzym dopaminehydroxylase (DBH), waardoor de neurotransmitter noradrenaline ontstaat. In de medulla van de bijnieren van de mens bevinden zich naast de eerder besproken enzymen ook het fenylethanolamine-Nmethyltransferase (PNMT in . figuur 9.19), waardoor de meeste noradrenaline wordt omgezet tot adrenaline, maar er zijn gespecialiseerde cellen die dit niet doen en eindigen met noradrenaline. Het bijniermerg werkt complementaire aan de schors die we hebben besproken in het kader van de steroïdhormonen (7 par.  8.5.2). Een verhoogde activiteit van de sympathische bezenuwing van het bijniermerg treedt op bij stress, maar ook tijdens de metabole bewaking tegen het ontstaan van hypoglykemie (7 H. 12). Een Engelstalige ezelsbrug voor de omstandigheden waarin verhoogde secretie van adrenaline wordt gestimuleerd is: fight, flight, fright. Hierdoor worden vitale lichaamsfuncties, zoals bloeddruk, hartdebiet, ademhaling, bloedglucose, verhoogd, zodat het lichaam (spieren, hersenen) de stressvolle situatie met grotere slaagkans kan overwinnen.

Een breed spectrum van receptoren

Hoe kunnen catecholaminen dat spectrum van vitale lichaamsfuncties bewaken? Een deel van het antwoord zit in . tabel 9.2, waarin een overzicht staat van de verschillende adrenerge receptoren, leden van de uitgebreide G-proteïne gekoppelde receptorfamilie. Elk familielid bezit een eigen weefselspecifiek expressiepatroon, een bijbehorende signaaltransductie en regelmechanisme (Strosberg, 1993). Deze receptoren vormen samen een enorm actieterrein voor de farmacologie. De adrenerge receptoren, maar ook de enzymen die verantwoordelijk zijn voor de afbraak van de catecholaminen, zijn doelwit van een hele reeks specifieke farmaca die in tal van gebieden van de geneeskunde worden gebruikt (Kamibayashi & Maze, 2000). Voorbeelden zijn alfa- en bèta-receptorspecifieke agonisten en -antagonisten (. tabel 9.2), die bij de mens worden gebruikt als geneesmiddelen met toepassingen bij hypertensie (hoge bloeddruk), hartfalen en astma (Kips & Pauwels, 2001). Er bestaat ook wetenschappelijke belangstelling voor bèta3-selectieve agonisten, omdat deze vrij selectief de lipolyse in vetcellen zouden kunnen verhogen en dus interessante stoffen zijn voor de behandeling van zwaarlijvigheid (Arch,

9

302

Hoofdstuk 9 • Aminozuurmetabolisme

. Tabel 9.2  Adrenerge receptoren en enkele farmacologische agonisten/antagonisten.

9

Subtype

Signaaltransductie

Effect

Agonist

Antagonist

α1A-D

stimulatie fosfolipase C

metabool (lever)

methoxamine

prazosine

α2A,B

rem adenylcyclase

vasoconstrictie

clonidide

yohimbine

β1

stimulatie adenylcyclase

stimulatie hart

dobutamine

atenolol

β2

stimulatie adenylcyclase

dilatatie bronchi

terbutaline

butoxamine

β3

stimulatie adenylcyclase

lipolyse vetcellen

nog niet beschikbaar

2002), maar voor dit principe zijn er nog geen goedgekeurde geneesmiddelen op de markt. . Tabel 9.2 meldt enkele van de vele bekende agonisten en antagonisten die op deze receptoren ingrijpen. Hetzelfde idee geldt voor de vijf nu bekende leden van de dopaminereceptorfamilie die een rol spelen bij de bloeddrukregeling (nieren) en bij interneuronale communicatie in de hersenen (Missale et al., 1998). Naast de enzymatische aanmaak van de neurotransmitters in de presynaptische uiteinden is het uiteraard ook belangrijk dat de catecholaminen enzymatisch kunnen worden afgebroken. Deze afbraak verloopt via twee mechanismen: de oxidatieve verwijdering van de aminogroep, dit door een van de twee paralogen van monoamineoxidase (MAOA), en anderzijds de methylering van de aromatische alcoholgroepen door het catechol-O-methyltransferase (COMT). 9.4.8 Melanine

Een bijzonder metabool verhaal gaat over melanine, het belangrijkste pigment van huid, haar en de iris van het oog, maar ook aanwezig in de retina en de substantia nigra van de hersenstam. Melanine speelt een prominente rol in de bescherming tegen UV-beschadiging van DNA van keratinocyten, maar heeft ook een bijzondere betekenis in het genereren van uiterlijke kenmerken van vele diersoorten (bijvoorbeeld oog-, haar- of verenkleur in verband met de camouflage in de natuur of seksuele selectie). Een eerste metabool punt in dit verhaal is het feit dat melanine in verschillende chemische vormen bestaat (.  figuur 9.20), waarin men het onderscheid maakt tussen eumelanine, een donkerbruin tot zwart gekleurde stof, en feomelanine dat geel tot roodbruin gekleurd is. Beide pigmenten zijn polymeren van afgeleide stoffen van tyrosine, dat door een aminozuurtransporter opgenomen moet worden in de melanosomen van melanocyten: gespecialiseerde organellen dus in gespecialiseerde cellen van de dermislaag van de huid die instaan voor de melaninesynthese. De chemische wegen die leiden tot beide pigmenten zijn vrij ingewikkeld, maar beginnen met het enzym tyrosinase (TYR in .  figuur 9.20), waarvan het gen door mutatie is geïnactiveerd bij personen met een van de vormen (OCA1) van albinisme. Andere genetisch bepaalde vormen van albinisme – waarbij onderscheid wordt gemaakt tussen de oculaire vorm (OA) en de oculocutane vorm (OCA) – worden veroorzaakt door mutaties in bijkomende genen die belangrijk zijn voor de tyrosine-opname en melaninesynthese (.  figuur 9.20). Vanaf het door tyrosinase geproduceerde dopaquinon lopen de twee wegen uiteen. Tijdens de eumelanineweg zal dopachroom tautomeriseren tot dihydroxyindole-2-carboxylzuur (DHICA in . figuur 9.20) en verder oxideren; dit door twee enzymen (DCT en TYRP1) die paralogen zijn

9.4 • Van aminozuren afgeleide stoffen

303

. Figuur 9.20  Links: melaninesynthese in melanocyten begint met tyrosineopname door de melanosomen (verantwoordelijk eiwit OCA2) en oxidatie van tyrosine door tyrosinase (TYR = OCA1). De synthese kan twee richtigen uit: de eumelanineweg vereist het enzym dopachroomtautomerase (DCT) en een tyrosinaseparaloog (TYRP1) die leiden tot het zwarte eumelanine. De andere is de feomelanineweg; deze verbruikt cysteïne, hetgeen leidt tot een zwavelbevattend rood polymeer. Rechts is getoond hoe de competitie tussen twee lokaal aangemaakte hormonen – het melanocortine en het agouti signaling peptide (ASIP) – ter hoogte van de melanocortine-1-receptor de melanocyt laat ‘kiezen’ tussen de eumelanineweg en de feomelanineweg en daardoor invloed heeft op de kleur van het melaninepigment. OCA = oculocutane vorm van albinisme.

van het tyrosinase. De feomelanineweg verloopt door covalente aanhechting van een cysteïneresidu aan dopaquinon, waardoor 5-S-cysteïnyl-DOPA ontstaat, dat een tweede ring vormt (1,4-benzothiazinylalanine) en dan polymeriseert. De mature melanosomen worden vanuit de melanocyten naar de keratinocyten gebracht, waar zij een rol gaan spelen in het afschermen van de celkern (bescherming tegen DNA-schade) of in het kleuren van haar (zoogdieren) of veren (vogels). Een tweede bijzonderheid in dit verhaal is het mechanisme waarmee de melaninesynthese geregeld wordt in de melanocyten (. figuur 9.20 rechts). Sleutel in deze regeling is de expressie van de melanocortine-1-receptor (MC1R) op de plasmamembraan van de melanocyten; deze receptor heeft een constitutieve (basale) activiteit, maar kan ook geactiveerd worden door alfaen bèta-melanocortine dat door enzymatische processing uit het grotere precursorhormoon pro-opiomelanocortine (POMC) wordt ‘geknipt’. Naburige epidermale keratinocyten maken POMC als een lokaal werkend hormoon, dit onder impuls van UV-stralen die de expressie van p53 doen verhogen. Hierdoor wordt melanocortine aan naburige melanocyten aangeboden als een signaal om extra pigment aan te maken, zodat de huid bruiner wordt. De binding van melanocortine op de MC1R werkt als een agonist en stimuleert de melanocyten tot meer productie van cyclisch AMP, waardoor eumelanine gemaakt wordt dat zich zal opstapelen in de melanosomen. Maar voor dezelfde MC1R kan er vanuit het agouti signa-

9

304

Hoofdstuk 9 • Aminozuurmetabolisme

ling protein (ASIP)-gen in de huid een lokaal hormoon gemaakt worden, het agouti signaling protein, dat werkt als een inverse agonist van de MC1R die de basale (constitutieve) cAMPproductie onderdrukt. Hierdoor schakelen de melanosomen over op de feomelaninesynthese. Dit evenwicht betekent dat een – genetisch bepaalde – verhouding tussen de onderling competerende melanocortine en ‘agouti signaling protein’ op de MC1R de kleur van de melanosomen bepaalt. Hoe de melanosomen terechtkomen in de keratinocyten is een onderwerp van actueel onderzoek (Schiaffino, 2010; Kondo & Hearing, 2011). Een bijkomende receptor (GPR134 die ook OA1 wordt genoemd omdat mutaties leiden tot oculair albinisme 1) beïnvloedt de maturatie van de melanosomen in de cel. Andere belangrijke onderwerpen voor verdere studie zijn de regeling van de melaninevorming door UV-licht (zonlicht) en het verband tussen de dosis UVblootstelling van de huid en het risico op huidkanker (Schiaffino, 2010). 9.4.9 Serotonine en melatonine

Serotonine

9

Ook serotonine (ook wel 5-hydroxytryptamine (5-HT) genoemd) is een belangrijke neurotransmitter die de mogelijkheid bezit om een waaier van effecten uit te lokken. Het zal gezien de voorgaande paragrafen niet verbazen dat deze waaier mogelijk is door een uigebreide familie van wel 14 soorten serotoninereceptoren, met vooral expressie in specifieke delen van de hersenen (5-HTR1A t/m 5-HTR1F; 5-HTR2A t/m 5-HTR2C; 5-HTR3; 5-HTR4; 5-HTR5; 5-HTR6). Dit geeft het serotoninerge syteem de mogelijkheid om een uitgebreid spectrum van neurospychologische effecten te doen ontstaan, dat uiteenloopt van een veranderde gemoedstoestand, veranderde waak- en slaaptoestand, veranderd honger- en verzadigingsgevoel tot veranderde seksuele drift. Het zal daarom ook niet verwonderen dat het serotoninerge systeem doelwit is voor een hele batterij psychofarmaca, die gebruikt worden bij de medicamenteuze behandeling van psychiatrische stoornissen, zoals depressie. Het bekendste voorbeeld is de klasse van selectieve serotonineheropnameremmers (SSRI’s), die de serotonineconcentratie in de synapsspleet verhogen en daardoor de depressieve gemoedstoestand onderdrukken. Buiten het zenuwstelsel wordt serotonine aangemaakt door de enterochromaffiene cellen van de darmwand, waar het een rol speelt in de darmmotiliteit. Een deel van het in de darm aangemaakte serotonine wordt opgenomen door bloedplaatjes, die veruit de grootste serotoninevoorraad van het lichaam in de circulatie vervoeren. In de bloedvaten speelt serotonine een rol bij de vasoconstrictie (vandaar de naam). De tweestaps biosynthetische weg van tryptofaan tot serotonine is samengevat in . figuur 9.21. De eerste reactie, de enzymatische hydroxylering van tryptofaan, lijkt een beetje op de enzymatische hydroxylering van fenylalanine, in die zin dat tetrahydrobiopterine in beide reacties als tweede reductans van moleculaire zuurstof voorkomt. Het verantwoordelijke enzym voor de serotoninesynthese is tryptofaanhydroxylase, waarvan twee paralogen (TPH1 en TPH2) bekend zijn die gecodeerd worden door twee verschillende genen. De tweede stap is het werk van aromatisch aminozuurdecarboxylase, (DDC), dat 5-hydroxytryptofaan omzet in serotonine (.  figuur 9.21). Merk op dat dit enzym een gelijklopende reactie katalyseert bij de omzetting van DOPA in dopamine (. figuur 9.19).

Melatonine

Melatonine (niet te verwarren met melanine) wordt volgens een circadiaan ritme in twee stappen gemaakt vanuit serotonine. Dit proces wordt geregeld door lichtinval op de retina; de ei-

9.4 • Van aminozuren afgeleide stoffen

305

. Figuur 9.21  Serotonine (5-hydroxytryptamine) is een afgeleide van tryptofaan. De snelheidsbeperkende stap is de oxidatie van de aromatische ring door een van de twee paralogen van tryptofaanhydroxylase (TPH1 en TPH1). Daarna volgt de decarboxylering door aromatisch aminozurdecarboxylase (DDC).

. Figuur 9.22  De synthese van melatonine uit serotonine. Deze stap wordt gekatalyseerd door serotonine-Nacetyltransferase (AANAT, ook wel aralkylamine-N-acetyltransferase genoemd). Na de acetylering volgt een methylering van de indol-OH-groep door het enzym acetylserotonine-O-methyltransferase (ASMT, met als alternatieve naam hydroxyindol-O-methyltransferase of HIOMT).

genlijke omzetting van serotonine in melatonine gebeurt specifiek in de pijnappelklier (corpus pinealis) boven het vierde ventrikel van de hersenen. De snelheidsbeperkende en door licht geregelde stap van melatoninesynthese is de transfer van een acetylgroep van acetyl-CoA naar de primaire aminogroep van serotonine (. figuur 9.22). Horizon Zijn er verbanden tussen serotonine, melatonine en het metabolisme? Volgens gangbare opvattingen bestaat er een strikte scheiding in het gebruik van TPH1 en TPH2 door gespecialiseerde lichaamscellen (Walther et al., 2003). In de raphe nuclei van het centraal zenuwstelsel is TPH2 verantwoordelijk voor de serotoninesynthese; in de enterochromaffiene cellen en in de pijnappelklier wordt echter alleen TPH1 gebruikt. De exacte betekenis hiervan is nog onvolledig bekend.

9

306

9

Hoofdstuk 9 • Aminozuurmetabolisme

Het is de laatste jaren ook duidelijk geworden dat de biologie van serotonine op vele andere terreinen nog lang niet opgehelderd is. Serotonine speelt een belangrijke rol in de leverregeneratie (Lesurtel et al., 2006) en in de regeling van de botmassa (Yadav et al., 2008) en kan daarmee het lichaamsmetabolisme helpen regelen. Serotonine heeft dus het vermogen om celproliferatie te controleren. Het oefent ook een aantal (metabole) taken uit tijdens de voortplanting. In de borstklieren wordt de melkproductie onderdrukt tot na de bevalling (Matsuda et al., 2004). Tijdens de zwangerschap werkt serotonine als een circulerend hormoon, dat door de moeder wordt aangemaakt om de ontwikkeling van de foetale hersenen te ondersteunen (Cote et al., 2007). Een ander mogelijk metabool aanknopingspunt is dat bèta-cellen bij zwangerschap naast de gebruikelijke insuline ook serotonine beginnen te produceren (Schraenen et al., 2010), maar waarom dat precies in deze cellen gebeurt, is vooralsnog onbekend. Expressie van serotonine-N-acetyltransferase in de pijnappelklier (corpus pinealis) net boven het vierde hersenventrikel is zeer sterk onderhevig aan een circadiaan ritme, omdat lichtinval op het netvlies via de oogzenuw een rem veroorzaakt van de noradrenerge stimulatie van cAMP-productie in de pijnappelkliercellen, die instaan voor gentranscriptie (Foulkes et al., 1997). De ritmische transcriptie van het N-acetyltransferase-gen veroorzaakt een circadiaans ritme van de melatoninesecretie, die maximaal is gedurende de nacht en de slaaptoestand onderhoudt. De chronobiologie is een tak van de biologie die zich bezighoudt met ritmiciteit van het leven. Een natuurlijke oorzaak is de rotatie van de aarde om zijn eigen as met daardoor een 24-uurscyclus van zonlicht, en in een baan rond de zon, hetgeen buiten de tropen seizoenen veroorzaakt. Planten hebben in hun cellen een metabole klok ontwikkeld die metabolisme (fotosynthese) gelijkschakelt aan de cyclus van licht. Dit onderwerp valt enigszins buiten het kader van het boek, maar ook dieren hebben verschillende lagen van een ingewikkelde moleculaire klok die het lichaam doet functioneren in een circadiaan ritme van wakker zijn/slapen, eten/niet eten; dit heeft talrijke gevolgen voor het metabolisme en de metabole regeling (Huang et al., 2011). Naast de door melatonine aangedreven klok die invloed heeft op de waak-slaapcyclus en de metabole toestand van het organisme, is er in de meeste cellen ook in intrinsieke klok die wordt onderhouden door een basisgroep van enkele, elkaar tegenwerkende paren van transcriptiefactoren. Inderdaad, Period/Chryptochrome zijn onderdrukkers van het duo Clock/Bmal, maar de laatse stimuleren de eerste en zo ontstaat een oscillerend systeem van expressie (Huang et al., 2011; Eckel-Mahan et al., 2013). De complexiteit van dit systeem wordt enerzijds vergroot door het bestaan van paralogen (bijvoorbeeld PER1 tem PER3, CRY1 en CRY2), maar ook omdat deze ‘basisklok’ invloed heeft op de expressie van andere transcriptiefactoren, waaronder een reeks nucleaire hormoonreceptoren (bijvoorbeeld PPAR’s). Dit interagerende netwerk heeft in de kern van bijvoorbeeld levercellen invloed op de expressie van enzymen van de gluconeogenese en ketogenese en in de hypothalamus op centra die de eetlust en de autonome bezenuwing van het lichaam sturen (Eckel-Mahan et al., 2013). Er zijn talrijke raakvlakken met voor de mens relevant metabole ziekten. Zo lijken obesitas en metabool syndroom gepaard te gaan met een ontregeling van de metabole klok in de lever (Eckel-Mahan et al., 2013). Een ander voorbeeld is de genetische predispositie voor het ontstaan van type-2-diabetes door mutaties in het gen dat codeert voor een van de melatoninereptoren die tot expressie komen in de insulineproducerende bèta-cellen (Bouatia-Naji et al., 2009).

9.4 • Van aminozuren afgeleide stoffen

307

. Figuur 9.23  Synthese van GABA uit glutamaat gebeurt specifiek in de hersenen en in de pancreatische bèta-cellen door expressie van het enzym glutamaatdecarboxylase (GAD1 en GAD2).

. Figuur 9.24  Samenwerking tussen astrocyten en neuronen in de synthese van glutamaat en GABA. De bloed-hersenbarrière is niet doorgankelijk voor glutamaat, zodat astrocyten glutamaat maken uit glucose en alanine. Daarbij maken ze gebruik van pyruvaatcarboxylase (PC) en glutamaatdehydrogenase 2 (GLUD2). Glutamaat wordt in astrocyten omgezet tot glutamine door het enzym glutamaatammonia ligase (GLUL), via glutaminetransporters afgegeven aan het interstitium en opgenomen door naburige axonen. Links zal een neuron glutamine via glutaminase 1 (GLS1) omzetten tot glutamaat en deze neurotransmitter verzamelen in synaptische vesikels. Rechts staat een GABA-erg neuron dat het aangemaakte glutamaat verder decarboxyleert tot GABA (GAD = glutamaatdecarboxylase). Astrocyten verminderen de ‘ruis’ in de synapsspleten door heropname (*) van gesecreteerd glutamaat en GABA, dat wordt gerecycleerd tot glutamaat via de GABA-shunt.

9.4.10 Glutamine, glutamaat en GABA

In de hersenen zijn glutamaat en zijn afgeleide GABA (gamma-aminobutyraat) belangrijke neurotransmitters. GABA wordt in bepaalde neuronen van het centraal zenuwstelsel en in pancreatische bèta-cellen in één stap geproduceerd uit glutamaat (.  figuur 9.23) die dankzij een van de twee paralogen van het enzym glutamaatdecarboxylase (GAD1 en GAD2). GABA bindt op specifieke ionenkanaalreceptoren op de postsynaptische membraan en dit onderdrukt de elektrische activiteit van zenuwcellen. Glutamaat is zelf een zeer belangrijke exitatorische neurotransmitter en bindt op een breed aanbod van verschillende receptoren. Een bijzonder nieuw inzicht is dat er – naast de eerder besproken GLUD1-paraloog van het glutamaatdehydrogenase – bij de mens en andere mensapen een tweede paraloog (GLUD2) in het genoom aanwezig is (Plaitakis et al., 2013). Dit gen wordt specifiek door de hersenen en testes (Leydig-cellen) gebruikt (Spanaki et al., 2010). Het op het X-chromosoom gelegen GLUD2-gen heeft geen introns en is tijdens de evolutie van mensapen via een transposon in het genoom terechtgekomen. Men vermoedt dat deze hersenspecifieke GLUD2-isovorm een belangrijke rol speelt in de metabole ondersteuning (recyclen) van het glutamaat en GABAmetabolisme door astrocyten (. figuur 9.24).

9

308

9

Hoofdstuk 9 • Aminozuurmetabolisme

Om te voorkomen dat via de voeding opgenomen en in het bloed circulerend glutamaat een chaotische hersenprikkeling veroorzaakt (ruis, hallucinaties, ongewenste bewegingen), passeert glutamaat niet door de bloed-hersenbarrière (.  figuur 9.24). Glutamaat secreterende neuronen worden voor hun werk ondersteund door astrocyten die glutamaat maken uit glucose en bijvoorbeeld alanine (.  figuur 9.3). Door het enzym glutamaatammonia ligase (glutaminesynthetase - GLUL) wordt glutamaat omgezet tot glutamine, dat de astrocyten verlaat. Neuronen nemen dit glutamine op en zetten het dankzij glutaminase 1 (GLS1) weer om in glutamaat, dat zij verzamelen in synaptische vesikels. Andere neuronen kunnen het opgenomen glutamine verder metaboliseren tot GABA. Een bijkomende ruisverlagende functie is de opname van in de synapsspleet gesecreteerd glutamaat en GABA door de astrocyten (.  figuur  9.24). Dit vermindert de bezetting van postsynaptische receptoren met de neurotransmitter en verhoogt de receptiviteit van de postsynaptische dendrieten. GABA wordt door de zogenoemde GABA-shunt in de astrocyten gerecycleerd tot succinaat, dat om te zetten is in alfa-ketoglutaraat, de voorloper van glutamaat. De astrocyten verlenen met met hun intense glutaminesynthese (. figuur 9.24) een cruciale ondersteunende rol in de neurotransmissie (Albrecht et al., 2010) en het is niet overdreven om te stellen dat zonder deze metabole hulp de synaptische transmissie via glutamaat en glutamine niet zou kunnen gebeuren (Schousboe et al., 2013; Plaitakis et al., 2013). Natriumglutamaat wordt in de Oosterse keuken ook vaak gebruikt als smaakversterker (umami) en de mens heeft speciale smaakreceptoren die de glutamaatconcentratie in het voedsel proeven. 9.4.11 Thyroxine

Een andere tyrosineafgeleide is thyroxine (ook wel tetrajodothyronine of T4 genoemd). Deze aminozuurafgeleide wordt in de folliculaire cellen van de schildklier gemaakt na stimulatie van cAMP-productie dankzij binding van hypofysair thyroid stimulating hormone (TSH) op TSH-receptoren (.  figuur  9.25). Gevolgen zijn een verhoogde genexpressie en secretie van thyroglobuline, maar ook pinocytoseopname en lysosomale vertering van een zeer abundant schildkliereiwit, het thyroglobuline, dat in het lumen van de follikels gelegen is in het colloïd (.  figuur  9.25). Binnen deze colloïdale eiwitoplossing heeft bovendien een bijzondere chemische verandering plaatsgevonden, waarbij in elkaars buurt liggende tyrosinezijketens van thyroglobuline enzymatisch worden gejodineerd met moleculair di-jood (I2). De schildklier is door TSH ook actief in het pompen van jodide-anionen in dit lumen en de oxidatie van jodide tot het redoxreagens I2. Het door de schildklier geproduceerde thyroxine wordt vervolgens in de extracellulaire ruimte gesecreteerd en dan door thyroid hormone binding globuline en transthyretine (twee plasma-eiwitten) via de bloedbaan getransporteerd naar de doelwitcellen. Daar moet het door de plasmamembraan diffunderen om in het cytoplasma van de cel van een van de vier jodiumatomen ‘ontdaan’ te worden door een activerende stap, die conceptueel lijkt op de perifere activering van glucocorticoïden en van testosteron. Hierdoor wordt T4 door een van de paralogen van het enzym jodothyroninedeiodinase (DIO1 tem DIO3) omgezet tot het actieve T3, dat bindt op een specifieke schildklierhormoonreceptor (THR). Deze receptor vormt, net als de vitamine-D-receptor, heterodimeren met leden van de retinoïnezuurreceptoren. De schildklierhormoonreceptor is bovendien – net als de vitamine-D-receptor, steroïdhormoonreceptoren en retinoïnezuurreceptoren – een familielid van de nucleaire hormoonreceptorfamilie.

9.4 • Van aminozuren afgeleide stoffen

309

. Figuur 9.25  Productie van thyroxine (T4) in de follikels van de schildklier omvat de metabole activering van jodide (I-) tot het redoxreactieve I2 (A), de jodinatie van bepaalde tyrosineresiduen in het thyroglobulineeiwit tot di-jodothyrosineresiduen (B) en de covalente verbinding tussen di-jodothyrosineresiduen (C). De pinocytose van thyroglobuline gevolgd door lysosomiale afbraak leidt dan tot secretie van T4 (D), dat in perifere cellen door het enzym jodothyroninedeiodinase wordt geactiveerd tot T3 (E). Beneden links: schildklierstimulatie met het hypofysaire hormoon TSH leidt tot verhoogde biosynthese, jodinatieopname en lysosomale hydrolyse van thyroglobuline door de follikelcellen die T4 afgeven aan de bloedbaan.

Het gevolg van de activatie van schildklierhormoonreceptoren door T3 is onder meer een verhoging van het basale metabolisme door expressie van UCP’s (7 par. 5.8) en ontkoppeling van de oxidatieve fosforylering. Dit leidt tot warmteproductie, wat verklaart waarom mensen met een te snelle schildklierfunctie (hyperthyreoïdie) een te hoge lichaamstemperatuur hebben en warmte slecht verdragen, terwijl mensen met een te lage schildklierfunctie (hypothyreoïdie) juist koude slecht verdragen doordat ze te gemakkelijk afkoelen. 9.4.12 Histamine

We eindigen dit hoofdstuk met histamine, een aminozuurafgeleide die in één stap ontstaat door decarboxylering van histidine (. figuur 9.26), een gegeven dat erg lijkt op de synthese van GABA uit glutamaat. Histidinedecarboxylase (HDC) wordt intens gebruikt door mastcellen in de huid en basofiele granulocyten (een wit bloedceltype) die histamine gebruiken als mediator van inflammatie (Akdis et al., 2008), maar ook in de maagmucosa waar histamine de maagzuursecretie opdrijft. Histaminevrijstelling in de huid veroorzaakt vasodilatatie en verhoogde vaatpermeabiliteit, wat roodheid en zwelling bij een ontstekingsreactie verklaart. Wanneer er massale vrijstelling van histamine in de circulatie plaatsvindt, bijvoorbeeld na een wespensteek in een ader bij een overgevoelige persoon, ontstaat een systemische allergische reactie met sterke bloeddrukdaling (anafylactische shock). Ook bij lokale allergische reacties in slijmvliezen van de neusholte (allergische rinitis), ogen (allergische conjunctivitis), huid (urticaria) of ademhalingswegen (astma) speelt overdreven secretie van histamine een belangrijke mechanistische rol.

9

310

Hoofdstuk 9 • Aminozuurmetabolisme

. Figuur 9.26  Synthese van histamine vanuit histidine gebeurt via het enzym histidinedecarboxylase (HDC). Histamine speelt een belangrijke rol als activator van ontsteking en van de maagzuursecretie.

In de maagwand is lokale histamineproductie verantwoordelijk voor de stimulatie van de maagzuursecretie. Zoals het geval is voor catecholaminen, glutamine en serotonine, bestaat er ook voor histamine als signaal een keuzemogelijkheid van specifieke histaminereceptoren (7 H1 tem H4) om de diverse fysiologische processen te laten plaatsvinden (Seifert et al., 2013). Dit gegeven maakt het mogelijk om bij pathologische verstoringen farmacologisch selectief werkende stoffen te ontwikkelen die de zuursecretie in de maagwand onderdrukken, of ontstekingswerende antagonisten die de maag ongemoeid laten (Thurmond et al., 2008). De pionier van de ontwikkeling van dergelijke receptorspecifieke antihistaminica was Sir James Black. Literatuur

9

Albrecht, J., Sidoryk-Węgrzynowicz, M., Zielińska, M. & Aschner, M. (2010). Roles of glutamine in neurotransmission. Neuron Glia Biol. 6, 263–276. Akdis, C.A., Jutel, M. & Akdis, M. (2008). Regulatory effects of histamine & histamine receptor expression in human allergic immune responses. Chem. Immunol. Allergy. 94, 67–82. Arch, J.R. (2002). Beta(3)-Adrenoceptor agonists: potential, pitfalls and progress. Eur J Pharmacol. 440, 99–107. Autti-Rämö, I., et al. (2005). Expanding screening for rare metabolic disease in the newborn: an analysis of costs, effect and ethical consequences for decision-making in Finland. Acta Paediatr. 94, 1126–1136. Baker, DH. (2005). Comparative nutrition and metabolism: explication of open questions with emphasis on protein and amino acids. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 102, 17897–17902. Bertram, L. & Tanzi, R.E. (2005). The genetic epidemiology of neurodegenerative disease. J. Clin. Invest. 115, 1449–1457. Bosma, P.J. (2003). Inherited disorders of bilirubin metabolism. J. Hepatol. 38, 107–117. Bouatia-Naji, N., Bonnefond, A., Cavalcanti-Proenca, C., Sparso, T., Holmkvist, J., Marchand, M. et al. (2009). A variant near MTNR1B is associated with increased fasting plasma glucose levels & type 2 diabetes risk. Nat. Genet. 41, 89–94. Braissant, O. & Henry, H. (2008). AGAT, GAMT and SLC6A8 distribution in the central nervous system, in relation to creatine deficiency syndromes: a review. J Inherit Metab Dis. 31, 230–239. Brosnan, J.T. & Brosnan, M.E. (2007). Creatine: Endogenous metabolite, dietary, & therapeutic supplement. Ann. Rev. Nutr. 27, 241–261. Brosnan, M.E. & Brosnan, J.T. (2009). Hepatic glutamate metabolism: a tale of 2 hepatocytes. Am. J. Clin. Nutr. 90, 857S–861S. Bult, H., Boeckxstaens, G.E., Pelckmans, P.A., Jordaens, F.H., Van Maercke, Y.M. & Herman, A.G. (1990). Nitric oxide as an inhibitory non-adrenergic non-cholinergic neurotransmitter. Nature 345, 346–347. Camp, K.M., Lloyd-Puryear, M.A. & Huntington, K.L. (2012). Nutritional treatment for inborn errors of metabolism: indications, regulations, and availability of medical foods and dietary supplements using phenylketonuria as an example. Mol Genet Metab. 107, 3–9. Caruso, J., Charles. J., Unruh, K., Giebel, R., Learmonth, L. & Potter, W. (2012). Ergogenic effects of β-alanine and carnosine: proposed future research to quantify their efficacy. Nutrients. 4, 585–601. Casero, R.A. & Pegg, A.E. (2009). Polyamine catabolism and disease. Biochem J. 421, 323–338. Childs, A.C., Mehta, D.J. & Gerner, E.W. (2003). Polyamine-dependent gene expression. Cell Mol. Life Sci. 60, 1394–1406.

Literatuur

311

Cote, F., Fligny, C., Bayard, E., Launay, J.M., Gershon, M.D., Mallet, J. et al. (2007). Maternal serotonin is crucial for murine embryonic development. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 104, 329–334. Derave, W., Ozdemir, M.S., Harris, R.C., Pottier, A., Reyngoudt, H., Koppo, K., Wise, J.A. & Achten, E. (2007). Betaalanine supplementation augments muscle carnosine content and attenuates fatigue during repeated isokinetic contraction bouts in trained sprinters. J Appl Physiol. 103, 1736–1743. Eckel-Mahan, K. & Sassone-Corsi, P. (2013). Metabolism and the circadian clock converge. Physiol Rev. 93, 107–135. Endo, F., Matsuura, T., Yanagita, K. & Matsuda, I. (2004). Clinical manifestations of inborn errors of the urea cycle & related metabolic disorders during childhood. J. Nutr. 134, 1605S–1609S. Flora, G., Gupta, D. & Tiwari A. (2012). Toxicity of lead: A review with recent updates. Interdiscip Toxicol. 5, 47–58. Foulkes, N.S., Borjigin, J., Snyder, S.H. & Sassone-Corsi, P. (1997). Rhythmic transcription: the molecular basis of circadian melatonin synthesis. Trends Neurosci. 20, 487–492. Furchgott, R.F. & Zawadzki, J.V. (1980). The obligatory role of endothelial cells in the relaxation of arterial smooth muscle by acetylcholine. Nature. 288, 373–376. Furchgott, R.F., Cherry, P.D., Zawadzki, J.V. & Jothianandan, D. (1984). Endothelial cells as mediators of vasodilation of arteries. J. Cardiovasc. Pharmacol. 6 Suppl 2, S336–S343. Galgano, F., Caruso, M., Condelli, N. & Favati, F. (2012). Focused review: agmatine in fermented foods. Front Microbiol. 3, 199. Girault, J.A. & Greengard, P. (2004). The neurobiology of dopamine signaling. Arch. Neurol. 61, 641–644. Grady, S.L., Purdy, J.G., Rabinowitz, J.D. & Shenk, T. (2013). Argininosuccinate synthetase 1 depletion produces a metabolic state conducive to herpes simplex virus 1 infection. Proc Natl Acad Sci U.S.A. 110, E5006–5015. Granadino, B., Beltran-Valero de, B.D., Fernandez-Canon, J.M., Penalva, M.A. & Rodriguez de, C.S. (1997). The human homogentisate 1, 2-dioxygenase (HGO) gene. Genomics. 43, 115–122. Gropman, A.L. (2012). Patterns of brain injury in inborn errors of metabolism. Semin. Pediatr. Neurol. 19, 203–210. Gross, U., Hoffmann, G.F. & Doss, M.O. (2000). Erythropoietic & hepatic porphyrias. J. Inherit. Metab Dis. 23, 641–661. Gupta, V.K., et al. (2013). Restoring polyamines protects from age-induced memory impairment in an autophagy-dependent manner. Nat. Neurosci. 16: 1453–1460. Hoeks, M.P., Heijer, M. den & Janssen, M.C. (2009). Adult issues in phenylketonuria. Neth J Med. 67, 2–7. Hipkiss, A.R. (2009). Carnosine and its possible roles in nutrition and health. Adv Food Nutr Res. 57, 87–154. Huang, W., Ramsey, K.M., Marcheva, B. & Bass, J. (2011). Circadian rhythms, sleep, and metabolism. J Clin Invest. 121, 2133–2141. Humphrey, L.L., Fu, R., Rogers, K., Freeman, M. & Helfand, M. (2008). Homocysteine level & coronary heart disease incidence: a systematic review & meta-analysis. Mayo Clin. Proc. 83, 1203–1212. Ignarro, L.J. (2002). Nitric oxide as a unique signaling molecule in the vascular system: a historical overview. J. Physiol. Pharmacol. 53, 503–514. Jaffe, E.K. & Stith, L. (2007). ALAD porphyria is a conformational disease. Am. J. Hum. Genet. 80, 329–337. Joseph, J. & Loscalzo, J. (2013). Methoxistasis: integrating the roles of homocysteine and folic acid in cardiovascular pathobiology. Nutrients. 5, 3235–3256. Kamibayashi, T. & Maze, M. (2000). Clinical uses of alpha2 -adrenergic agonists. Anesthesiol. 93, 1345–1349. Kauppinen, R. (2005). Porphyrias. Lancet. 365, 241–252. Kips, J.C. & Pauwels, R.A. (2001). Long-acting inhaled beta(2)-agonist therapy in asthma. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 164, 923–932. Kirk, J.M. (2008). Neonatal jaundice: a critical review of the role & practice of bilirubin analysis. Ann. Clin. Biochem. 45, 452–462. Knipp, S. & Bicker, G. (2009). Regulation of enteric neuron migration by the gaseous messenger molecules CO & NO. Development. 136, 85–93. Kondo, T. & Hearing, V.J. (2011). Update on the regulation of mammalian melanocyte function and skin pigmentation. Expert Rev Dermatol. 6, 97–108. Lawrence, S.H., Ramirez, U.D., Selwood, T., Stith, L. & Jaffe, E.K. (2009). Allosteric inhibition of human porphobilinogen synthase. J. Biol. Chem. 18, 35807–35817. Lesurtel, M., Graf, R., Aleil, B., Walther, D.J., Tian, Y., Jochum, W. et al. (2006). Platelet-derived serotonin mediates liver regeneration. Science. 312, 104–107. Litman, T., Søgaard, R. & Zeuthen, T. (2009). Ammonia and urea permeability of mammalian aquaporins. Handb Exp Pharmacol. 2009, 327–358. Liu, P.T. & Modlin, R.L. (2008). Human macrophage host defense against Mycobacterium tuberculosis. Curr. Opin. Immunol. 20, 371–376.

9

312

9

Hoofdstuk 9 • Aminozuurmetabolisme

Matsuda, M., Imaoka, T., Vomachka, A.J., Gudelsky, G.A., Hou, Z., Mistry, M. et al. (2004). Serotonin regulates mammary gland development via an autocrine-paracrine loop. Dev. Cell. 6, 193–203. Mayer, M. (2000). Association of serum bilirubin concentration with risk of coronary artery disease. Clin. Chem. 46, 1723–1727. McCully, K.S. (2007). Homocysteine, vitamins, & vascular disease prevention. Am. J. Clin. Nutr. 86, 1563S–1568S. McMurdy, J.W., Jay, G.D., Suner, S. & Crawford, G. (2008). Noninvasive optical, electrical, & acoustic methods of total hemoglobin determination. Clin. Chem. 54, 264–272. Mesa, J.L.M., Ruiz, J.R., Gonzalez-Gross, M.M., Sainz, A.G. & Garzon, M.J.C. (2002). Oral creatine supplementation & skeletal muscle metabolism in physical exercise. Sports Med. 32, 903–944. Missale, C., Nash, S.R., Robinson, S.W., Jaber, M. & Caron, M.G. (1998). Dopamine receptors: from structure to function. Physiol. Rev. 78, 189–225. Moinard, C. & Cynober, L. (2007). Citrulline: a new player in the control of nitrogen homeostasis. J. Nutr. 137, 1621S–1625S. Moini, M., Mistry, P. & Schilsky, M.L. (2010). Liver transplantation for inherited metabolic disorders of the liver. Curr Opin Organ Transplant. 15, 269–276. Moncada, S., Palmer, R.M. & Higgs, E.A. (1988). The discovery of nitric oxide as the endogenous nitrovasodilator. Hypertension. 12, 365–372. Norenberg, M.D., Rama Rao, K.V. & Jayakumar, A.R. (2009). Signaling factors in the mechanism of ammonia neurotoxicity. Metab. Brain Dis. 24, 103–117. Olsen, R.R. & Zetter, B.R. (2011). Evidence of a role for antizyme and antizyme inhibitor as regulators of human cancer. Mol Cancer Res. 9, 1285–1293. Osowska, S., Moinard, C., Neveux, N., Loi, C. & Cynober, L. (2004). Citrulline increases arginine pools & restores nitrogen balance after massive intestinal resection. Gut. 53, 1781–1786. Phillips, J.D., Jackson, L.K., Bunting, M., Franklin, M.R., Thomas, K.R., Levy, J.E. et al. (2001). A mouse model of familial porphyria cutanea tarda. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 98, 259–264. Plaitakis, A., Zaganas, I. & Spanaki, C. (2013). Deregulation of glutamate dehydrogenase in human neurologic disorders. J Neurosci Res. 91, 1007–1017. Prasad, C. & Galbraith, P.A. (2005). Sir Archibald Garrod & alkaptonuria -’story of metabolic genetics’. Clin. Genet. 68, 199–203. Recchia, A., Debetto, P., Negro, A., Guidolin, D., Skaper, S.D. & Giusti, P. (2004). Alpha-synuclein & Parkinson’s disease. FASEB J. 18, 617–626. Rodrigo, R., Cauli, O., Boix, J., ElMlili, N., Agusti, A. & Felipo, V. (2009). Role of NMDA receptors in acute liver failure & ammonia toxicity: therapeutical implications. Neurochem. Int. 55, 113–118. Sassa, S. & Kappas, A. (2000). Molecular aspects of the inherited porphyrias. J. Intern. Med. 247, 169–178. Schiaffino, M.V. (2010). Signaling pathways in melanosome biogenesis and pathology. Int J Biochem Cell Biol. 42, 1094–1104. Schousboe, A., Bak, L.K. & Waagepetersen, H.S. (2013). Astrocytic Control of Biosynthesis and turnover of the Neurotransmitters Glutamate and GABA. Front Endocrinol. 4, 102. Schraenen, A., et al. (2010). Placental lactogens induce serotonin biosynthesis in a subset of mouse beta cells during pregnancy. Diabetologia 53, 2589–2599. Seifert, R., Strasser, A., Schneider, E.H., Neumann, D., Dove, S. & Buschauer A. (2013). Molecular and cellular analysis of human histamine receptor subtypes. Trends Pharmacol Sci. 34, 33–58. Shintaku, H. (2002). Disorders of tetrahydrobiopterin metabolism & their treatment. Curr. Drug Metab. 3, 123–131. Spanaki, C., Zaganas, I., Kleopa, K.A. & Plaitakis, A. (2010). Human GLUD2 glutamate dehydrogenase is expressed in neural and testicular supporting cells. J Biol. Chem. 285, 16748–16756. Strosberg, A.D. (1993). Structure, function, & regulation of adrenergic receptors. Protein Sci. 2, 1198–1209. Thurmond, R.L., Gelfand, E.W. & Dunford, P.J. (2008). The role of histamine H1 & H4 receptors in allergic inflammation: the search for new antihistamines. Nat. Rev. Drug Discov. 7, 41–53. Vaz, F.M. & Wanders, R.J.A. (2002). Carnitine biosynthesis in mammals. Biochem. J. 361, 417–429. Wagner, C. & Koury, M.J. (2007). S-Adenosylhomocysteine: a better indicator of vascular disease than homocysteine? Am. J. Clin. Nutr. 86, 1581–1585. Waldman, S.A. & Murad, F. (1988). Biochemical mechanisms underlying vascular smooth muscle relaxation: the guanylate cyclase-cyclic GMP system. J. Cardiovasc. Pharmacol. 12 Suppl 5, S115–S118. Walther, D.J., Peter, J.U., Bashammakh, S., Hortnagl, H., Voits, M., Fink, H. et al. (2003). Synthesis of serotonin by a second tryptophan hydroxylase isoform. Science. 299, 76.

Literatuur

313

Wanasen, N. & Soong, L. (2008). L-arginine metabolism & its impact on host immunity against Leishmania infection. Immunol. Res. 41, 15–25. Willert, E. & Phillips, M.A. (2012). Regulation and function of polyamines in African trypanosomes. Trends Parasitol. 28, 66–72. Woreta, T.A. & Alqahtani, SA. (2014). Evaluation of abnormal liver tests. Med Clin North Am. 98, 1–16. Yadav, V.K., Ryu, J.H., Suda, N., Tanaka, K.F., Gingrich, J.A., Schutz, G. et al. (2008). Lrp5 controls bone formation by inhibiting serotonin synthesis in the duodenum. Cell. 135, 825–837. Zhou, L. & Zhu, D.Y. (2009). Neuronal nitric oxide synthase: structure, subcellular localization, regulation, & clinical implications. Nitric. Oxide. 20, 223–230.

9

315

Nucleotidenmetabolisme Samenvatting In hoofdstuk 10 bekijken we het metabolisme van purine- en pyrimidinebasen. Deze basen zijn afgeleiden van vier niet-essentiële aminozuren (glycine, serine, glutamine, aspartaat). De de novo synthese van nieuwe basen wordt onderscheiden van de salvageweg, het hergebruik van eerder gemaakte basen. De basen worden geplaatst op een geactiveerde ribosebouwsteen (PRPP) en een netwerk van kinasen zorgt voor een evenwicht tussen alle (desoxy) ribonucleotiden die cellen nodig hebben. De substraatkieskeurigheid van ribonucleotidereductase zorgt voor een evenwicht tussen de vier bouwstenen voor DNA-synthese. Aanmaak van thymine uit uracil vereist thymidylaatsynthase en dihydrofolaatreductase, twee enzymen die vaak doelwit zijn in chemotherapie van kankerpatiënten. De stikstof in overtollige pyrimidinebasen wordt uitgescheiden als ureum; purinebasen worden via het xanthineoxidase omgezet tot urinezuur, dat door de nieren wordt uitgescheiden. Een te hoge urinezuurconcentratie in het lichaam kan leiden tot jicht, een metabole ziekte die wordt uitgelokt door een combinatie van dieet en erfelijke factoren.

10.1 Homeostase van ribo- en desoxyribonucleotiden – 316 10.2 Purinesynthese – 318 10.2.1 De novo purinesynthese – 318 10.2.2 Salvageweg van purinesynthese – 323 10.2.3 Antimetabolieten van de purinesynthese – 324

10.3 Pyrimidinesynthese – 326 10.4 Synthese van DNA-bouwstenen – 328 10.4.1 Reductie van ribose – 328 10.4.2 Synthese van dTMP – 330 10.4.3 Antimetabolieten van pyrimidininesynthese – 331

10.5 Katabolisme van nucleotiden – 332 10.5.1 Oorzaak en gevolg van jicht – 335

Literatuur – 338

F. C. Schuit, Leerboek metabolisme, DOI 10.1007/978-90-368-0620-6_10, © 2015 Bohn Stafleu van Loghum, onderdeel van Springer Media BV

10

316

Hoofdstuk 10 • Nucleotidenmetabolisme

Het nucleotidenmetabolisme is op vele manieren verweven met het totale metabolisme van de cel: 55 Nucleotiden zijn de bouwstenen van de nucleïnezuren RNA en DNA. 55 Adenineribonucleotiden vormen de structuur van de belangrijkste co-enzymen (NAD, FAD en co-enzym A). 55 Nucleotiden worden gebruikt om biosynthetische bouwstenen te activeren (bijv. UDPglucose, CDP-diacylglycerol, AMP-aminozuur). 55 ATP is vaak de energiebron voor endergonische reacties. 55 Adenineribonucleotiden spelen een belangrijke rol in de regeling van het metabolisme. Een voorbeeld is de ‘energy charge’. Een tweede voorbeeld is de ‘second messenger’ cyclisch AMP (cAMP). Een derde voorbeeld is de eiwitfosforylering die vertrekt van ATP. Een laatste voorbeeld is het feit dat adenosine en ATP liganden zijn voor purinerge receptoren. Dit alles doet vermoeden dat het metabolisme van de ribonucleotiden zeer oud is, wellicht ouder dan het ontstaan van de eerste cellen. Dit hoofdstuk besteedt aandacht aan de novo en salvage-synthese van de purine- en pyrimidinenucleotiden, evenals aan de afbraak en excretie van het purineskelet (. figuur 10.1). Een medisch relevante toepassing is het gebruik van purine- en pyrimidineanalogen die werken als antimetabolieten, om de groei van cellen af te remmen (chemotherapie van kanker, immunosuppressie). Een tweede medische toepassing is jicht, waarvan de pathologie te verklaren is door neerslag van natriumuraatkristallen in gewrichten en andere weefsels.

10

Leerdoelen 55 55 55 55

onderscheid maken tussen de novo en salvagewegen van synthese; begrip van evenwichtige aanmaak van purine- en pyrimidinenucleotiden; begrijpen van het principe van antimetabolieten; begrijpen van de relatie tussen het purinemetabolisme en jicht.

Studeeraanwijzing De hoofdstuk sluit aan op de bespreking van de van aminozuren afgeleide stoffen (7 par. 9.4) en de pentosefosfaatweg (7 par. 6.10). De tijd voor het verwerken van de kernleerstof wordt geschat op 8 uur.

10.1 Homeostase van ribo- en desoxyribonucleotiden

Het is voor de betrouwbare synthese van RNA en DNA belangrijk dat er een optimale verhouding bestaat tussen alle bouwstenen (ATP, GTP, CTP en UTP voor RNA en dATP, dGTP, dCTP en dTTP voor DNA; 7 tabel 1.4). Bovendien bestaat er een balans tussen de volledig met energierijke fosfaten opgeladen nucleoside-5’-trifosfaten en de nucleoside-5’-difosfaten, nucleoside-5’-monofosfaten en vrije nucleosiden. Voor ATP, ADP en AMP hebben we dit idee al besproken in verband met de energy charge en de regeling van metabole flux (7 par. 2.8.2). Om dit evenwicht te bereiken, is er een netwerk nodig van metabole interrelaties (. figuur 10.2). Een aantal belangrijke feiten kan voor dit netwerk worden vastgesteld:

10.1 • Homeostase van ribo- en desoxyribonucleotiden

317

. Figuur 10.1  Nucleotiden kunnen de novo worden geproduceerd uit aminozuren, ribose (afgeleid van glucose) en fosfaat. Anderzijds kunnen zij worden gerecycleerd (salvage) uit de brokstukken van versleten en afgebroken RNA en DNA. Wat na afbraak van nucleotiden niet wordt gerecycleerd, zal voor de pyrimidinebasen eindigen als ureum en voor de purinebasen als urinezuur.

. Figuur 10.2  Evenwicht tussen XTP’s en dXTP’s is mogelijk dankzij fluxcontrole aan het begin van de de novo synthese, evenwicht in de reductie van XDP’s door ribonucleotidereductase (blauwe pijlen naar links) en evenwicht tussen ATP en XTP (nucleosidedifosfokinase, niet getoond). Enkele elementen van de novo synthese van nieuwe basen staan onderin de figuur.

55 De motor voor een hoge ratio van [(d)XTP]/(d)[XDP] enerzijds en van [(d)XDP]/(d) [XMP] anderzijds is de oxidatieve fosforylering en dus de protonengradiënt over de binnenste mitochondriale membraan. Met X wordt een van de gebruikte basen bedoeld. 55 De ribonucleotiden (XTP, XDP en XMP) zijn in veel grotere concentraties aanwezig dan de corresponderende desoxyribonucleotiden (dXTP, dXDP en dXMP), vanwege het feit dat er bij de omzetting van ribo- in desoxyribonucleotiden een fluxbeperkende stap bestaat: het ribonucleotidereductase. Deze omzetting gebeurt op het niveau van XDP (. figuur 10.2).

10

318

Hoofdstuk 10 • Nucleotidenmetabolisme

. Figuur 10.3  Het purineskelet wordt opgebouwd op de een geactiveerde ribose-5’-fosfaat. De bouwstenen voor deze synthese zijn aminozuren (glycine en stikstof van glutamine en aspartaat), C-atomen van N10-formyltetrahydrofolaat (THF) en CO2.

10

55 De interrelaties tussen de verschillende soorten nucleotiden zijn mogelijk dankzij een aantal nucleoside kinasen, XMP kinasen en XDP kinasen, waarbij X een van de basen kan zijn er er er base-specifieke enzymen bestaan. Voor adenine bestaan er zo paraloge adenosine kinasen en drie adenylaatkinasen (AK1 tem AK3). Voor CMP beschikt de mens over twee paraloge CMP-kinasen (CMPK1 en CMPK2). 55 Het netwerk is bovendien gecompartimenteerd: door de werking van de de adenine-nucleotidetranslocator (7 figuur 5.12) is de ratio [ATP]/[ADP] in de mitochondriale matrix lager is dan in het cytoplasma; de concentratie aan dXTP’s is lager in de kern (waar ze worden verbruikt) dan in het cytoplasma. 10.2 Purinesynthese 10.2.1 De novo purinesynthese

De opbouw van het purineskelet vanuit stikstof (aminozuren) en koolstof (. figuur 10.3) is een bijzonder complex gebeuren. We kunnen dit proces echter eenvoudig schematisch voorstellen als een stapsgewijze opbouw van het purineskelet, terwijl dit vastzit aan ribose-5-fosfaat. Tijdens deze aanbouw wordt eerst het materiaal voor de vijfring aangebracht en daarna dat voor de zesring. De vier stikstofatomen van de ringen zijn afkomstig van drie verschillende aminozuren, namelijk glutamine (tweemaal), glycine en aspartaat. De koolstofatomen worden geleverd door glycine, N10-formyltetrahydrofolaat en CO2. De synthese gebeurt door het purinosoom. Dit is een enzymcomplex waarvan de subeenheden via niet-covalente krachten met elkaar interageren. Het startpunt van de synthese is 5’-fosforibosyl-1’-pyrofosfaat (PRPP), dat dankzij het enzym PRP-synthetase (paralogen PRPS1 en PRPS2) ontstaat uit ATP en ribose-5-fosfaat (.  figuur 10.4). PRPP is de geactiveerde vorm van ribose-5-fosfaat dat zelf afkomstig is van de pentosefosfaatweg; 7 par. 6.10). De activering van het C1‘-atoom van ribose berust op de transfer van twee energierijke fosfaten vanaf ATP en zo wordt dit atoom geschikt voor de aanbouw van de purinebase. De namen van de metabolieten en van de enzymen van de eigenlijke purinesynthese zijn moeilijk te onthouden en worden daarom vaak afgekort (. figuur 10.5). Voor de fluxcontrole is

10.2 • Purinesynthese

319

. Figuur 10.4  Met behulp van ATP wordt 5’-fosforibosyl-1’-pyrofosfaat (PRPP) door PRPP-synthetase gemaakt uit ribose-5-fosfaat. Deze reactie activeert het C1’-atoom voor de latere fase van opbouw van de purinebase of de aanbouw van reeds gemaakte of gerecycleerde basen.

de belangrijkste stap in de de novo purinesynthese het aanbrengen van de eerste aminogroep door fosforibosyl-pyrofosfaat-amidotransferase (PPAT), waardoor pyrofosfaat vrijkomt en het 5’-fosforibosyl-1’-amine ontstaat (. figuur 10.5). Op het 5’-fosforibosyl-1’-amine worden achtereenvolgens een glycine, een formylgroep en een tweede aminogroep toegevoegd. Door ringsluiting ontstaat de imidazolring; hieraan worden dan achtereenvolgens een carboxylgroep, een aminogroep (aspartaat) en een formylgroep (N10-formyltetrahydrofolaat) toegevoegd. Een tweede ringsluiting vormt de zesring, zodat een purinestructuur ontstaat. De base heet hypoxanthine en vormt samen met het ribose-5’monofosfaat het inosinemonofosfaat (IMP). Vanaf dit punt zal de purinesynthese vertakken in twee wegen: één die leidt tot adeninenucleotiden en één die leidt tot guaninenucleotiden (. figuur 10.6). Het IMP is dus de gemeenschappelijke voorloper van AMP en GMP. De weg naar AMP begint met de fusie van IMP en aspartaat tot adenylosuccinaat (verantwoordelijk enzym: adenylosuccinaatsynthase = ADSS). Dankzij adenylosuccinaatlyase (ADSL), een enzym dat ook meedoet in de opbouw van het purineskelet (.  figuur 10.5), wordt fumaraat afgesplitst, zodat er AMP ontstaat. De gebruikte strategie van aspartaat-binnen//succinaat-buiten wordt ook gebruikt in de ureumcyclus en de opbouw van het purineskelet. De GMP-weg ontstaat door een oxidatie van hypoxanthine tot xanthine (katalyse door IMP-dehydrogenase 1 en 2) gevolgd door een aminosubstitutie, waarbij glutamine wordt omgezet in glutamaat (enzym: GMPsynthethase (GMPS)). De de novo purinesynthese is, net als de vetzuursynthese, een zeer complex geheel, waardoor het gevaar bestaat dat de tien metabolieten allerlei zijwegen inslaan. In  7  par. 7.2.4 werd besproken hoe een megasynthase, de multifunctionele dimeer van het vetzuursynthase, een efficiënte machine vormt die werkt als een ‘lopende band’. Hierdoor worden de diffusieafstanden van de metabolieten van de ene naar de andere actieve site minimaal en wordt het gevaar op ongewenste alternatieve reacties afgewend. Bovendien is een gecoördineerde expressie van alle noodzakelijke enzymactiviteiten verzekerd. Voor de de novo purinesynthese in eukaryote cellen is tijdens de evolutie van primitieve naar de meer complexe eukaryote cellen van nu een oplossing gevonden die enigszins lijkt op de ‘lopende band’ van de vetzuursynthese (7  par. 7.2.4). De grootste gelijkenis is het bestaan van drie multifunctionele enzymen (twee bifunctionele en één trifunctioneel), die samen zeven van de tien reacties katalyseren en die slechts drie genen vereisen; de resterende drie reacties

10

320

Hoofdstuk 10 • Nucleotidenmetabolisme

10

. Figuur 10.5  Schema van synthese van het purineskelet door het ‘purinosoom’; dit enzymcomplex bestaat uit zes enzymen die ruimtelijk dicht bijeen liggen. De opbouw van het purineskelet is te zien in de structuurformules (alternerend links – net boven de naam – en rechts – naast de naam – van de metaboliet). De namen van de enzymen zijn: stap 1: fosforibosyl-pyrofosfaat-amidotransferase (PPAT); stappen 2/3/5: trifunctioneel purinebiosynthese-enzym (GART), met fosforibosylamine-glycineligase-, fosforibosylglycinamide-formyltransferase-, fosforibosylformyl-glycinamidecycloligase-activiteiten; stap 4: fosforibosylformyl-glycinamidesynthase (PFAS); stappen 6/7: bifunctioneel enzym (PAICS) met fosforibosylamino-imidazolcarboxylase/fosforibosylamino-imidazol-succinocarboxamidesynthetase-activiteiten; stap 8: adenylosuccinaatlyase (ADSL); stappen 9/10: bifunctioneel enzym (ATIC) met 5-amino-imidazol-4-carboxamideribonucleotide-formyltransferase/IMP-cyclohydrolase-activiteiten.

­ orden gekatalyseerd door monofunctionele enzymen. De multifunctionele enzymen hebben w dus net als het vetzuursynthase verschillende ruimtelijke domeinen met daarin specifieke sites voor een chemische reactie. Maar een nieuwe dimensie is het bestaan van een multi-enzymcomplex dat kan associëren en dissociëren, al naargelang de behoefte aan nieuwe purinen in de cel. Men noemt dit complex het purinosoom (. figuur 10.7).

10.2 • Purinesynthese

321

. Figuur 10.6  Vertakking van de purine-nucleotidesynthese naar een GMP- en AMP. De AMP-weg verloopt via adenylosuccinaatsynthase (ADSS) en adenylosuccinaatlyase (ADSL). De GMP-weg oxideert IMP tot xanthylaat (IMP-dehydrogenase = IMPDH) en de aminosubstitutie gebeurt door guanine-monofosfaatsynthetase (GMPS).

Evolutie Het ontstaan van het purinosoom Het trifunctionele enzym (GART in (. figuur 10.5) is geëvolueerd door fusie van drie afzonderlijke genen die elk voor één enzymfunctie codeerden (Brodsky et al., 1997). Het bifunctionele enzym PAICS katalyseert de zesde en zevende stap; het bifunctionele enzym ATIC katalyseert de laatste twee stappen van de reactieketen. Het is geen toeval dat opeenvolgende stappen (2 en 3, 6 en 7 en 9 en 10) binnen één structuur plaatsvinden. Het bijeenkomen van naburige stappen binnen een bi- of trifunctioneel enzym heeft een voordeel voor de synthese door minder grote diffusieafstanden van de metabolieten. Twee bijkomende elementen van het systeem van de novo purinesynthese dragen bij tot een oplossing, die die van de megasynthase benadert. Ten eerste liggen twee genen van het systeem (PPAT en PAICS) uiterst dicht bijeen via een ‘kop-aan-kop’-arrangement (. figuur 10.7). Dit laat het gebruik toe van een bifunctionele promotor, die kan instaan voor een gecoördineerde genexpressie en daarmee gepaard gaande functie. Ten tweede komen alle gecodeerde polypeptideketens die gevormd worden door de expressie van de zes genen op de plaats waar ze moeten werken (het cytoplasma van de cel) heel dicht bijeen en zorgen zo voor de ‘enzyme-to-enzyme-channeling’, die diffusieafstanden van metabolieten sterk verkleint. Het bestaan van deze dichte toenadering werd aangetoond met hogeresolutie-lichtmicroscopische immunokleuring van deze enzymen (An et al., 2008). De dichte toenadering gebeurt via niet-covalente krachten die de zes soorten eiwitten stoichiometrisch ‘verzamelen’ tot een complex dat het purinosoom wordt genoemd. Via de enzyme-to-enzyme-channeling kunnen de metabolieten in een soort tunnel bewegen van de ene actieve site naar de volgende. Mogelijk is het purinosoom dat we nu tegenkomen in cellen van de mens en andere zoogdieren, een evolutionaire tussenstap op weg naar een purinemegasynthase. Het kan ook zijn dat het gedeeltelijk scheiden van de genetische elementen die bijdragen tot een driedimensionaal eiwitcomplex dat katalytisch even efficiënt verloopt als een megasynthase, maar het bijkomende voordeel biedt van subtiele verschillen in de regeling van expressie van individuele genen. An et al. (2008) vonden in hun microscopische studie dat

10

322

Hoofdstuk 10 • Nucleotidenmetabolisme

. Figuur 10.7  Organisatie van het purinosoom door zes verschillende polypeptideketens die door nietcovalente krachten een complex vormen, vergelijkbaar met het pyruvaatdehydrogenasecomplex (7 par. 4.2.1). Drie van deze enzymen zijn multifunctioneel. Bovendien worden de PPAT- en PAICS-genen (samen verantwoordelijk voor stappen 1, 6 en 7) bediend door een gemeenschappelijke promotor.

10 . Figuur 10.8  Negatieve-feedbackregeling van purinesynthese. Slechts vier van de vijftien metabole stappen zijn onderhevig aan regeling. Algemene fluxcontrole gebeurt door negatieve feedback van de drie purinemononucleotiden op de eerste en tweede stap van de purinesynthese; de specifieke synthese van GMP en AMP wordt bijkomend door feedbackinhibitie geregeld. De feedbackinhibitie is weergegeven door de rode lijnen. PRA = 5-fosforibosyl-1-amine.

de elementen van het purinosoom van elkaar loslaten als purinen (de eindproducten) zich in de cel opstapelen. Het enzymcomplex krijgt hierdoor een regelende functie. Het voordeel van zo’n structuur ten opzichte van het vetzuursynthase zou dus kunnen zijn dat de niet covalent aan elkaar verbonden enzymen tijdelijk kunnen loslaten en kunnen pauzeren (dit doordat er voldoende purinebasen in de cel zijn) en het werk kunnen hervatten als er nieuwe de novo synthese nodig is. De metabolieten van de purinebiosynthese hebben vermoedelijk nog andere functies in het organisme. Een voorbeeld is AICAR (amino-imidazol-carboxamide-ribonucleotide), dat niet alleen een intermediair is van de purinesynthese, maar ook als purine-5’-mononucleotideanaloog een activator is van het AMP-gevoelige proteïnekinase. Dit laatste enzym is belangrijk voor de regeling van het metabolisme en men neemt aan dat foute regulatie van dit enzym een rol speelt in het ontstaan van obesitas (Ruderman et al., 2003) en suikerziekte (Towler & Hardie, 2007).

10.2 • Purinesynthese

323

. Figuur 10.9  Salvageweg van purinesynthese. AMP wordt uit adenine en PRPP gemaakt via APRT; IMP (niet getoond) en GMP ontstaan door HPRT1. De energetische drijfveer van deze synthese is de splitsing van PPi in twee moleculen Pi door het enzym pyrofosfatase.

De metabole flux van de de novo purinesynthese wordt via feedbackinhibitie gecontroleerd (.  figuur 10.8). Ten eerste is er voor de globale fluxcontrole een rem door AMP, GMP en IMP (dus alle gevormde purinemononucleotiden) op de eerste twee stappen van de purinesynthese, namelijk de PRPP-vorming en de omzetting tot 5-fosforibosyl-1-amine (PRA). Hierbij is het belangrijk om te herhalen dat purinosomen uiteenvallen en de metabole weg dus minder efficiënt wordt, als er voldoende purinen aanwezig zijn in de cel. Ten tweede is er na het vertakkingspunt van IMP een specifieke rem door AMP en GMP op hun eigen synthese. 10.2.2 Salvageweg van purinesynthese

Naast de ingewikkelde de novo purinesynthese is er een veel eenvoudiger systeem dat vrije basen, die ontstaan door afbraak van nucleotiden, RNA en DNA, recycleeert tot nieuwe nucleotiden. Dit is de salvageweg (. figuur 10.9). Voor het op deze wijze produceren van AMP en GMP zijn verschillende enzymen nodig: het adeninefosforibosyltransferase (APRT) en het hypoxanthine-guaninefosforibosyltransferase (HPRT1). Dit laatste enzym kan tevens de base hypoxanthine ombouwen tot IMP. Bij beide reacties wordt PRPP als geactiveerde ribose gebruikt om de synthesereactie te kunnen laten plaatsvinden. De energie die vrijkomt door splitsing van het uit de reactie voortkomende pyrofosfaat (PPi in . figuur 10.10) maakt deze salvageweg exergonisch. Merk op dat voor een dergelijke wijze van synthese van het purineribonucleotide een tweede purineribonucleotide nodig is, namelijk ATP, om het PRPP te genereren uit ribose-

10

324

Hoofdstuk 10 • Nucleotidenmetabolisme

5-fosfaat (. figuur 10.4). Een derde salvage-enzym, het uracilfosforibosyltransferase (UPRT), is verantwoordelijk voor het hergebruik van de pyrimidinebasen. Toepassing

10

Aangeboren defecten van de purinesynthese Stofwisselingsziekten van het purinemetabolisme bestaan als zeldzame monogenetische aandoeningen met neurologische symptomen (Nyhan, 2005). Een voorbeeld van een zeldzame monogenetische ziekte van de salvageweg van de purinesynthese is het Lesh-Nyhansyndroom. De oorzaak is een mutatie in het op het X-chromosoom gelegen gen dat codeert voor hypoxanthine-guaninefosforibosyltransferase. Door een gedaalde salvageweg wordt de de novo purinesynthese bijzonder sterk gestimuleerd, zodat tussenproducten van deze synthese (. figuur 10.5) zich tot toxische concentraties opstapelen (Torres & Puig, 2007). Vooral het opstapelen van AICAR in hersencellen met daardoor een activatie van het AMP-kinase is relevant. De opvallendste symptomen zijn het resultaat van stoornissen in het zich ontwikkelende centrale zenuwstelsel. Kinderen met deze ziekte ontwikkelen inderdaad een ernstige psychomotorische achterstand en vertonen bij extreme vermindering van de salvageweg de neiging tot zelfverwonding (automutilatie). De patiënten vertonen ook een hyperurikemie (te hoge urinezuurconcentratie in het bloed) en ontwikkelen daardoor jicht en nierstenen. Behandeling met allopurinol verbetert de gevolgen van de hyperurikemie, maar niet de neurologische symptomen. Een andere hyperurikemische stofwisselingsziekte is het gevolg van mutaties in het PRPP-synthetase, waarbij de negatieve feedback verloren gaat en PRPP in een te hoog tempo wordt aangemaakt (. figuur 10.8). Dit is dus een voorbeeld van een metabole ziekte als gevolg van een gain-of-function-mutatie. Een verlies van functie van de novo synthese van purinen is aanwezig bij patiënten met deficiëntie van adenylosuccinaatlyase (ADSL) (Spiegel et al., 2006). Bij deze metabole ziekte stapelen zich adenylosuccinaat en de hiervan stroomopwaarts gelegen metabolieten op, waardoor psychomotorische achterstand en autisme kunnen ontstaan.

10.2.3 Antimetabolieten van de purinesynthese

Medisch biologisch onderzoek (7 kader Pioniers) leverde chemisch aan purinen verwante stoffen op die interfereren met het normale metabolisme van purinen en die daardoor bruikbaar zijn voor de behandeling van voor de mens relevante ziekten. Een belangrijke toepassing van deze zogeheten antimetabolieten is allopurinol die gebruikt wordt in de preventie van nieuwe crisissen bij jichtpatiënten. Allopurinol is een purinenanaloog (merk op dat een C- en N-atoom in de purinering is omgedraaid; . figuur 10.10) dat door het enzym xanthinedehydrogenase (XDH) wordt omgezet tot oxopurinol; deze stof treedt op als zelfmoordinhibitor van xanthinedehydrogenase. Een andere toepassing van dit principe is dat antivirale metabolieten de werking van virale polymerasen remmen. Een voorbeeld is acyclovir (. figuur 10.10), een guanosineanaloog waarvan de ribosering ontbreekt, zodat de inbouw van de antimetaboliet door virale polymerasen de replicatie van herpes-simplexvirussen remt (Cernik et al., 2008). Acyclovir wordt daarom gebruikt wordt bij genitale en labiale infecties. Deze antimetaboliet wordt door de cellulaire enzymen omgezet tot acyclovir-5’-trifosfaat; inbouw van deze bouwsteen in de RNA-polymeer veroorzaakt een stop in de verdere groei, omdat de ribose-3’-OH-groep ontbreekt.

10.2 • Purinesynthese

325

. Figuur 10.10  Purineanalogen als antimetabolieten. Gertrude Elion was een pionier in dit domein, dat toepassingen heeft in de chemotherapie van kanker, de behandeling van virale infecties en van auto-immuunziekten en in het voorkómen van afstotingsreacties bij getransplanteerde organen. De purineanaloog allopurinol is een medisch belangrijk voorbeeld, omdat het dient als geneesmiddel dat jichtcrises kan helpen voorkomen. Allopurinol wordt door het enzym xanthine dehydrogenase (XDH) omgezet in oxopurinol, waardoor XDH wordt uitgeschakeld.

Personen die besmet zijn met genitale herpes (HSV-2) hebben een grotere kans om het human immunodeficiency virus (hiv) over te dragen tijdens seksueel contact. Daarom werd bij een groep van dubbel besmette personen (HSV-2/hiv) valacyclovir getest, een valine-ester progeneesmiddel van acyclovir dat beter wordt opgenomen (Nagot et al., 2007). Een onverwacht resultaat van dit onderzoek was dat de purineanaloog niet alleen de virale HSV-2-titers, maar ook de hiv-titers deed dalen. Een nieuwe toepassing van antimetabolieten is ribavirine (1-bèta-D-ribofuranosyl-1,2,4triazole), een ribonucleoside met een pyrimidineanaloog, dat een nieuw type geneesmiddel vertegenwoordigt met een brede antivirale werking (Cameron & Castro, 2001). Het geneesmiddel wordt samen met alfa-interferon gebruikt voor het onderdrukken van chronische hepatitisC-infecties (Burra, 2009) en voor de behandeling van infecties met respiratoir syncytieel virus (RSV). Het exacte werkingsmechanisme is niet duidelijk; een van de mogelijkheden is dat virale RNA-polymerasen het analoog inbouwen en daardoor het virale genoom lethaal muteren (Hong & Cameron, 2002). Pioniers Gertrude Elion en George Hitchins Een pionier van de studie van het purinemetabolisme was Gertrude Elion (. figuur 10.10). Zij begon in 1944 met de chemische analyse van de purinen; dit was misschien niet toevallig het jaar waarin Oswald Avery zijn baanbrekende studie publiceerde, waarin DNA de rol van drager van erfelijke informatie toebedeeld kreeg (Avery et al., 1944). Elion was geïnteresseerd in antimetabolieten, chemische stoffen die lijken op de natuurlijke metabolieten, maar werken als remmers van belangrijke enzymen. Het idee was dat purineanalogen het metabolisme van ongewenste cellen (pathogene bacteriën, tumorcellen) tegenwerken en daardoor deze cellen in hun groei remmen.

10

326

10

Hoofdstuk 10 • Nucleotidenmetabolisme

De eerste belangrijke ontwikkelde antimetaboliet was 2,6-diaminopurine, dat een remmer bleek te zijn van adeninefosforibosyltransferase, maar dat te toxisch bleek voor practische toepassing als geneesmiddel. De tweede generatie antimetabolieten werd gevormd door mercaptopurine (. figuur 10.10) en 6-thioguanine, beide remmers van hypoxanthineguaninefosforibosyltransferase. Deze stoffen hadden een therapeutisch effect bij kinderen met leukemie. Een zoektocht naar minder toxische, maar even werkzame (antitumorale) stoffen resulteerde in azathioprine, dat nog altijd als antimetaboliet gebruikt wordt (. figuur 10.10). Een nieuwe dimensie werd aan dit onderzoek toegevoegd door de transplantatie van organen, waarmee de wens ontstond om de afstotingsreactie door het immuunsysteem van de ontvanger (en de graft-versus-hostreactie bij beenmergtransplantaties) tegen te gaan. Dit type reactie hangt af van de proliferatie van T-cellen: deze kan vertraagd worden door antimetabolieten, zoals mercaptopurine en azathioprine. Een logisch vervolg was het gebruik van deze antimetabolieten bij auto-immuunziekten zoals lupus erythematosus en colitis ulcerosa (Sands, 2006), een vorm van IBD (inflammatoire darmziekte). Elion was ook succesvol in het vinden van een remmer van het enzym xanthinedehydrogenase en acyclovir, een remmer van het plymerase van bepaalde virussen (7 basistekst par. 10.2.3). Dankzij haar werk ontstonden de eerste geneesmiddelen tegen virale infecties, auto-immuunziekten, afstotingsreacties en jicht. Elion ontving voor haar baanbrekende onderzoek van purineantimetabolieten, dat zo veel toepassingen heeft in de hedendaagse geneeskunde, in 1988 de Nobelprijs voor Geneeskunde/Fysiologie; dit samen met haar collega George H. Hitchings en sir James W. Black. Hitchings ontwikkelde belangrijke antimetabolieten van de pyrimidinesynthese (7 figuur 10.14) die nog altijd enorme invloed hebben op de chemotherapeutische basis van de behandeling van veel vormen van kanker (7 par. 10.4.3).

10.3 Pyrimidinesynthese

De de novo synthese van pyrimidinenucleotiden vertoont overeenkomsten maar ook verschillen ten opzichte van de opbouw van het purineskelet. Overeenkomsten zijn het gebruik van multifunctionele enzymen en de inbreng van dezelfde aminozuren (aspartaat, glutamine) die we ook al zijn tegengekomen in  7  par. 10.2. Een belangrijk verschil is dat de eerste steen van de purinebase wordt gebouwd op het fundament van een geactiveerde ribose, terwijl voor de pyrimidinen eerst de base volledig wordt gemaakt, die dan pas in een tweede fase aan PRPP wordt overgedragen. De eerste stap van de pyrimidinesynthese is de vorming van N-carbamoylfosfaat (. figuur 10.11). Dit is dezelfde stof als het substraat dat de ureumcyclus ‘binnenstroomt’, maar voor de pyrimidinesynthese is carbamoylfosfaatsynthetase 2 nodig, dat in alle cellen tot expressie komt en glutamine als stikstofbron gebruikt. Deze endergonische reactie verbruikt twee moleculen ATP. De tweede stap, bewerkstelligd door aspartaattranscarbamoylase, verbindt aspartaat en carbamoylfosfaat, zodat carbamoylaspartaat ontstaat. In de derde reactie wordt uit deze structuur door ringsluiting dihydro-orotaat gevormd (.  figuur 10.11). Hiervoor is dihydro-orotase nodig dat een watermolecuul onttrekt aan zijn substraat. Bij de mens zijn de drie enzymactiviteiten (carbamoylfosfaatsynthetase 2, aspartaattranscarbamoylase en dihydro-orotase) verenigd in één trifunctioneel enzym dat CAD wordt genoemd. We zien hier een overeenkomst met het

10.3 • Pyrimidinesynthese

327

. Figuur 10.11  De novo pyrimidinesynthese begint met de opbouw van de base met behulp van twee aminozuren (glutamine en aspartaat). De base wordt vervolgens aan geactiveerde ribose (PRPP) gekoppeld. Stappen 1-2-3 en 5-6 worden gekatalyseerd door multifunctionele enzymen. Alle stappen gebeuren in het cytoplasma behalve stap 4, die in de mitochondria plaatsvindt. De individuele enzymactiviteiten zijn: carbamoylfosfaatsynthetase II; aspartaattranscarbamoylase; dihydro-orotase (samen CAD); dihydro-orotaatdehydrogenase (DHODH); orotaatfosforibosyltransferase en orotidylaatdecarboxylase (samen UMP-synthetase = UMPS); UMPCMP-kinase (CMPK1 en CMPK2); nucleotidedifosfokinase (NME1 en NME2) en CTP-synthetase (CTPS1 en CTPS2).

trifunctioneel enzym GART van de purinesynthese. De vierde stap is uitzonderlijk, omdat deze in de mitochondriale matrix plaatsvindt en dit fenomeen vereist dus transporters voor de metabolieten in en uit de mitochondria. Tijdens deze reactie wordt dihydro-orotaat door het NAD+-afhankelijke dihydro-orotaatdehydrogenase (DHODH) omgezet tot orotaat. Vervolgens wordt orotaat in het cytoplasma door UMP-synthase (UMPS) tot UMP omgezet. Dit is een bifunctioneel enzym met twee reacties. Eerst wordt orotaat door orotaatfosforibosyltransferase gekoppeld aan ribose, een reactie die PRPP vraagt en erg lijkt op de reacties van de eerder besproken salvageweg. Zo ontstaat orotidylaat, het eerste pyrimidinenucleotide. Dan volgt een decarboxylering door orotidylaatdecarboxylase, wat uridylaat (UMP) oplevert. Naast de uridinenucleotiden hebben cellen ook cytidinenucleotiden nodig. In tegenstelling tot de vertakte synthese van purinemononucleotiden, ligt de aanmaak van CTP in het verlengde van de lijn die loopt naar UTP (.  figuur 10.11). Eerst wordt UMP omgezet in UTP; dit vereist twee ATP-moleculen en de enzymen UMP-CMP-kinase (CMPK1 en CMPK2) en nucleosidedifosfaatkinase (NME1 en NME2 in  .  figuur  10.11). De laatste stap zet UTP om in CTP door vervanging van een zuurstofatoom door een stikstofatoom dat van glutamine komt (katalyse door CTP-synthetase met als paralogen CTPS1 en CTPS2). Dit type reactie hebben we al gezien in de eerste stap van de pyrimidinesynthese en diverse malen in de aanmaak van purinen. Het is dus een terugkerend motief in de synthese van basen. Toepassing Aangeboren defecten van de pyrimidinesynthese De enzymatische flux van de de novo pyrimidinesynthese wordt, geheel volgens het boekje van principes van metabole fluxcontrole, door het eindproduct CTP geregeld. In de eerste plaats treedt deze nucleotide op als allosterische feedbackinhibitor van de eerste stap, de enzymactiviteit van carbamoylfosfaatsynthetase II binnen het trifunctionele enzym. Dit

10

328

Hoofdstuk 10 • Nucleotidenmetabolisme

regelt de globale aanmaak van pyrimidinen. Ten tweede treedt deze nucleotide op als remmer van CTP-synthetase; deze fijnregeling verzorgt een evenwicht tussen UTP en CTP. Een zeldzame inborn error van het bifunctionele UMP-synthase leidt tot erfelijke orotaatacidurie, een ernstige metabole ziekte waarbij het orotaat dat niet verwerkt kan worden tot UMP zich opstapelt en in de urine wordt uitgescheiden (Bailey, 2009). Het ziektebeeld verdwijnt door een dieet dat is aangevuld met extra UMP. Het UMP wordt in de cellen opgenomen en verwerkt in het verdere metabolisme.

Evolutie

10

Adaptatie van het mitochondriaal metabolisme van de malariaparasiet De verwekker van malaria, Plasmodium falciparum, parasiteert op het metabolisme van de gastcellen en leeft in het cytoplasma van deze cellen. We hebben dit besproken in verband met de pentosefosfaatweg (7 par. 6.10). Een bijzondere evolutie heeft plaatsgevonden in de functie van de mitochondria van de parasiet. Oxidatieve decarboxylering en bèta-oxidatie van vetzuren en volledige cirkels van de Krebs-cyclus vinden niet plaats, omdat bijvoorbeeld pyruvaatdehydrogenase en citraatsynthase ontbreken (Vaidya & Mather, 2009). De parasiet kan zich toch handhaven, want ‘krijgt’ ATP van de gastcellen. De Krebs-cyclus wordt onvolledig uitgevoerd om heem te maken uit aminozuren. De mitochondriale oxidatieve fosforylering in de parasiet dient voor de pyrimidinebiosynthese en krijgt via dihydro-orotaatdehydrogenase energierijke elektronen. Opmerkelijk is dat de salvageweg voor pyrimidinebiosynthese in de parasiet geheel ontbreekt. Dit maakt dihydro-orotaatdehydrogenase een achilleshiel voor parasietengroei en dus een interessant doelwit voor nieuwe antimalariamiddelen (Vaidya & Mather, 2009).

10.4 Synthese van DNA-bouwstenen 10.4.1 Reductie van ribose

De vier bouwstenen voor het produceren van desoxyribonucleïnezuur (DNA) zijn dATP, dGTP, dCTP en dTTP. Dit betekent dat na het uitvoeren van de wegen die in de vorige paragrafen besproken werden, er nog twee aspecten moeten worden afgewerkt. Ten eerste dient er voldoende synthese plaats te vinden van desoxyribonucleotiden, door reductie van de 2’-OH-groep van de ribonucleotiden. Bovendien moet uracil op C5 worden gemethyleerd tot thymine. De reductie van ribose tot desoxyribose gebeurt voor alle vier nucleotiden door hetzelfde enzym, ribonucleotidereductase, en gebeurt op het niveau van de nucleosidedifosfaten:

10.4 • Synthese van DNA-bouwstenen

329

. Figuur 10.12  Ribonucleotidereductase reduceert de vier ribonucleosidedifosfaten, zodat bouwstenen ontstaan voor DNA-synthese. Het enzym bestaat uit twee grote en twee kleine subeenheden met interne symmetrie (spiegelas gestippeld). De grote subeenheid (bij de mens twee paralogen RRM1 of RRM2) heeft naast de actieve site ook allosterische sites voor regeling van de globale flux en de keuze van substraten (rechts). Het mechanisme van de katalyse is links te zien, het resultaat rechts. De kleine subeenheid (RRM2B) produceert een tyrosineradicaal, dat via cysteïnezwavel overspringt naar ribose. De OH-groep van ribose wordt gereduceerd door NADPH-elektronen; dit via tussenkomst van thioredoxine (TRX) en thioredoxinereductase.

Deze brede substraatkeuze wordt gecombineerd met een bijzondere vorm van allosterie. Het enzym wordt namelijk niet alleen globaal geremd, als er voldoende desoxyribonucleotiden gevormd zijn (. figuur 10.12), maar de enzymatische activiteit kan ook wat betreft de keuze van substraat beïnvloed worden, wat zeer uitzonderlijk is voor enzymen. Is er bijvoorbeeld veel dADP en weinig dGDP voorradig in de cel, dan zal het enzym bij voorkeur GDP reduceren tot er weer voldoende evenwicht tussen beide purinedesoxyribonucletiden bestaat. Een dergelijke bijzondere vorm van allosterische regeling verklaart de optimale verhouding van de bouwstenen voor DNA-synthese en draagt daardoor bij tot een betrouwbare DNA-replicatie. Horizon Ribonucleotidereductase: werkingsmechanisme en farmacologisch doelwit Ribonucleotidereductase bestaat als een tetrameer met twee soorten subeenheden (. figuur 10.12): de grote subeenheid, die gecodeerd wordt door de RRM1 en RRM2 genen en de kleine subeenheid (RRM2B). Het mechanisme van de reductie van de OH-groep van ribose omvat de productie tyrosine-O-radicaal (ongepaard elektron in de buitenste elektronenwolk) in RRM2B (Chimploy et al., 2000). Deze radicaal veroorzaakt een tweede radicaal van een cysteïnezwavel in de actieve site van de grote subeenheid en dit veroorzaakt een koolstofradicaal in ribose van het substraat (. figuur 10.12). Reducerende elektronen worden in het systeem gebracht van NADPH, en via thioredoxinereductase aan het enzym doorgegeven. De concentratie desoxyribonucleosidedifosfaten in de cel is veel lager dan die van de ribonucleosidedifosfaten, zodat men kan stellen dat het ribonucleotidereductase een goed gecontroleerde toegangspoort is voor deze reductie (Li et al., 2001). De positie van ribonucleotidereductase in het produceren van de bouwstenen voor DNA-synthese (replicatie

10

330

Hoofdstuk 10 • Nucleotidenmetabolisme

. Figuur 10.13  Thyminesynthese gebeurt door overdracht van een geactiveerde methylgroep van N5,N10methyleentetrahydrofolaat naar uracil (enzym TYMS). Hierdoor ontstaan dTMP en dihydrofolaat.

10

en DNA-herstel) is mede hierdoor zo belangrijk, dat het enzym doelwit is voor geneesmiddelen die de groei van tumorcellen of virussen moeten afremmen (Shao et al., 2006). Dit thema werd al aangehaald naar aanleiding van de studie van de purineanalogen door Elion (7 par. 10.2.3) en we komen er ook op terug bij de bespreking van de synthese van thymine (7 par. 10.4.2). Een bij patiënten met pancreas- en longkanker gebruikte remmer is gemcitabine (Abbruzzese, 2002). Deze stof is een cytosineanaloog met twee elektronegatieve fluoratomen op het 2’-koolstofatoom van ribose. In het door de cel gevormde gemcitabine-5’-difosfaat zorgen de elektronegatieve fluorgroepen voor zelfmoordinhibitie van het ribonucleotidereductase. Een andere cytidineanaloog is het cytosine arabinoside, waarin de ribosesuiker vervangen is door het C2’-epimeer arabinose. Dit molecuul interfereert zowel met de DNA-synthese als met de werking van het ribonucleotidereductase. Een variatie op dit thema is clofarabine dat gebruikt wordt bij bepaalde vormen van leukemie bij kinderen (Zhenchuk et al., 2009).

10.4.2 Synthese van dTMP

Uracil is geen bruikbare base voor DNA en mag niet ingebouwd worden in de dubbele helix. De belangrijkste reden hiervoor is dat er dagelijks per cel duizenden cytosinebasen in het DNA oxidatief beschadigd worden en daardoor veranderen in uracil. Onze DNA-herstelenzymen herkennen dit abnormale uracil (het zit in de dubbele helix tegenover een guanine) en vervangen de beschadigde base door een base-excisie herstelmechanisme weer in een cytosine. Stel je voor dat de natuur geen thymine had gekend. Dan zou er verwarring ontstaan in het onderscheid tussen de uracil op de goede plaatsen (tegenover een A-base) en de door beschadiging uit cytosine ontstane uracil (tegenover een G-base). Omdat thymine wel bestaat en wordt ingebouwd in de dubbele DNA-helix tegenover elke A-base, kan de beschadiging worden herkend. Deze laatste stap in de pyrimidinebiosynthese wordt gekatalyseerd door het thymidylaatsynthase (TYMS). Het enzym methyleert dUMP tot dTMP, waarbij N5,N10-methyleentetrahydrofolaat (N5,N10-Me-THF in . figuur 10.13) optreedt als methyldonor. Foliumzuur werd als veelzijdige drager van C1-eenheden al besproken in het vorige hoofdstuk (7 figuur 9.4). Dihydrofolaat kan niet opnieuw met een methylgroep worden opgeladen dankzij het enzym methyleentetrahydrofolaatsynthase (MTHFS), voordat het is gereduceerd tot tetrahydrofolaat. Deze belangrijke reductie verloopt dankzij dihydrofolaatreductase (DHFR), dat NADPH als elektronendonor gebruikt. Door de samenwerkende enzymen TYMS, DHFR en MTHFS

10.4 • Synthese van DNA-bouwstenen

331

. Figuur 10.14  De geactiveerde C1-cyclus voor de thyminesynthese. Thymidylaatsynthase (TYMS) produceert thymine en dihydrofolaat, dat via dihydrofolaatreductase (DHFR) wordt gereduceerd tot tetrahydrofolaat en via methyleentetrahydrofolaatsynthetase (MTHFS) weer wordt opgeladen met de methyleengroep. Hierbij wordt serine verbruikt en glycine geproduceerd. Twee antimetabolieten voor chemotherapie van patiënten met kanker zijn 5-fluoro-uracil (5-FU) en methotrexaat, een competitieve remmer van dihydrofolaatreductase. Links: George Hitchings die het idee van pyrimidineantimetabolieten als behandeling bedacht heeft.

ontstaat een metabole cyclus die bijzonder belangrijk is tijdens de S-fase van de celcyclus (. figuur 10.14). Omdat voor deze cyclus het deoxyribonucleotide dUMP en NADPH nodig zijn, is een actieve pentosefosfaatweg (7 par. 6.10) belangrijk, naast aanlevering van voldoende serine. 10.4.3 Antimetabolieten van pyrimidininesynthese

Net als voor het metabolisme van de purinen, werden er belangrijke antimetabolieten ontwikkeld die ingrijpen op het metabolisme van de pyrimidinen. De belangrijkste twee om te onhouden remmen enzymen van de geactiveerde C1-cyclus (. figuur 10.14, 7 par. 10.4.2). De eerste antimetaboliet 5-fluoro-uracil (5-FU) is een niet-competitieve ‘zelfmoordinhibitor’ die kamikaze pleegt op de actieve site van thymidylaatsynthase. Tegenwoordig is 5-FU is een van de meest gebruikte chemotherapeutica voor een hele waaier van tumoren, vooral colonkanker (Wolpin & Mayer, 2008), maagkanker (Ajani, 2008) en pancreaskanker (Oettle & Riess, 2002). Dit veelvuldige gebruik van 5-FU in de oncologie uit zich in een enorm uitgebreide wetenschappelijke literatuur met bij pyrimidininesynthese na vijfduizend reviewartikels in PubMed waarin 5-FU als zoekterm voorkomt. Het sterk elektronegatieve fluoratoom op de gewijzigde uracilbase in 5-FU veroorzaakt een situatie in de katalyse die niet meer oplosbaar is (zelfmoord van het enzym). Daar waar de normale reactie doorloopt, met vorming van een zwavelbrug in het enzym (dat zo zijn product loslaat), zal de fluorgroep ervoor zorgen dat dit niet gebeurt en dat de transitiestaat tussen enzym, co-enzym en substraat ‘bevroren’ blijft. Elk enzymmolecuul dat op deze manier ‘gevangen’ wordt, treedt definitief uit de anabole flux. Dit vermindert de snelheid van thyminesynthese en remt dus de groei van kankercellen. Ook voor een dihydrofolaatreductase werden werkzame antimetabolieten ontwikkeld. Specifieke toepassingen werden gevonden voor remmers in zoogdiertumorcellen (­methotrexaat),

10

332

Hoofdstuk 10 • Nucleotidenmetabolisme

naast remmers van het enzym in bacteriën (trimethoprim) en malariaparasieten (pyrimethamine). In bacteriën bleek dat het bacteriostatische effect van trimethoprim versterkt wordt door sulfamethoxazol, een sulfonamide dat de biosynthese van foliumzuur remt. De combinatie van sulfamethoxazol en trimethoprim werd daarom gebruikt bij bepaalde bacteriële infecties, zoals blaasontsteking (Warren, 2001) of longontsteking door Pneumocystis carinii (Leoung et al., 2001). Methotrexaat is een competitieve remmer van dihydrofolaatreductase, dat net als 5-FU een van de steunpilaren is in de chemotherapie van kanker. In de farmacologie spreekt men vaak van cytostatica.

Enkele beperkingen van antimetabolieten

10

Het gebruik van antimetabolieten in de chemische behandeling van kanker heeft echter zijn beperkingen. Ten eerste is er een toxiciteit ten aanzien van de normale lichaamsfuncties, omdat het nucleotidenmetabolisme niet alleen in de tumorcellen, maar in alle prolifererende lichaamscellen wordt onderdrukt. Dit leidt bijvoorbeeld tot beenmergtoxiciteit (verminderde hematopoëse met daardoor bloedarmoede, leukopenie, hypoplakketose). Een andere toxiciteit richt zich tot de snel delende stamcellen in de crypten van de darmmucosa. Daarom moet bij elke patiënt een dosis gevonden worden die enerzijds werkt tegen de tumorcellen, maar waarvan anderzijds de toxiciteit tolereerbaar is (Saif et al., 2009). Een tweede beperking is dat de tumor resistentie ontwikkelt tegen de werking van het geneesmiddel, waardoor de werkzaamheid in de loop der tijd afneemt. De tumorcellen van een met cytostatica behandelde kankerpatiënt ondergaan een darwinistische evolutie. Een goed onderzocht voorbeeld is het ontwikkelen van resistentie door genamplificatie bij kankerpatiënten die behandeld worden met methotrexaat (Goker et al., 1995). Door de behandeling ontstaat een selectiedruk voor overleving: de cellen die hun dihydrofolaatreductase-gen kunnen vermenigvuldigen, bijvoorbeeld in minichromosomen of als cluster geïntegreerd in een chromosoom, kunnen – ondanks de farmacologische remmer – toch voldoende dihydrofolaatreductase aanmaken om voldoende dihydrofolaat te reduceren voor DNA-synthese; deze cellen gaan dus groeien en hebben een selectief voordeel ten opzichte van de niet-genetisch veranderde kankercellen. De niet-gemuteerde kankercellen groeien niet en worden dus weggeconcurreerd door de resistente cellen. Na verloop van tijd zijn alle kankercellen afstammelingen van de gemuteerde cel met een selectief groeivoordeel en is de kanker resistent geworden tegen behandeling met methotrexaat. 10.5 Katabolisme van nucleotiden

Deze paragraaf is medisch relevant door het bestaan van jicht (gout in het Engels), een vaak voorkomende metabole ziekte die tot 1% van mannelijke populatie boven de 50 jaar treft (Roddy & Doherty, 2010). De directe oorzaak van de ziektesymptomen is de neerslag van mononatriumuraat (MNU) in het lichaam doordat de oplosbaarheidsgrens van het zout is overschreden (Roddy & Doherty, 2010). De MNU-neerslag gebeurt als naaldvormige kristallen in gewrichten en onder de huid of in de nieren, zodat de acute jichtcrisis, maar ook chronische jicht (tophi, nierfalen) kan ontstaan. De bron van de MNU-opstapeling kent diverse componenten, waarbij het onderscheid wordt gemaakt tussen omgevingsfactoren (levensstijl, met name voeding en alhoholconsumptie), leeftijd en geslacht (Roddy & Doherty, 2010) en erfelijkheid (genen die invloed hebben op het uitscheiden van urinezuur door de nieren). Gezien het regelmatig voorkomen van deze aandoening moeten we aandacht besteden aan het normale proces van afbraak van nucleotiden en de verstoringen die optreden bij jichtpatiënten.

10.5 • Katabolisme van nucleotiden

333

. Figuur 10.15  Afbraak van RNA tot basen. Een deel van de vrijgekomen basen wordt gerecycleerd tot nucleotiden (salvageweg). De overtollige pyrimidinen worden verbrand, waarbij de stikstofatomen worden uitgescheiden als ureum; de purinen worden uitgescheiden als urinezuur.

. Figuur 10.16  Convergentie van adenine en guanine tot xanthine. Adenosine en guanine worden via verschillende wegen oxidatief van de primaire aminogroep ontdaan.

Nucleotiden en nucleïnezuren worden niet alleen voortdurend door cellen aangemaakt, maar ook weer afgebroken. Vooral messenger-RNA heeft een korte levensduur en wordt door RNasen gesplitst in ribonucleoside-5’-monofosfaten, die door nucleotidasen worden gekliefd in nucleosiden en Pi (. figuur 10.15). De nucleosiden worden daarna door specifieke purinenucleosidefosforylasen afgebroken tot vrije basen en ribose-1-fosfaat. Beide afbraakproducten kunnen worden hergebruikt in de salvageweg. De overtollige basen dienen echter te worden afgebroken, waarbij een onderscheid gemaakt moet worden tussen purinen en pyrimidinen. De pyrimidinen volgen de weg van de aminozuren, waarin het koolstofskelet wordt verbrand tot CO2 en waarbij de vrijkomende stikstofgroepen worden ingebouwd in ureum. In tegenstelling tot de pyrimidinen wordt het purineskelet niet verbrand tot CO2, maar omgezet tot urinezuur dat met de urine wordt uitgescheiden. Adenine en guanine hebben een wat van elkaar verschillende aanloop tot dit proces (. figuur 10.16). Adenosine wordt op het nucleosideniveau oxidatief gedeamineerd tot inosine door het enzym adenosinedeaminase (ADA); IMP wordt vervolgens door purinenucleosidefosforylase (PNP) omgezet tot hypoxanthine en ribose-1-fosfaat. De vrije base guanine ondergaat een oxidatieve gedeaminering tot xanthine door het enzym guaninedeaminase (GDA). Hypoxanthine wordt vervolgens door het enzym xanthinedehydrogenase (XDH) geoxideerd tot xanthine (.  figuur 10.17). XDH is een flavoproteïne dat O2 gebruikt als oxidans, maar in plaats van NADPH als tweede reductor water gebruikt. Hierdoor

10

334

Hoofdstuk 10 • Nucleotidenmetabolisme

. Figuur 10.17  Vorming van urinezuur door een dubbele oxidatie van het purineskelet. Xanthinedehydrogenase gebruikt dizuurstof als oxidans en produceert naast de geoxideerde purine ook waterstofperoxide (H2O2).

. Figuur 10.18  Vorming van mononatriumuraat uit urinezuur gebeurt dankzij tautomerie die een zwak zure groep bevat. Bij een pH = 7,35 in het bloed is meer dan 90% van het circulerende urinezuur geïoniseerd tot uraat. De maximale oplosbaarheid van natriumuraat in water is ongeveer 0,5 mmol/liter. Boven deze grenswaarde slaat MNU neer als naaldvormige kristallen.

10

wordt er een waterstofperoxidemolecuul (H2O2) geproduceerd, dat door het enzym katalase weer wordt omgezet in H2O en O2 (7 par. 5.9). Opmerkelijk aan dit enzym is dat xanthine opnieuw substraat is en nog een keer moet worden geoxideerd. Hierdoor ontstaan urinezuur en een tweede H2O2-molecuul. Urinezuur is een zwak zuur dat bij fysiologische pH zal ioniseren tot uraat via tautomerie, waarbij de enolgroep een proton afstaat aan water (.  figuur  10.18). Hierdoor ontstaat het uraatanion, dat met natriumionen het MNU zout vormt dat slecht oplosbaar is in water.

Toepassing Gentherapie bij adenosinedeaminasedeficiëntie Adenosinedeaminasedeficiëntie wordt veroorzaakt door mutaties in het voor het enzym coderende gen en leidt tot een ernstige daling van de humorale en cellulaire immuniteit (ADA-SCID = severe combined immunodeficiency). Door vooruitgang in de recombinantDNA-geneeskunde zijn er voor deze patiënten momenteel behandelingen mogelijk (Gaspar et al., 2009) met ofwel recombinant enzym dat periodiek moet worden toegediend, ofwel transplantatie van eigen beenmergcellen (zogeheten autologe hematopoëtische stamcellen) die zijn behandeld met gentherapie (Muul et al., 2003). Deze aanpak lijkt ook mogelijkheden te bieden voor andere vormen van genetisch bepaalde primaire immuundeficiëntie (PID), zoals het Wiskott-Aldrich-syndroom (Mukherjee & Thrasher, 2013). Hoewel de klinische studies hoopgevend zijn, blijven er obstakels, zoals de veiligheid van de DNA-vectoren, een langdurig effect op de genexpressie en de momenteel hoge kostprijs van een behandeling (Mukherjee & Thrasher, 2013).

10.5 • Katabolisme van nucleotiden

335

. Figuur 10.19  Oorzaken en gevolgen van jicht. De acute crisis wordt veroorzaakt door neerslag van MNUkristallen in de gewrichten, vaak in het eerste metatarsofalangeale gewricht. De pijnlijke ontsteking (podagra) kan, worden onderdrukt door colchicine en NSAID’s. Om chronische jicht te voorkomen moet naar de oorzaak van de hyperurikemie (te veel urinezuur in het bloed) worden gezocht.

10.5.1 Oorzaak en gevolg van jicht

We zullen nu verder stilstaan bij de pathologie van jicht die optreedt wanneer urinezuur zich in het lichaam opstapelt (Roddy & Doherty, 2010) en neerslaat als MNU-kristallen (.  figuur 10.19). De onderliggende oorzaak voor deze neerslag is complex en is meestal een combinatie van genetische predispositie en omgevingsfactoren. In de westerse samenleving komt jicht meer voor in de context van diabetes, obesitas en metabool syndroom. Het is een ziekte die bovendien vaker voorkomt bij mannen dan bij vrouwen. Erfelijkheid gaat vooral over genen die betrokken zijn bij het uitscheiden van urinezuur door de nieren (Reginato et al., 2012), waarbij het belangrijk is om te onthouden dat normaal gezien ongeveer 90% van het door de glomeruli gefilterde urinezuur in de proximale tubuli terug naar het bloed wordt geresorbeerd; dit dankzij verschillende soorten uraattransporters in de proximale tubulaire cellen (. figuur 10.19). Bij personen die nog minder dan 10% van de gefilterde urinezuur uitscheiden kan hyperurikemie optreden. Omgevingsfactoren omvatten alcoholinname (vooral bier), suikerhoudende dranken en een dieet dat rijk is aan purinen (zoals orgaanvlees: hart, zwezerik, schaaldieren, haring, ansjovis) (Choi, 2010). Een plotsteling optredende pijnlijke ontsteking in het eerste metatarsofalangeale gewricht (podagra, . figuur 10.19) is typisch voor de acute jichtcrisis. De acute

10

336

Hoofdstuk 10 • Nucleotidenmetabolisme

crisis kan uitgelokt worden door een maaltijd die veel purine bevat en wordt bestreden met colchicine, een alkaloïde stof uit de krokusachtige plant herfststijlloos (Colchium autumnale), die de ­polymerisatie van microtubulen remt (Sivera et al., 2014). Daarnaast worden niet steroïdale anti-inflammatoire geneesmiddelen (NSAID’s) voorgeschreven. Maar als de pijn besteden is en de ontsteking verdwenen, blijft de kans bestaan op het terugkeren van de ziekte. Hoe hoger de in het bloed circulerende urinezuurconcentratie, des te groter is de kans op het verder neerslaan van de kristallen en het ontstaan van chronische jicht (tophi, nierletsels). Daarom moet gezocht worden naar interventies die de in het bloed circulerende urinezuurconcentratie kunnen verlagen met de bedoeling om nieuwe aanvallen te voorkomen. In de eerste plaats denkt men aan een verandering van levensstijl met bijvoorbeeld een vermageringsdieet, een purinearm dieet, matiging van alcohol (bier)consumptie als concrete punten. Maar de meest doeltreffende manier is het farmacologisch remmen van XHD door het eerder vermelde allopurinol (Sivera et al., 2014; . figuur 10.10). Evolutie

10

Dieren verschillen onderling in de metabole afbraak van purines In tegenstelling tot de mens breken veel andere dieren urinezuur verder af tot allantoïne, allantoïnezuur of zelfs ureum. Een ander opmerkelijk feit is dat onder de aapachtigen de mens bijna tienmaal hogere uraatconcentraties in bloed en andere weefsels heeft dan niet-mensapen. In feite ligt de bij de mens circulerende uraatconcentratie niet ver van de maximale oplosbaarheid van natriumuraat in water (ongeveer 0,5 mmol/liter). Boven de grenswaarde van 0,45 mmol/liter spreekt men van hyperurikemie. Deze toestand vergroot de kans dat mononatriumuraat (MNU) neerslaat als naaldvormige kristallen tussen de cellen, wat een jichtcrisis kan uitlokken. Men kan de vraag stellen waarom mensachtigen in het verleden naar de rand van deze kristalafgrond zijn geëvolueerd. Deze situatie zorgt er immers voor dat veel mensen last hebben van jicht. Een mogelijk antwoord is dat urinezuur en MNU goede scavengers zijn voor vrije zuurstofradicalen. Dergelijke sterk toxische radicalen worden continu in ons lichaam gevormd, onder meer in de oxidatieve fosforylering (7 par. 5.9) en tijdens zuurstoftransport in de rode bloedcel (7 par. 6.10.5). Deze radicalen worden in verband gebracht met moleculaire beschadigingen die aanleiding geven tot veroudering en kanker. Uraat speelt bij mensapen en de mens dezelfde scavengerfunctie als bilirubine en vitamine C. Wellicht speelt dit fenomeen een rol in de relatief hoge leeftijd die de mens kan bereiken. Een zeer bijzondere evolutie vinden we binnen reptielen, met name bij vogels, die het vermogen verloren hebben om stikstofafval (ammoniak, 7 par. 9.3.2) in te bouwen in ureum; dit door verlies van belangrijke enzymen, zoals glutaminase 2 en arginase 1. Doordat glutamine niet in de lever wordt afgebroken, wordt de glutaminestikstof in zeer hoog tempo gebruikt om purinen te vormen (. figuur 10.5), die door hoge expressie van XDH in de lever worden omgezet in urinezuur. Het uitscheiden van stikstofafval van aminozuren en nucleotiden als urinezuur is energetisch duur en brengt het gevaar mee van nierfalen door een fulminante vorm van jicht (Oaks et al., 2004). Men denkt echter dat dit helpt om het verlies aan water tegen te gaan.

10.5 • Katabolisme van nucleotiden

337

Toepassing Moleculaire verklaring voor jicht Jicht is op vele manieren verstrengeld met de geschiedenis van de mens. De ziekte was al in het oude Egypte (2600 voor Christus) bekend en Hippocrates noemt de ziekte herhaaldelijk als ‘de ziekte die het onmogelijk maakt te wandelen’. Gout is afgeleid van het Latijnse gutta (druppel), omdat men in de oudheid dacht dat er bij deze ziekte flegma (‘slijm’, een hippocratisch begrip) in de gewrichten druppelt. Jicht stond vooral in de kijker omdat de personen die er last van hadden, tot recent in de geschiedenis vooral behoorden tot de hogere klassen van de maatschappij. Jicht staat dan ook bekend als de ‘ziekte van koningen’. Er zijn in de geschiedenis van de mens inderdaad diverse dynastieën bekend, waarvan de leiders bleken te lijden aan ernstige jichtaanvallen. Dit heeft natuurlijk te maken met het feit dat jicht (net als adellijke titels) overerfbaar is en dat alleen de hogere klasse zich de overvloedige maaltijden kon veroorloven die de jichtcrisis uitlokken. Jicht is een multifactoriële aandoening, waarbij een neerslag van de eerder vermelde MMU-kristallen in diverse weefsels, met name de gewrichten, een gemeenschappelijk eindpunt is. Als oorzaken voor deze ziekte is een hele reeks factoren gevonden. De secundaire vormen van jicht worden veroorzaakt door een sterk gestegen productie en afbraak van purinen door externe factoren, bijvoorbeeld ten gevolge van kanker (sterke proliferatie) die behandeld wordt met bestraling (sterke afbraak), of door een defect in de tubulaire excretie van urinezuur door de nieren. Bij patiënten met primaire vormen van jicht is er een interactie tussen predisponerende genen en omgevingsfactoren, vooral het dieet (Richette & Bardin, 2009). Deze vorm van jicht correleert epidemiologisch met diabetes, hypertensie en het metabool syndroom. De genetische oorzaken van hyperurikemie, de biochemisch kwantificeerbare factor die zeer duidelijk voorbeschikt tot jicht, worden op dit moment intensief onderzocht via grootschalig genoomoverspannend DNA-onderzoek (Riches et al., 2009). In dergelijke studies zoekt men bij een groot aantal mensen met een groot aantal merkers van DNA-polymorfismen naar plaatsen die statistisch significant correleren met de waarde van de circulerende uraatconcentraties (Kolz et al., 2009). Het blijkt dat de circulerende uraatconcentratie in zekere mate door overgeërfde genen wordt bepaald, wat goed past in een misschien nog steeds voortdurende evolutie naar een lang levende soort. De meest relevante genen in dit verband coderen voor uraattransporters in de niertubuli (Reginato et al., 2012). Dit lijkt logisch want deze transporters zorgen voor ongeveer 90% resorptie van het door de glomeruli gefilterde uraat van de urine terug naar het bloed. Drie belangrijke genen in dit verband zijn SLC2A9-gen, een paraloog van de GLUT-eiwitfamilie (Vitart et al., 2008), die tot expressie komt aan de basale pool van proximale tubulaire cellen van de nier, de in de apicale pool gelegen SLC22A12-transporters (URAT1) en de ABC-transporter ABCG2. In zeldzame gevallen kunnen mutaties in genen van het purinemetabolisme leiden tot een verhoogde purineproductie. Men denkt hierbij aan mutatie van hypoxanthine-guaninefosforibosyltransferase met verlies van de salvageweg en activerende mutaties van het PRPP-synthetase.

10

338

Hoofdstuk 10 • Nucleotidenmetabolisme

Literatuur

10

Abbruzzese, J.L. (2002). New applications of gemcitabine & future directions in the management of pancreatic cancer. Cancer. 95, 941–945. Ajani, J.A. (2008). Optimizing docetaxel chemotherapy in patiënts with cancer of the gastric & gastroesophageal junction: evolution of the docetaxel, cisplatin, & 5-fluorouracil regimen. Cancer. 113, 945–955. An, S., Kumar, R., Sheets, E.D. & Benkovic, S.J. (2008). Reversible compartmentalization of de novo purine biosynthetic complexes in living cells. Science 320, 103–106. Avery, O.T., Macleod, C.M. & McCarty, M. (1944). Studies on the chemical nature of the substance inducing transformation of pneumococcal types : induction of transformation by a desoxyribonucleic acid fraction isolated from Pneumococcus type iii. J. Exp. Med. 79, 137–158. Bailey, C.J. (2009). Orotic aciduria & uridine monophosphate synthase: A reappraisal. J. Inherit. Metab Dis. Jun 27. [Epub ahead of print] Brodsky, G., Barnes, T., Bleskan, J., Becker, L., Cox, M. & Patterson, D. (1997). The human GARS-AIRS-GART gene encodes two proteins which are differentially expressed during human brain development & temporally overexpressed in cerebellum of individuals with Down syndrome. Hum. Mol. Genet. 6, 2043–2050. Burra, P. (2009). Hepatitis C. Semin. Liver Dis. 29, 53–65. Cameron, C.E. & Castro, C. (2001). The mechanism of action of ribavirin: lethal mutagenesis of RNA virus genomes mediated by the viral RNA-dependent RNA polymerase. Curr. Opin. Infect. Dis. 14, 757–764. Cernik, C., Gallina, K. & Brodell, R.T. (2008). The treatment of herpes simplex infections: an evidence-based review. Arch. Intern. Med. 168, 1137–1144. Chimploy, K., Tassotto, M.L. & Mathews, C.K. (2000). Ribonucleotide reductase, a possible agent in deoxyribonucleotide pool asymmetries induced by hypoxia. J. Biol. Chem. 275, 39267–39271. Choi, H.K. (2010). A prescription for lifestyle change in patients with hyperuricemia and gout. Curr Opin Rheumatol. 22, 165–172. Gaspar, H.B., Aiuti, A., Porta, F., Candotti, F., Hershfield, M.S. & Notarangelo, L.D. (2009). How I treat ADA deficiency. Blood. 114, 3524–3532. Goker, E., Waltham, M., Kheradpour, A., Trippett, T., Mazumdar, M., Elisseyeff, Y., et al. (1995). Amplification of the dihydrofolate reductase gene is a mechanism of acquired resistance to methotrexate in patiënts with acute lymphoblastic leukemia & is correlated with p53 gene mutations. Blood. 86, 677–684. Hong, Z. & Cameron, C.E. (2002). Pleiotropic mechanisms of ribavirin antiviral activities. Prog. Drug Res. 59:41-69., 41–69. Kolz, M., Johnson, T., Sanna, S., Teumer, A., Vitart, V., Perola, M., et al. (2009). Meta-analysis of 28, 141 individuals identifies common variants within five new loci that influence uric acid concentrations. PLoS. Genet. 5, e1000504. Leoung, G.S., Stanford, J.F., Giordano, M.F., Stein, A., Torres, R.A., Giffen, C.A., et al. (2001). Trimethoprim-sulfamethoxazole (TMP-SMZ) dose escalation versus direct rechallenge for Pneumocystis Carinii pneumonia prophylaxis in human immunodeficiency virus-infected patiënts with previous adverse reaction to TMP-SMZ. J. Infect. Dis. 184, 992–997. Li, J., Zheng, L.M., King, I., Doyle, T.W. & Chen, S.H. (2001). Syntheses & antitumor activities of potent inhibitors of ribonucleotide reductase: 3-amino-4-methylpyridine-2-carboxaldehyde-thiosemicarba-zone (3-AMP), 3-amino-pyridine-2-carboxaldehyde-thiosemicarbazone (3-AP) & its water-soluble prodrugs. Curr. Med. Chem. 8, 121–133. Mukherjee, S. & Thrasher, A.J. (2013). Gene therapy for PIDs: progress, pitfalls and prospects. Gene 525, 174–181. Muul, L.M., Tuschong, L.M., Soenen, S.L., Jagadeesh, G.J., Ramsey, W.J., Long, Z., et al. (2003). Persistence & expression of the adenosine deaminase gene for 12 years & immune reaction to gene transfer components: long-term results of the first clinical gene therapy trial. Blood. 101, 2563–2569. Nagot, N., Ouedraogo, A., Foulongne, V., Konate, I., Weiss, H.A., Vergne, L., et al. (2007). Reduction of HIV-1 RNA levels with therapy to suppress herpes simplex virus. N. Engl. J. Med. 356, 790–799. Nyhan, W.L. (2005). Disorders of purine & pyrimidine metabolism. Mol. Genet. Metab. 86, 25–33. Oaks, J.L., et al. (2004). Diclofenac residues as the cause of vulture population decline in Pakistan. Nature 427, 630–633. Oettle, H. & Riess, H. (2002). Gemcitabine in combination with 5-fluorouracil with or without folinic acid in the treatment of pancreatic cancer. Cancer. 95, 912–922. Reginato, A.M., Mount, D.B., Yang, I. & Choi, H.K. (2012). The genetics of hyperuricaemia and gout. Nat Rev Rheumatol. 8, 610–621.

Literatuur

339

Riches, P.L., Wright, A.F. & Ralston, S.H. (2009). Recent insights into the pathogenesis of hyperuricaemia & gout. Hum. Mol. Genet. 18, R177-R184.Richette, P. & Bardin, T. (2010). Gout. Lancet. 23, 318–328. Roddy, E. & Doherty, M. (2010). Epidemiology of gout. Arthritis Res. Ther. 12, 223. Ruderman, N.B., Saha, A.K. & Kraegen, E.W. (2003). Minireview: malonyl-CoA, AMP-activated protein kinase, & adiposity. Endocrinology. 144, 5166–5171. Saif, M.W., Choma, A., Salamone, S.J. & Chu, E. (2009). Pharmacokinetically guided dose adjustment of 5-fluorouracil: a rational approach to improving therapeutic outcomes. J. Natl. Cancer Inst. 101, 1543–1552. Sands, B.E. (2006). Immunosuppressive drugs in ulcerative colitis: twisting facts to suit theories? Gut. 55, 437–441. Shao, J., Zhou, B., Chu, B. & Yen, Y. (2006). Ribonucleotide reductase inhibitors & future drug design. Curr. Cancer Drug Targets. 6, 409–431. Sivera, F., et al. (2014). Multinational evidence-based recommendations for the diagnosis and management of gout: integrating systematic literature review and expert opinion of a broad panel of rheumatologists in the 3e initiative. Ann Rheum Dis. 73, 328–335. Spiegel, E.K., Colman, R.F. & Patterson, D. (2006). Adenylosuccinate lyase deficiency. Mol. Genet. Metab. 89, 19–31. Torres, R.J. & Puig, J.G. (2007). Hypoxanthine-guanine phosophoribosyltransferase (HPRT) deficiency: LeschNyhan syndrome. Orphanet. J. Rare. Dis. 2, 48. Towler, M.C. & Hardie, D.G. (2007). AMP-activated protein kinase in metabolic control & insulin signaling. Circ. Res. 100, 328–341. Vaidya, A.B. & Mather, M.W. (2009). Mitochondrial evolution & functions in malaria parasites. Annu. Rev. Microbiol. 63, 249–267. Vitart, V., Rudan, I., Hayward, C., Gray, N.K., Floyd, J., Palmer, C.N., et al. (2008). SLC2A9 is a newly identified urate transporter influencing serum urate concentration, urate excretion & gout. Nat. Genet. 40, 437–442. Warren, J.W. (2001). Practice guidelines for the treatment of uncomplicated cystitis. Curr. Urol. Rep. 2, 326–329. Wolpin, B.M. & Mayer, R.J. (2008). Systemic treatment of colorectal cancer. Gastroenterology. 134, 1296–1310. Zhenchuk, A., Lotfi, K., Juliusson, G. & Albertioni, F. (2009). Mechanisms of anti-cancer action & pharmacology of clofarabine. Biochem. Pharmacol. 78, 1351–1359.

10

341

Voeding Samenvatting Hoofdstuk 11 behandelt talrijke raakpunten tussen voeding en metabolisme. Een evenwichtige voeding levert alle noodzakelijke bouwstenen voor het anabolisme, maar ook voldoende brandstof voor het energiemetabolisme. We beginnen met de onderverdeling tussen essentiële en niet-essentiële voedingsstoffen (de eerste moeten in het voedsel zitten, want de mens kan die niet zelf aanmaken). Dan bekijken we de aanbevolen dagelijkse hoeveelheid (ADH) van voedingstoffen, zowel vanuit het standpunt dat tekorten moeten worden vermeden, maar ook dat er geen excessieve inname mag gebeuren; dit met aandacht voor de invloed van leeftijd, geslacht en zwangerschap. We bespreken daarna de dagelijkse inname van macronutriënten: water en energie (vooral ingenomen als koolhydraten en vetten) en eiwitten. Wat betreft voedingseiwit besteden we aandacht aan begrippen als eiwitkwaliteit, limiterend aminozuur, complementatie en proteïne-energiemalnutritie. Dan volgen de micronutriënten (mineralen en vitaminen). Aandachtspunten zijn frequente tekorten (vitamine A, ijzer, zink, jodium) en de relatie tussen het vitamine B-complex en co-enzymen.

11.1 Inleiding – 343 11.2 Voedingsgewoonten – 345 11.3 Ondervoeding (malnutritie) – 346 11.4 Essentiële en niet-essentiële voedingsstoffen – 348 11.5 Aanbevolen hoeveelheden – 350 11.5.1 Algemeen – 350 11.5.2 Dagelijkse waterbehoefte – 355 11.5.3 Dagelijkse energiebehoefte – 355

11.6 Macronutriënten – 358 11.6.1 Koolhydraten – 358 11.6.2 Vetten (lipiden) – 360 11.6.3 Eiwitten – 364 F. C. Schuit, Leerboek metabolisme, DOI 10.1007/978-90-368-0620-6_11, © 2015 Bohn Stafleu van Loghum, onderdeel van Springer Media BV

11

11.7 Micronutriënten – 370 11.7.1 Mineralen – 370 11.7.2 Calcium – 371 11.7.3 Fosfor – 371 11.7.4 Zink – 372 11.7.5 IJzer – 373 11.7.6 Jodium – 376 11.7.7 Fluor – 376 11.7.8 Koper – 377 11.7.9 Selenium – 377 11.7.10 Natrium en chloor – 380 11.7.11 Kalium – 380 11.7.12 Magnesium – 380 11.7.13 Toxische metalen – 381 11.7.14 Vitaminen – 382 11.7.15 Vetoplosbare vitaminen – 384 11.7.16 Wateroplosbare vitaminen – 389

Literatuur – 396

11.1 • Inleiding

343

11.1 Inleiding

Wat is het verschil tussen goed en slecht voedsel? De volgende pagina’s moeten verduidelijken dat deze schijnbaar eenvoudige vraag op verschillende manieren kan worden beantwoord. Bedoelt de vraagsteller lekker eten? In dat geval biedt dit boek geen informatie en verwijzen we de lezer naar de culinaire literatuur die een enorme expansie kent. Of wordt bedoeld gezond eten? Goed of slecht verteerbaar? Mag het iets kosten? In dit hoofdstuk zullen we antwoorden uitwerken die passen in de context van metabole paden die in eerdere hoofdstukken zijn bewandeld. Er wordt uitleg verschaft over waarom belangrijke bestanddelen van het voedsel nodig zijn voor het metabolisme van de mens. Verder zullen we pathologische situaties bekijken die verklaard kunnen worden door tekorten of excessen aan bepaalde voedingsstoffen of aanwezigheid van voedselcontaminanten. Biologisch gezien moet voedsel gezond zijn voor de individuen van de soort die zich ermee voedt. Om enige relevantie te hebben voor de overleving van de soort, moet het ook regelmatig en in voldoende hoeveelheden beschikbaar zijn in de natuur. Het voedsel moet verder consumeerbaar zijn, waarmee bedoeld wordt kauwbaar, verteerbaar en componenten leverend die opgenomen kunnen worden in het lichaam. In dit voedsel zitten namelijk nuttige en noodzakelijke bouwstenen die nodig zijn om gezond te blijven. Tegelijkertijd kan dit voedsel veilig gegeten worden, omdat er geen irriterende of giftige stoffen (antinutritionele factoren) of ziektekiemen in zitten. Goed voedsel bevat geen elementen die de mond of het spijsverteringsapparaat verwonden of het gebit beschadigen. Brood dat is gemaakt van beschimmeld graan of van het laatste meel dat van de molensteen werd geschraapt kan niet veilig gegeten worden. In cultureel opzicht zijn er andere antwoorden op dezelfde vraag. Goed voedsel is in de eerste plaats lekker. Het doet watertanden en het is een plezier om op te eten. Het nuttigen van het specifieke voedsel zal doorgaans ook stroken met opvattingen die eigen zijn aan de traditie of de cultuur; sommige soorten voedsel zijn taboe of verboden door de wet. De joodse en mohammedaanse keukens vermijden varkensvlees. Hond en rat worden gegeten in China, schapenoog in Tunesië. En wat dacht u van slakken? Een ander cultureel element is de prijs, die bepaald wordt door vraag en aanbod in een vrije markteconomie; deze prijs is afhankelijk van de beschikbaarheid in de natuur, de inspanning die het vergt om het voedsel uit de natuur in de winkel te krijgen en de bereidheid van de consument om voor het product te betalen. Vanuit een sociaal standpunt bekeken is gezamenlijk eten een aanleiding tot menselijk contact. Mensen tafelen samen voor een goed gesprek. Ontbijt, lunch en diner zijn de momenten van de dag om gezellig samen te zijn. Aan tafel worden geschillen opgelost, overeenkomsten gesloten, liefde bekend, plannen gesmeed, zaken gedaan. De sociale dimensie is te meten aan de ontelbare eethuizen – van deftig restaurant tot bistro of brasserie waar mensen in de eerste plaats komen om elkaar te ontmoeten. De biologische aspecten van het zichzelf voeden staan bij deze gelegenheden op de achtergrond. In een ideale wereld combineren de biologische, culturele en sociale elementen zich tot een harmonisch geheel, wat voedsel bijzonder waardevol maakt in een menselijk leven; een bron van gezondheid en geluk. De ‘slowfood’-beweging (ontstaan onder leiding van Carlo Petrini als reactie op de wereldwijde opmars van de ‘fastfood’-winkelketens) schenkt aandacht aan het belang van deze harmonie. Het idee is dat voedsel dicht bij de natuur moet staan, bereid moet worden via de traditionele regionale keuken en met zorg en eerbied moet worden gepresenteerd. Soms staan de culturele gewoonten haaks op de biologische belangen. Zo kunnen er gezondheidsproblemen ontstaan die overkomen als een catastrofe of epidemie. Het verlies van gebitselementen door sucroseverbruik is een eerste voorbeeld. Voor de opkomst van de preventieve tandheelkunde was elk zoet snoepje een aanslag op de integriteit van het gebit. De

11

344

11

Hoofdstuk 11 • Voeding

transvetten in kunstmatig verharde oliën is een ander voorbeeld; deze door de voedingsindustrie in de tweede helft van de vorige eeuw gebruikte vetten in bijvoorbeeld koekjes, chips en margarines bleken ongezond voor hart en bloedvaten (7 par. 7.4.3). Een derde voorbeeld is de wereldwijde epidemie van obesitas die verklaard kan worden door goedkope en voor iedereen voortdurend beschikbare ‘calorie-dense happen’. Er kan over al deze elementen heel veel geschreven worden, maar dit boek beperkt zich tot de nutritieve waarde van voedingsstoffen en een bespreking van de belangrijke componenten die het voedsel moet bevatten om te zorgen dat we gezond blijven. Het onderwerp is relevant voor medische, tandheelkundige en biomedische opleidingen, zoals blijkt uit onderstaande punten die onderbouwd werden door wetenschappelijke literatuur: 55 Ondervoeding is nog altijd een van de grote humanitaire drama’s. Miljoenen mensen, waaronder veel kleine kinderen en zwangere vrouwen, kunnen dagelijks niet het nodige voedsel vinden om gezond te blijven en leven daardoor minder lang en minder kwaliteitsvol dan zij die wel voldoende kunnen eten. 55 Bij veel ziekten – ook zeer frequente zoals dyslipidemiën (Olendzki et al., 2006) en diabetes (Daly et al., 2009) – speelt een aangepast dieet een rol in de behandeling. Sommige van deze diëten zijn wetenschappelijk sterk onderbouwd, andere eerder controversieel. Een voorbeeld is de invloed van een aangepast dieet op de controle van bloedglucose bij patiënten met suikerziekte (Ajala et al., 2013). Een ander voorbeeld is de relatie tussen het dieet en het risico op het ontstaan van kanker (Fontham et al., 2009; Saleh et al., 2013). 55 Voor bepaalde ziekten zijn sommige voedingsstoffen of voedselcontaminanten risicofactoren die ziekte helpen uitlokken of bevorderen. Aflatoxine, nitrosamine en dioxinen komen als contaminant de voedselketen binnen en bevorderen het ontstaan van kanker (Abnet, 2007). De eerder besproken transvetten lokken hart- en vaatziekten uit (Zaloga et al., 2006). Een derde voorbeeld is methylkwik, dat als contaminant in vis het gunstige effect van omega-3-vetten en selenium op het cardiovasculair risico vermindert (Mozaffarian, 2009). Verminderde blootstelling aan deze risicofactoren draagt bij tot ziektepreventie (Katan, 2006). 55 Er is een kolossale stroom van informatie (Underbakke et al., 2006; Blanquer et al., 2009) over voedsel en voedingsgewoonten beschikbaar en de arts/tandarts/biomedicus moet leren om nuttige en objectieve informatie te onderscheiden van al het andere. Het is ook relevant om te zien of de elektronische informatiebronnen effect hebben op het eetgedrag van bepaalde doelgroepen (Harris et al., 2011). Een paar nuttige internetadressen zijn in dit verband: 55 www.gezondheidsraad.nl/nl/adviezen/gezonde-voeding 55 www.nubel.com/ 55 www.eatright.org/HealthProfessionals/ 55 Delen van in dit hoofdstuk verstrekte informatie kunnen later in het beroepsleven vrij direct bevraagd worden. De huisarts kan bijvoorbeeld geconfronteerd worden met vragen als: ‘waarom is bruin brood gezonder dan wit brood?’, of: ‘is die advertentie over cholesterolverlagers gegrond?’. De tandarts zal vragen kunnen verwachten over fluor, kwik en lood. Wil men zinnige antwoorden op dergelijke vragen kunnen geven, dan dienen tijdens de opleiding kennis en inzicht rondom voeding te worden opgebouwd. Om dit gegeven te structureren en te ondersteunen, zijn er aan diverse medische faculteiten leerstoelen voedingsleer ontstaan. Bovendien werden er in Nederland initiatieven genomen om huisartsen en patiënten regelmatig via nieuwsbrieven te informeren over nieuwe trends (Van Binsbergen & Drenthen, 2003).

11.2 • Voedingsgewoonten

345

55 Er blijft wetenschappelijk nog veel te leren over waarom mensen bepaalde dingen eten of juist niet eten. Een van de meest fascinerende wetenschappelijke vaststellingen is dat de voedselvoorkeur van de mens zich evolutionair heeft aangepast aan de selectiedruk van de leefomgeving (Krebs, 2009). Leerdoelen 55 Inzicht krijgen in de samenstelling van een evenwichtige voeding; 55 de metabole functie van de essentiële voedingsstoffen begrijpen; 55 de relatie zien tussen tekorten en excessen in voeding en hieruit voortkomende pathologie.

Studeeraanwijzing Voedingsleer steunt op drie grote disciplines die onderlinge overlap vertonen in hun toepassing op dit vakgebied: biochemie (metabolisme), kliniek (geneeskunde) en socio-economische disciplines, zoals landbouw/veeteelt en de voedingsindustrie. De metabole basis van de voedingsleer is bijna vanzelfsprekend. Voedingsstoffen zijn immers moleculen die na opname verwerkt worden in het metabolisme, waar ze zullen dienen als brandstof, bouwsteen voor macromoleculen of reserve. Een begrip van de metabole wegen die voedingsstoffen doorlopen, zal helpen bij de voorbereiding op de klinische aspecten van de voedingsleer. Dit hoofdstuk steunt op kennis en inzicht van de voorgaande hoofdstukken. Het is zeker niet de bedoeling om het cijfermateriaal in dit hoofdstuk vanbuiten te leren. Wel is het raadzaam om gepresenteerde cijfers te kunnen interpreteren wanneer een probleem in verband met voeding moet worden opgelost. De studietijd die nodig is voor de verwerking van de kernleerstof van dit hoofdstuk wordt geschat op 15 uur.

11.2 Voedingsgewoonten

In de meeste culturen speelt voedsel niet alleen een nutritionele maar ook een sociale rol, denk maar aan de feestelijke maaltijden of banketten om gasten of vrienden te ontvangen. Ook de keuze van voedsel uit diverse mogelijkheden wordt vooral cultureel bepaald. Schapenoog of geroosterde mier zijn voorbeelden van voedsel dat een lekkernij is voor de ene cultuur maar door de andere als onsmakelijk ‘vies’ wordt gezien. Ook strikte vegetariërs die om religieuze of andere redenen dierlijk voedsel in het dieet vermijden, vormen een voorbeeld. Dan zijn er de tradities, zoals vis op vrijdag en het vermijden van varkensvlees, of nieuwe trends, zoals ‘donderdag veggiedag’ of het eten van insecten. In sommige arme landen kunnen diep ingewortelde tradities ernstige nutritionele gevolgen hebben. Een voorbeeld is Ghana (West-Afrika), waar sommige mensen traditioneel geloven dat het eten van mango ongeluk brengt. Dit is nutritioneel een nadelige zaak, want (1) de mango is rijk aan vitamine A, (2) de mango is goed te kweken in Ghana en (3) vitamine A-gebrek komt in Ghana veel voor en leidt daar tot aanzienlijke kindersterfte (Ross et al., 1995). Religieuze of andere culturele voedingsbeperkingen hebben uiteraard de grootste nutritionele weerslag op jonge kinderen, een kwetsbare groep. De meeste (cultuurgebonden) opvattingen over het ‘goede’ of ‘gezonde’ van een bepaald soort voedsel zijn ook niet goed te verklaren. De foutieve algemene opvatting (veroorzaakt door een kommafout in een publicatie), dat spinazie meer ijzer bevat dan andere bladgroenten en dus gezonder is (Popeye), is een voorbeeld. Mede door diepgewortelde culturele/religieuze voedingsgewoontes zijn veranderingen in het dieet moeilijk uitvoerbaar, zelfs als dit om redenen van volksgezondheid wordt aangeraden. Uitzondering is de succesvolle intrede van vezelrijk voedsel in het westerse dieet, nadat bekend

11

346

Hoofdstuk 11 • Voeding

was geworden dat vezels colonziekten helpen voorkomen. Reden hiervoor is een onmiddellijk ‘voelbaar’ effect (constipatie) en een geringe benodigde opoffering van de consument (niet duur of onsmakelijk). Voorbeelden van recent in onze voeding verschenen voedingsstoffen zijn yoghurt en margarine. De eerste wordt algemeen gepropageerd als een gezond, vetarm melkproduct. De tweede werd eerst als een goedkoop botersurrogaat gebruikt; na de Tweede Wereldoorlog werd margarine geleidelijk een bewuste keuze voor velen (i.p.v. boter), maar bleek decennialang gecontamineerd te zijn met transonverzadigde vetzuren. Algemener zijn de veranderingen in de commerciële voedselbereiding; deze hebben te maken met de voedingsindustrie enerzijds (inblikken, invriezen) en met de tijdsbesteding van de consument anderzijds (kant-en-klaarmaaltijden; instant-mixen; ‘snelle happen’ zoals hamburgers en pizza’s). De mogelijke problematiek van te energierijke en verkeerd bereide voedingsstoffen zal aan de hand van specifieke voorbeelden worden bekeken. 11.3 Ondervoeding (malnutritie)

11

Ondervoeding of malnutritie kent talrijke oorzaken. Socio-economische factoren, zoals overbevolking en oneerlijke verdeling van voedsel tussen rijke en arme landen en binnen arme landen zelf, vormen wereldwijd de hoofdoorzaak. Bijkomende factoren als oorlog, droogte en slechte landbouwpolitiek, verergeren deze situatie alleen maar. Volgens een team van professoren uit de VS is een tekort aan vruchtbare grond, water en bos nu al de frequentste oorzaak van lokale gewapende conflicten (Schwartz et al., 2000). Gevreesd wordt, dat deze situatie de komende decennia – door verdere toename van de nu al gigantische wereldbevolking en schaarste aan vruchtbaar land en drinkbaar water – zal verergeren. Dit gegeven is een van de grote uitdagingen van de mensheid en heeft bijzonder verstrekkende gevolgen voor honderden miljoenen mensen, vooral (kleine) kinderen en vrouwen die leven in de socio-economisch armste landen. De problematiek in deze landen uit zich ook in grootschalige ondervoeding van de vrouw die, wanneer ze zwanger wordt, foetale malnutritie uitlokt, met een verhoogde kans op neonatale sterfte; naar schatting betreft dit 0,8 miljoen gevallen per jaar (Bhutta et al., 2013). Onvoldoende toepassing van de natuurlijke borstvoeding van zuigelingen zal naast andere (socio-economische) factoren bijdragen tot groeiachterstand (te kleine lichaamslengte voor de leeftijd – ‘stunting’ in het Engels) en verzwakking door uithongering (te klein gewicht voor de lichaamslengte – ‘wasting’ in het Engels). Stunting en wasting veroorzaken samen op wereldschaal een enorme kindersterfte: een schatting ligt in de orde grootte van 3,1 miljoen kinderen voor hun 5e verjaardag (Bhutta et al., 2013). Op de website van UNICEF (7 http:// www.unicef.org/progressforchildren/2007n6/index_41505.htm) kan men cijfers in de landen met de grootste problematiek vinden. In de rijke industriële wereld treedt ondervoeding op ten gevolge van verwaarlozing (oude mensen, verslaafden) en anorexie (ziekelijk gebrek aan eetlust). Erfelijk veroorzaakte stofwisselingsziekten (inborn errors of metabolism) veranderen soms drastisch de voedingseisen van een individu, zodat bij ‘normale’ voeding toch ziekte kan ontstaan. Malabsorptie is ook een frequente oorzaak van ondervoeding. Hier worden de voedingsstoffen wel opgegeten, maar onvoldoende verteerd en/of opgenomen in/door de darmtractus. Verhoogde behoefte aan voedingsstoffen is aanwezig onder bepaalde fysiologische omstandigheden (zwangerschap/lactatie) of tijdens sommige ziekten of verwondingen. Wanneer niet evenredig meer voedsel wordt ingenomen, zal een vorm van malnutritie ontstaan. In de rijke landen komen de klassieke ondervoedingsziekten, zoals scheurbuik (vitamine C), pellagra

11.3 • Ondervoeding (malnutritie)

347

(­niacine) en beriberi (thiamine), nauwelijks nog voor; het gaat in onze streken meestal om subtiele gradaties van ondervoeding die zeer moeilijk zijn vast te stellen. Wel kan een matige ondervoeding bij genetisch voorbeschikte personen een typische ondervoedingsziekte uitlokken. Een tijdelijk probleem van proteïnemalnutritie met een negatieve stikstofbalans werd vaak vastgesteld bij chirurgisch behandelde patiënten. Een lage graad van malnutritie is dan ook niet eenvoudig te bewijzen. De diagnose steunt op drie pijlers: klinische tekenen (die niet altijd specifiek zijn), biochemische veranderingen en een herstel van de ziektetoestand door voedingstherapie. De ondervraging van de patiënt in verband met zijn recente voedingsgeschiedenis biedt over het algemeen weinig duidelijkheid (behalve in extreme gevallen). De reden hiervoor is dat mensen onderling erg verschillen in hun minimale behoefte aan een bepaalde voedingsstof. Zelfs als men een heel specifieke biochemische parameter voor een bepaalde malnutritie kan hanteren (dit is lang niet altijd zo), kan een lage waarde bij een bepaald individu perfect normaal zijn, zelfs al is deze een stuk lager dan de gemiddelde of mediane waarde van de bevolking. Vandaar dat men malnutritie moet interpreteren in een brede context (socio-economisch, gevolgde eetgewoonten, klinische tekenen en eventuele biochemische veranderingen). Horizon Prangende vragen in verband met ondervoeding van moeder en kind Wereldwijd gezien is ondervoeding verantwoordelijk voor ongeveer de helft van alle gevallen van neonatale sterfte en kindersterfte tezamen (Bhutta et al., 2013). Meer dan honderdvijftig miljoen kinderen lopen irreversibele groeiachterstand op met blijvende gevolgen voor de verdere ontwikkeling. Daar is tegenwoordig een nieuw probleem bij gekomen: het grootschalig voorkomen van obesitas bij zwangere vrouwen, wat voorbeschikt tot obesitas en diabetes van de volgende generatie. Het is dan ook belangrijk om binnen de medische context meer te weten over de problematiek van ondervoeding bij moeder en kind. In 2008 publiceerde het toonaangevende medische tijdschrift The Lancet onder de titel ‘Maternal and child malnutrition’ een speciale serie artikelen, waarin een werkgroep van onderzoekers verschillende aspecten van dit grootschalige wereldwijde gezondheidsprobleem naar voren brachten. Kernpunten waren toen (1) de grote mortaliteit voor kind en moeder (Black et al., 2008); (2) de grote invloed op menselijk potentieel (Victora et al., 2008); (3) eventuele mogelijkheden om het probleem praktisch aan te pakken (Bhutta et al., 2008); (4) de dieperliggende socio-economische oorzaken (Morris et al., 2008); en (5) de rol van individuele landen om specifieke oplossingen te vinden (Bryce et al., 2008). The Lancet heeft het roer in handen gehouden en vijf jaar later (in 2013) een tweede serie artikelen gepubliceerd met daarin een re-evaluatie van de problematiek na een periode van grote financiële en politieke inspanningen. Het blijkt dat moeder- en kindondervoeding, ondanks de grote inzet van geld en mensen, niet uit de wereld is verdwenen. Wel is er verandering te zien in standpunten en accenten die moeten worden gelegd. Enkele kernbegrippen zijn schaalvergroting van goede initiatieven (tot mondiaal) en het vermijden van te simpele oplossingen die één type probleem omzetten in een ander. In de eerste analyse van de nieuwe serie artikelen (Black et al., 2013) wordt gesteld dat er – bovenop de ondervoeding van zwangere vrouwen – een nieuw grootschalig probleem van voedingsproblematiek is bijgekomen; dit door een enorm verspreid optreden van obesitas van de zwangere vrouw in landen met een laag en middelgroot BNP (bruto nationaal product) per inwoner. Daarmee wordt de medische problematiek van dit hoofdstuk verbonden met die van 7 par. 12.8.

11

348

11

Hoofdstuk 11 • Voeding

In een tweede analyse (Bhutta et al., 2013) wordt de aandacht gevestigd op 34 ‘focuslanden’ (gelegen in Afrika en Zuidelijk Azië), waarin vandaag 90% van de 165 miljoen kinderen met irreversibele groeiachterstand leven. Er wordt in dit artikel berekend dat met een kostprijs van ongeveer 10 miljard dollar en via een tiental interventieprogramma’s de sterfte van kleine kinderen (< 5 jaar) van 3,1 miljoen per jaar met 15% kan worden teruggedrongen. Deze interventies lopen uiteen van opvoeding van doelgroepen, sociale bescherming, landbouw, interventie bij acute ondervoeding (vooral met betrekking tot sterfte aan diarree en pneumonie) en voedingssupplementen, zoals zink en vitamine A. Het derde artikel (Ruel et al., 2013) bekijkt de interventiemogelijkheden vanuit een socio-economisch perspectief. Een van de bekommernissen is dat wanneer men de kindersterfte alleen zou aanpakken door de toename van de welvaart van het land te verhogen, er een verschuiving optreedt van de ene voedingsproblematiek naar een andere. Ruel en collega’s stellen immers dat de voorspelde daling van ‘stunting’ en ‘wasting’ (zie definitie in basistekst) met de toename van het BNP per inwoner kleiner is dan de stijging van de prevalentie van obesitas. Verder gaat het artikel in op de demografische problematiek van massale migratie. Dit vanwege grote regionale verschillen in welvaart en ondervoeding. Het laatste artikel (Gilespie et al., 2013) gaat over politieke maatregelen met een impact op de voedingsproblematiek van moeder- en kindondervoeding. De discussie gaat over de relatie tussen relevante evidentie voor een doelgerichte aanpak, die zich vertaalt in een verantwoordelijke bewustwording, leiderschap en verantwoorde aanpak door de overheid (‘nutrition governance’ in het Engels) in de context van de middelen de beschikbaar zijn (de riemen waarmee men moet roeien). Een van de kernpunten in de analyse is de rol van de politieke overheden voor het grootschaliger maken van intiatieven die nu reeds met enig resultaat zijn gestart. Eén uiting hiervan is de Scaling Up Nutrition (SUN-)beweging (website 7 http://scalingupnutrition.org/), die actief is in dertig landen waar de problematiek van moeder- en kindondervoeding het grootst is. Samengevat zien we met moeder- en kindondervoeding een mondiaal probleem dat repercussies heeft op de mensheid als geheel. Er is de demografische achtergrond van een planeet met een natuur en een landbouw/veeteelt die grenzen kent inzake het aantal monden dat kan worden gevoed. De globale betrokkenheid blijkt ook uit de directe effecten in de getroffen landen naast indirecte effecten, zoals migratiegolven die spanningen teweegbrengen in niet direct getroffen landen. De stijging van de welvaart, vooral in Azië, leert ook dat een eenvoudige oplossing van BNP per inwoner niet bestaat, omdat de voedingsproblematiek van moeder- en kindondervoeding verschuift naar een problematiek van moeder- en kindovergewicht met gevolgen voor de opmars van obesitas en diabetes. Meer hierover in 7 H. 12.

11.4 Essentiële en niet-essentiële voedingsstoffen

Een evenwichtige voeding bevat alle bestanddelen die nodig zijn om gezond te blijven; tegelijkertijd wordt de opstapeling van giftige of andere schadelijke stoffen vermeden. Belangrijk zijn de chemische stoffen die noodzakelijk zijn voor het metabolisme maar die niet door menselijke cellen kunnen worden geproduceerd. Dit zijn de essentiële voedingsstoffen (.  tabel 11.1). Deze stoffen moeten via het voedsel opgenomen worden om deel te nemen aan het metabolisme. Een zeer prominente plaats wordt ingenomen door water, dat onmisbaar is voor talrijke functies en veruit het meest voorkomende molecuul is in het menselijk lichaam. In dit water

349

11.4 • Essentiële en niet-essentiële voedingsstoffen

. Tabel 11.1  Essentiële voedingsstoffen voor de mens. Aminozuren1

Vitaminen

Mineralen

Vetzuren

Wateroplosbaar

Vetoplosbaar

histidine

ascorbinezuur

vitamine A

calcium

linolzuur

isoleucine

biotine4

vitamine D4

chloor

linoleenzuur

leucine

foliumzuur

vitamine E

chroom5

eicosapentaeenzuur

lysine

niacine4

vitamine K

fluor5

methionine

pantotheenzuur

fosfor

cysteïne)2

riboflavine

jodium

fenylalanine

vitamine B1

ijzer

tyrosine)3

vitamine B6

kalium

vitamine B12

koper

(+

(+

threonine tryptofaan

magnesium

valine

mangaan

Water

molybdeen natrium selenium silicium 1

De aminozuren worden in de voeding aangeleverd via plantaardige en dierlijke eiwitten. De zwavelhoudende aminozuren moeten samen bekeken worden. 3 De aromatische fenylhoudende aminozuren moeten samen bekeken worden. 4 Beperkte productie door darmflora (biotine), huid (vit. D) of vanuit tryptofaan (niacine). 5 Chroom: nog steeds twijfel over de essentie; fluor gaat cariës tegen in een sucrose consumerende wereld. 2

zijn de ionen opgelost van vijftien elementen (metalen en niet-metalen). Een aantal van deze ionen zorgt voor de osmotische druk en ionenstromen die aan de basis liggen van de elektrische activiteit van cellen. Andere ionen (bijvoorbeeld zink, ijzer, koper) vormen een onderdeel van talrijke eiwitten, waar ze deelnemen aan de eiwitfunctie (binding aan DNA, enzymatische activiteit). Van deze laatste groep ionen is maar zeer weinig nodig in het voedsel (sporenelementen). Ten slotte bevat .  tabel 11.1 een aantal organische verbindingen die het lichaam zelf niet of onvoldoende kan maken, maar die nodig zijn voor gezond functioneren. Hiertoe behoren de essentiële aminozuren (7 par. 9.2) en essentiële vetzuren (7 par. 7.2.5). Ten slotte bevat de lijst vijftien vitaminen, die onderverdeeld kunnen worden in een vetoplosbare en een wateroplosbare groep. Sommige van deze stoffen zijn eigenlijk niet 100% nodig in de voeding, omdat ze deels worden aangemaakt door micro-organismen in onze darmflora (biotine) of in de huid (vitamine D). Het is voor sommige van de stoffen in . tabel 11.1 (vooral voor sommige sporenelementen) moeilijk om te bewijzen dat ze essentieel zijn. Een overtuigend argument is dat het sporenelement deel uitmaakt van een door de mens gebruikt biomolecuul. Voorbeelden zijn kobalt in vitamine B12 en molybdeen in de actieve sites van de enzymen ribonucleotidereductase

11

350

Hoofdstuk 11 • Voeding

(7 par. 10.4.1) en xanthineoxidase (7 par. 10.5). Mangaan komt voor als cofactor van pyruvaatcarboxylase (7 par. 4.3.3), superoxidedismutase (MnSOD) en glutaminesynthetase (7 par. 9.2.2). Soms kan de behoefte aan een essentieel voedingsbestanddeel worden opgevangen door een metabole precursor. Zo wordt niacine (nicotinezuur) vervaardigd uit tryptofaan (zelf een essentieel voedingsbestanddeel) en kan choline de novo worden aangemaakt vanuit serine en methionine (het laatste is zelf ook een essentieel voedingsbestanddeel). Dan zijn er twee elementen waar al lang over wordt getwijfeld. Het eerste is fluor. In een leefwereld zonder sucrose en zonder fluorsupplementen (bijvoorbeeld bij de traditionele Inuit) was er tot op hoge leeftijd weinig of geen cariës. Door de overschakeling naar een samenleving waarin sucrose deel uitmaakt van de eetcultuur (snoep, gebak enzovoort), is cariës echter bijzonder prevalent, zelfs bij kinderen. In de suiker consumerende samenleving is aangetoond dat lokale of systemische toediening van fluor cariës tegengaat, hoewel dit meer overtuigend is voor het definitieve gebit dan voor de melktanden (Ismail & Hasson, 2008). Ten slotte: een spoor fluor maakt deel uit van het glazuur in onze tanden en kiezen. Het tweede voorbeeld is chroom. Het driewaardig Cr3+-kation heeft een effect op de werking van insuline op zijn receptoren (Anderson, 2003). Bij sommige diabetespatiënten is er een beperkt effect van farmacologische doses (Cefalu et al., 2009). Wellicht is dit farmacologie, analoog met het effect van lithium op de signaaltransductie in de hersenen. We zouden kunnen besluiten dat fluor, door zijn inbouw in glazuur en bijdrage tot een gezond gebit in een sucroseverbruikende wereld, essentieel is. Anderzijds oefent chroom, dat geen deel uitmaakt van een menselijke structuur of molecuul, waarschijnlijk een farmacologisch effect uit op de insulinereceptor. 11.5 Aanbevolen hoeveelheden

11

11.5.1 Algemeen

Naast het samenstellen van een lijst van essentiële voedingsstoffen hebben voedingsdeskundigen voor elk van deze stoffen ook de optimale dagdosis beoordeeld (.  figuur  11.1) die met het voedsel moet worden ingenomen. Deze schatting heeft geleid tot de aanbevolen dagelijkse hoeveelheid (ADH). Dit is een dagelijkse consumptie die toereikend is voor vrijwel de gehele populatie. Een dergelijke hoeveelheid wordt met behulp van statistische methoden afgeleid van de gemiddelde behoefte van een bevolking of een bevolkingsgroep en de spreiding rond dit getal. De . figuren 11.1 en 11.2 geven aan hoe men aan dergelijke cijfers komt. Als men in een bepaalde bevolking nagaat welke dagdosis optimaal is om de fysiologische behoefte van de persoon te dekken, dan blijkt dat de individuele dagelijkse behoefte een klokvormige spreiding vertoont. De gemiddelde behoefte (Bgem)is bij een normale verdeling de dagdosis die toereikend is voor de helft van de bevolking. Bij een normale distributie ligt per definitie de dagelijkse behoefte van 95% van de mensen in deze bevolking in een dosisinterval dat gelijk is aan {Bgem –2 SD < X < Bgem +2 SD}. De grootte van de standaarddeviatie (SD) is (afhankelijk van de voedingsstof) doorgaans 10-15% van het gemiddelde, maar soms groter. Hierdoor zal een inname van 1,3 maal Bgem van een bevolking voldoende voedingsstof bevatten voor 97,5% van de leden van deze populatie (. figuur 11.1). Voor 2,5% van de gezonde populatie zijn deze dagelijkse hoeveelheden nog altijd te klein. Men kan echter niet zomaar de bevolking nog hogere dagelijkse hoeveelheden aanbevelen, omdat overdaad van voedingsstoffen soms abnormale opstapeling (en dus toxiciteit) met zich kan meebrengen (. figuur 11.1, rode kromme). Er bestaat een tolereerbare bovengrens waarbij vrijwel niemand van de bevolking ongewenste effecten ondervindt. Boven deze grens beginnen sommige mensen echter symptomen

11.5 • Aanbevolen hoeveelheden

351

. Figuur 11.1  Gemiddelde behoefte en maximaal tolereerbare bovengrens van een voedingsstof voor een bepaalde bevolkingsgroep. De gemiddelde behoefte (Bgem) van deze bevolking (dagdosis om te kunnen functioneren) komt overeen met de mediaan van de blauwe kromme. F(%) is het percentage van de populatie dat een bepaalde dosis nodig heeft. Om gezond te blijven neemt 95% van de individuen van deze bevolking een dagdosis in het interval van Bgem ± 2 SD. Dit betekent, dat 2,5% van de normale individuen een dagdosis groter dan Bgem + 2 SD nodig heeft. Bij nog hogere dagdoses ontstaan schadelijke en ongewenste effecten (rode kromme). Als de Dtox –2 SD beduidend groter is dan de Bgem +2 SD, dan is er weinig gevaar voor toxiciteit. De tolereerbare bovengrens van inname (pijl) is het maximale niveau van inname waarbij er geen ongewenste effecten optreden in het overgrote deel van de populatie.

. Figuur 11.2  Overlappende krommen voor behoefte en ongewenste effecten. Er bestaat geen dagdosis waarbij iedereen in de bevolking genoeg krijgt (fysiologische curve (blauw)) en er tegelijkertijd niemand toxiciteit ondergaat (rood). De aanbevolen hoeveelheid (2) is dan ook een keuze die beter is dan 1 (geen ongewenste effecten, maar veel mensen ondervoed) en 3 (niemand krijgt te weinig, maar er is te veel excespathologie). Vooral voor selenium (Chan et al., 2009) en jodium (Pedersen et al., 2007) is deze overlap een probleem voor voedingsdeskundigen.

te krijgen van excespathologie. Voor een aantal voedingsstoffen ligt deze tolereerbare bovengrens ver boven de fysiologische behoefte, zodat er geen overlap bestaat tussen beide krommen en men zich weinig zorgen hoeft te maken over eventuele ongewenste effecten. Echter, voor enkele essentiële voedingsstoffen, vooral selenium, liggen de bovengrens van de fysiologische behoefte en de ondergrens van toxiciteit dicht bijeen en overlappen de krommen voor een bepaalde populatie elkaar (. figuur 11.2). Voor dergelijke voedingsstoffen wordt het belangrijk om een ‘veilig’ getal te vinden, waarbij de meeste mensen genoeg krijgen en dit zonder dat een grote groep te veel krijgt en de nadelen hiervan ondervindt, de ‘region of homeostasis’. Ondanks deze moeilijkheden doet de overheid aanbevelingen voor de veilige dagelijkse hoeveelheden van alle essentiële voedingstoffen die met de voeding moeten worden ingenomen. Een overzicht van deze ADH-waarden staat in . tabel 11.2.

11

0,4

50

0,003

2

12

2

koper (mg)

magnesium (mg)

mangaan (mg)

molybdeen (µg)

selenium (µg)

zink (mg)

0,4

0,4

0,5

vitamine B6 (mg)

vitamine B12 (µg)

0,5

vitamine B1(mg)

vitamine B2 (mg)

375

vitamine A (µg)4

Vitaminen

90

jodium (µg)

-

120

fosfor (mg)

ijzer

0,2

chroom (µg)

(mg)1

210

calcium (mg)

mineralen

0-6 mnd

0,5

0,4

0,4

0,5

375

3

12

3

0,6

75

0,4

90

6,2

275

5,5

340

7-12 mnd

0,7

0,7

0,8

0,6

400

4

25

17

2,0

80

0,7

90

3,9

360

11

500

1-3 jaar

Kind

0,9

0,9

1,0

0,8

450

6

30

22

2,5

130

1,0

90-120

4,2

450

15

700

4-6 jaar

11

voedingsstof

Zuigeling

. Tabel 11.2  Aanbevolen dagelijkse hoeveelheden.

1,0

1,1-1,3

1,2/1,5

0,9

500

9

50

34

2,5

200

1,2

120

5,9

700

20

900

7-10 jaar

1,3

1,1-1,5

1,2/1,5

1,0

600

10

60

40

3,0

390

1,3

150

9,7-21,82

900

25

1200

11-14 jaar

1,4

2,0

1,5

1,5

600

11

70

45

5,5

420

1,7

200

9,1

800

35

900

man

19-60 jaar

1,4

1,8

1,2

1,1

500

8

60

45

5,0

360

1,2

200

19,6

800

25

900

vrouw

600

400

7,5

1000

1200

60-plus

1,7/1,8

1,9/2,0

1,5/1,8

1,5/1,6

800-850

12/14

65/75

50

5,0

400

1,3/1,5

250

suppl3

1000

30/45

1200

Zwanger/ borstvoeding

352 Hoofdstuk 11 • Voeding

2-3

50

2-3

50

10

4

10

pantotheenzuur (mg)

vitamine C (mg)

vitamine D (µg)7

vitamine E (mg)8

vitamine K (µg)

15

6

10

60

3-5

9

10-15

100

1-3 jaar

Kind

20

7,5

10

75

5-8

11

10-15

130

4-6 jaar

25

9

10

90

5-8

13

10-15

150

7-10 jaar

35

11

10-15

100

5-10

14

20-30

180

11-14 jaar

50-70

15

10-15

110

5-12

16

30-70

200

man

19-60 jaar

50-70

15

10-15

110

5-12

14

30-70

200

vrouw

15

60-plus

50/70

15

20

120/130

5/12

16

30/70

400

Zwanger/ borstvoeding

Bron: Voedingsaanbevelingen voor België Herziening 2009 - Hoge Gezondheidsraad. In deze tabel hierboven ontbreken de gegevens van de 15-18-jarigen; + voor de 60-plussers staan er alleen getallen als deze significant verschillen vergeleken met de groep 19-60-jarigen. Let op het verschil in eenheden (milligrammen versus microgrammen per dag). 1 Rekening houdend met een biologische beschikbaarheid van 15%; voldoende reserve 0-6 mnd. 2 Vanaf de menstruatie verdubbelt de dagelijkse ijzerbehoefte bij vrouwen. 3 Een supplement van ijzersulfaat wordt aanbevolen tijdens de tweede helft van de zwangerschap. 4 Uitgedrukt in retinolequivalenten (1 µg retinol = 6 µg bèta-caroteen). 5 Uitgedrukt als voedingsfolaat (biobeschikbaarheid 50% van die van foliumzuur). De onzekerheidsmarge heeft te maken met de rol van de darmflora. Uitgedrukt in cholecalciferolequivalenten (1 µg cholecalciferol = 40 IE vitamine D). 8 Uitgedrukt in de hoeveelheid alfa-tocoferol (1 mg alfa-tocoferol = 1 aTE).

10

4

10

8

8

niacine (mg)

biotine

5

50

5

50

folaat (µg)5

7-12 mnd

(µg)6

0-6 mnd

Zuigeling

voedingsstof

. Tabel 11.2 (Vervolg)

11.5 • Aanbevolen hoeveelheden

353

11

354

Hoofdstuk 11 • Voeding

Horizon

11

Wat is de juiste behoefte aan een bepaalde voedingsstof? De moeilijkheid van de schatting van de gemiddelde behoefte, de aanbevolen hoeveelheid en de tolereerbare bovengrens is te verklaren door diverse factoren. Enerzijds is het om ethische redenen niet mogelijk om een studie uit te voeren waarbij mensen te weinig/ genoeg/te veel van de essentiële voedingsstof krijgen, om vervolgens te meten wie ziek wordt en wie niet. Proefdieronderzoek is vaak ook geen oplossing, want dit levert resultaten die niet of nauwelijks extrapoleerbaar zijn naar de mens. Ten derde is het niet eenvoudig om criteria vast te stellen voor wie te weinig van de voedingsstof krijgt en wie genoeg eet. Een veelgebruikte benadering is de reserve van de stof te meten met biochemische methoden. IJzer is een voorbeeld, omdat een deel van de lichaamsreserve in het bloed circuleert via het eiwit transferrine. Een vierde probleem met deze schatting is dat de darmflora soms een deel van de behoefte produceert (biotine). Ten vijfde vertonen mensen onderling sterke variatie in hun dagelijkse behoefte. Dit werd al aangehaald in . figuur 11.1; genetisch voorbeschikte factoren kunnen een rol spelen, evenals de actuele nutriëntenstatus van een persoon (iemand met ijzergebrek heeft op dat moment een grotere ijzerbehoefte). Bovendien is de dagelijkse voedingsbehoefte afhankelijk van externe factoren, zoals blootstelling aan zonlicht (vitamine D) of leeftijd (veranderende behoefte na de groei; van bejaarden). Kinderen hebben door hun groei over het algemeen relatief meer nodig dan volwassenen. Een vrouw heeft beduidend meer voedingsstoffen nodig tijdens de zwangerschap en wanneer ze na de bevalling borstvoeding geeft (Shah & Ohlsson, 2009). Voor selenium wordt het steeds duidelijker dat de genetisch bepaalde variatie tussen mensen onderling het verschil kan maken tussen een dagdosis die voor de een gunstig is en voor de ander nadelig. Zeer interessant is dat een van de belangrijke genotypeverschillen zit in het gen dat codeert voor superoxidedismutase, een enzym dat zuurstofschade beperkt (Chan et al., 2009). In de toekomst zal men dus vermoedelijk betere en veiligere hoeveelheden kunnen aanraden aan subgroepen die onderscheiden worden door functioneel relevante genotypeverschillen. Ondanks deze moeilijkheden hebben voedingsspecialisten in dienst van de overheid toch schattingen gemaakt, op basis van epidemiologische resultaten. De eerste getallen kwamen van de Food & Drug Administration (FDA) in de Verenigde Staten: de zogenoemde RDA-waarden (recommended dietary allowance). De aanbevolen dagelijkse hoeveelheden die uitgaan van de Nederlandse en Belgische Gezondheidsraden zijn het resultaat van een Europese richtlijn, EFSA 2006 (European Food Safety Authority, website 7 http://www.efsa. europa.eu/), die de cijfers voortdurend bewaakt in functie van de meest actuele evidentie. Enkele cijfers van de aanbevolen hoeveelheden mineralen en vitaminen (‘Voedingsaanbevelingen voor België’, Hoge Gezondheidsraad, Publicatie 8309, 2009) zijn te vinden in . tabel 11.2. De aanbevolen dagelijkse hoeveelheden kunnen in de loop der tijd veranderen. Vergelijk hiervoor de waarden in . tabel 11.2 met aanbevelingen van tien jaar geleden. De aanbevolen dagdosis van heel wat stoffen is inmiddels gedaald; uitzonderingen zijn jodium, folaat en vitamine D. Bovendien zouden sommige bevolkingsgroepen met hogere inname dan de RDA-waarden beschermd kunnen worden tegen bepaalde degeneratieve processen (Hath-

355

11.5 • Aanbevolen hoeveelheden

cock, 1997). Een voorbeeld is vitamine C (Carr & Frei, 1999). De oorspronkelijk RDA-waarde van 60 mg/dag was gebaseerd op studies die de dosis aangaven om scheurbuik te voorkomen. Hogere waarden (tot 120 mg/dag) worden nu overwogen als mogelijk voordelig voor sommige mensen, omdat de antioxiderende werking van vitamine C beschermend zou werken tegen degeneratieve pathologie, waarbij sprake is van oxidatieve schade. Dit idee moet echter onderbouwd worden met meer objectieve gegevens. Verder onderzoek naar het bestaan van de nutritionele behoeften van specifieke bevolkingsgroepen is dus nodig. Een belangrijke groep vertegenwoordigen de 60-plussers, onder meer door de vergrijzing van de bevolking. Bij hen neemt de nutritionele behoefte aan energie neemt af en die aan eiwitten neemt, wanneer men deze groep vergelijkt met jongere volwassenen (Chernoff, 2005). Oudere vrouwen ontwikkelen vaak een tekort aan vitamine B12, vitamine A, vitamine C, vitamine D, calcium, zink en ijzer. Nieuwe studies zijn nodig om de nutritionele noden en deficiënties bij bejaarden preciezer te bepalen.

. Tabel 11.3  Aanbevolen dagelijkse wateropname. Leeftijd

1 week

1 w-3 mnd

4-8 mnd

9-12 mnd

1-6 jr

7-11 jr

11-14 jr

15-19 jr

water (ml/kg)1

100-120

130-150

120-130

100-110

75-100

65-80

65-70

45-60

Bron: Voedingsaanbevelingen voor België Herziening 2009 - Hoge Gezondheidsraad. 1 De hoogste waarde geldt voor de jongste kinderen binnen de leeftijdscategorie.

11.5.2 Dagelijkse waterbehoefte

Water is voor de mens en vele andere dieren een van de kostbaarste essentiële voedingsstoffen (Manz, 2007) en watergebrek zal – vaak nog eerder dan gebrek aan de andere voedingsstoffen die hierna worden besproken – leiden tot de dood. Vooral zuigelingen zijn bijzonder gevoelig voor te weinig waterinname en uitdroging (Manz, 2007), zeker als dit gebeurt in combinatie met verhoogd verlies van water (diarree, braken, koorts). Ongeveer 65-75% van de massa van het menselijke lichaam bestaat uit water, dat het solvens is van de polaire stoffen in en buiten de cellen. De dagelijks aanbevolen inname van water (net als die voor chloor, natrium en kalium) vertoont een marge omdat onder meer luchtvochtigheid, omgevingstemperatuur en fysieke inspanning een rol spelen in het waterverlies (zweten). De fysiologische regeling van water-, natrium- en chloorinname en -excretie vallen buiten het bestek van dit boek. De aanbevolen dagelijkse wateropname wordt uitgedrukt per kilogram lichaamsgewicht (. tabel 11.3) en is zeer belangrijk voor voedingsadvies in verband met zuigelingen en flesvoeding. 11.5.3 Dagelijkse energiebehoefte

Een van de belangrijkste onmiddellijk merkbare eigenschappen van de toereikendheid van voeding is het vermogen om voldoende energie-equivalenten aan te leveren ter compensatie van het energieverbruik door het organisme. Regelmechanismen die in het volgende hoofdstuk

11

356

Hoofdstuk 11 • Voeding

. Figuur 11.3  Links: drie componenten van energie-uitgave door het menselijk lichaam op basis van de leeftijd. Een constante uitgave is het thermisch effect van voedselinname: dit is de energie om het voedsel te verteren, op te nemen en de opgenomen bouwstenen te verwerken. Daarnaast is er het dagelijks constante basale metabolisme (blauw), met inbegrip van de groei tijdens de kinderjaren. Ten slotte bestaat er de dagelijks variabele energie-uitgave door arbeid van de skeletspieren (sport, handenarbeid, andere vormen van beweging). Basaal metabolisme en fysieke arbeid hebben de tendens om af te nemen met het toenemen van de leeftijd. De extra energie-uitgave door toegenomen basaal metabolisme en nettogroei van vrouwen tijdens de zwangerschap en het geven van borstvoeding is hier niet getoond. Rechts: het verschil tussen de energie-inname (calorische waarde van het voedsel) en de energie-uitgave is energiereserve. Als het verschil een positief getal is, neemt de energiereserve toe; bij een negatief getal wordt de bestaande reserve aangesproken.

11

worden besproken, maken een mens hongerig zolang aan deze energievraag niet is voldaan. Dit verbruik bevat een aantal componenten (. figuur 11.3 links). Een dagelijkse constante energieuitgave wordt onderverdeeld in basaal metabolisme en de energie die nodig is om de voeding te verteren, op te nemen en te assimileren (thermisch effect van voedselinname). Bovendien is er een dagelijks variabele energie-uitgave die verklaard wordt door mechanische arbeid van de skeletspieren. De energie-uitgave wordt meestal uitgedrukt in kilocalorieën (kcal), maar ook in megajoule (MJ; 1000 kcal = 4,2 MJ). Aanbevelingen voor zuigelingen en kinderen staan vermeld in . tabel 11.4. De aanbevolen dagelijkse energie-inname is sterk afgestemd op de dagelijkse energie-uitgave. Jongens hebben een hoger basaal metabolisme dan meisjes en hebben daarom 10% meer energie per dag nodig, ook wanneer dit getal uitgedrukt wordt per kilogram lichaamsgewicht (. tabel 11.4). Het brutocijfer van energie-uitgave voor het totale lichaam stijgt tijdens de groei door het toenemende gewicht. Voor jongens is deze totale uitgave ongeveer 1500, 2300 en 3400 kcal/dag op de leeftijden van respectievelijk 6, 12 en 18 jaar. Door het lagere gewicht en de lagere uitgave per kg gewicht liggen de cijfers voor meisjes 10-20% lager (ongeveer 1300, 2100 en 2500 kcal/dag op de leeftijden van 6, 12 en 18 jaar). Het verschil tussen de geslachten neemt toe met de puberteit, wat wijst op het belang van de geslachtssteroïden. Wanneer de fysieke inspanning daalt tot gering, moeten deze cijfers met 10-20% verminderd worden volgens vrij ingewikkelde berekeningen op basis van de zogeheten PAL-schaal (physical activity level). Bij volledige rust gaat van deze cijfers nog eens 20-30% af. De gezondheidsinstanties in de geïndustrialiseerde wereld zijn zich meer en meer bewust van het belang van aanbevolen dagelijkse energiebehoefte voor de volksgezondheid. Wanneer de dagelijkse energie-inname de waarde van de energie-uitgave van het lichaam overschrijdt,

357

11.5 • Aanbevolen hoeveelheden

. Tabel 11.4  Aanbevolen dagelijkse energie-inname bij kinderen. Leeftijd

Gewicht (kg)

Energie-uitgave (kcal/ kg/dag)

Aanbevolen energie-inname* (kcal/kg/dag)

meisjes

jongens

meisjes

jongens

meisjes

jongens

1 maand

4,4

4,6

66

67

107

113

3 maanden

5,8

6,3

72

73

95

95

6 maanden

7,4

7,9

75

76

81

81

12 maanden

9,0

9,6

78

78

79

81

2 jaar*

10,8

11,5

79

81

80

82

3 jaar

13,0

13,5

80

83

81

84

6 jaar

18,6

19,7

70

74

72

74

9 jaar

26,6

26,7

63

68

64

69

12 jaar

39,2

37,5

54

62

55

62

15 jaar

52,1

53,8

47

55

47

56

18 jaar

56,7

67,8

44

50

44

50

Bron: Voedingsaanbevelingen voor België Herziening 2009 - Hoge Gezondheidsraad. * Vanaf 12 maanden berekend op basis van een matige dagelijkse fysieke activiteit.

zal het verschil immers worden opgeslagen als energiereserve, in de vorm van triglyceriden in vetweefsel en in andere cellen (. figuur 11.3 rechts; 7 par. 7.2.7 en 7 par. 12.4). Alleen in de eerste levensmaanden worden aanzienlijke surplussen boven de energie-uitgave aanbevolen om een minimale vetreserve op te bouwen. Vanaf de leeftijd van 2 jaar is het verschil tussen uitgave en aanbevolen inname vrijwel nul (. tabel 11.4) om de vetvoorraad niet onnodig groot te laten worden. In veel landen komt de situatie van een surplus van inname tegenwoordig steeds frequenter en in ernstiger mate voor, zelfs bij jonge kinderen, wat een epidemie van zwaarlijvigheid (obesitas) tot gevolg heeft (7  par. 12.8). Een verandering van levensstijl (eetgedrag naar calorierijke snelle happen en minder lichamelijke inspanning) is hiervan de oorzaak. Horizon Wat bepaalt het basale metabolisme? De meest constante energie-uitgave is dus het thermische effect van voedselinname (5-10% van de totale energie-uitgave van het lichaam). Het basale metabolisme neemt af met het stijgen van de leeftijd. Een van de belangrijkste redenen is dat de groei na de kinderjaren stopt. In . figuur 11.3 is te zien dat deze groei, uitgedrukt per kilogram lichaamsgewicht, een belangrijke component is bij een pasgeborene, om te verdwijnen als uitgave aan het einde van de puberteit. Maar ook zonder de groei daalt het basale metabolisme met het ouder worden bij de mens met ongeveer 2% per decade. Hierbij kan worden opgemerkt dat andere lang levende diersoorten, zoals de naakte molrat (Heterocephalus glaber) en de sneeuwstormvogel (Pagodroma nivea), hun basale metabolisme niet verlagen bij het ouder worden en relatief ‘fit blijven’ tot de dood (O’Connor et al., 2002; Moe et al., 2007).

11

358

Hoofdstuk 11 • Voeding

De redenen voor de daling van het basale metabolisme bij de mens zijn nog niet volledig opgehelderd. Verminderde elektrische activiteit van lichaamscellen en verminderde biosynthese van macromoleculen leveren mogelijke bijdragen (Wilson & Morley, 2003). Het is ook mogelijk dat de veroudering van de mitochondria met een daling van de oxidatieve fosforylering een directe rol speelt (Nair, 2005). De fysieke inspanning van de skeletspieren blijkt in een Duitse studie echter iets hoger bij vrouwen van middelbare leeftijd dan in jonge volwassenen, maar blijft constant bij ouder wordende mannen (Krems et al., 2004). Ouderdom gaat ook gepaard met een afname van de spiermassa of sarcopenie (Evans & CyrCampbell, 1997) en osteopenie, een afname van de botmassa. Een recente ontwikkeling is de ontdekking van het bestaan van bruine vetcellen, niet alleen bij kleine kinderen, maar ook bij volwassenen (Cypess et al. (2009). Eerder hebben we stilgestaan bij het feit dat dit celtype – via het UCP1-eiwit – gespecialiseerd is in het ontkoppelen van oxidatie en fosforylering in de mitochondria (7 par. 5.8). Hierdoor verbranden de bruine vetcellen brandstof en genereren zij warmte. Het belang van deze cellen voor de energie-uitgave zal verder worden bekeken in 7 par. 12.8.2.

11.6 Macronutriënten

11

Voedsel bevat twee soorten voedingsstoffen: macronutriënten, waarmee bedoeld worden koolhydraten, vetten en eiwitten, en micronutriënten. De eerste groep omvat bulkstoffen voor de dagelijkse energie-inname en voor de eiwitsynthese. Tot de tweede groep behoren mineralen en vitaminen die in kleinere hoeveelheden nodig zijn. Vetten en koolhydraten worden vooral gegeten voor hun bijdrage aan de energiebalans. Vetten zijn calorie-dens en bezitten per gram een calorische waarde (een rendement) die veel hoger ligt (9 kcal/gram)dan ‘droge’ koolhydraten en eiwitten (beide 4 kcal/gram). Bovendien stoot vet water af, terwijl koolhydraten en eiwitten water aantrekken. We zullen in deze context ook alcohol (ethanol) bespreken, dat voor een aanzienlijk deel van de westerse bevolking significant bijdraagt tot de inname van calorieën (de calorische waarde van ethanol is 7 kcal/gram), maar ook tot een hele lijst van gezondheidsproblemen. 11.6.1 Koolhydraten

Deze groep nutriënten overheerst in het voedsel van veel beschavingen. Koolhydraten (suikers) zorgen traditioneel ook in het voedsel van Europa voor een groot deel van de dagelijkse energie-inname, maar een trend is dat dit aandeel zakt ten koste van verzadigde vetzuren (dierlijk vet). De Gezondheidsraden van Europese landen raden daarom aan om minstens 55% van de totale energiebehoefte te dekken door inname van koolhydraten. Er bestaan geen essentiële koolhydraten voor de mens; alle gebruikte mono-, oligo- en polysachariden in menselijke weefsels zijn op te bouwen, mits voldoende energie en koolstofskelet wordt geleverd.

Verteerbare koolhydraten

Veruit het belangrijkste koolhydraat in het voedsel is zetmeel, dat de mobiliseerbare energiereserve bij uitstek is van planten en tot 90% van het drooggewicht uitmaakt van granen of knollen (aardappel). Ook hiervan afgeleide voedingsstoffen (brood, pasta’s, friet) bevatten aanzienlijke

11.6 • Macronutriënten

359

hoeveelheden zetmeel, maar er is ook vet in deze voedingsmiddelen aanwezig. Zetmeel afkomstig van verschillende planten verschilt enigszins in structuur, maar altijd is het een polymeer van alfa-D-glucose (vertakt in amylopectine en niet-vertakt in amylose). Ongekookte granen of aardappelen bevatten zetmeel dat nauwelijks kan worden verteerd omdat het verpakt is in vliezen die vrij resistent zijn tegen enzymatische digestie. Tijdens het koken barsten deze vliezen open en denatureren de zetmeelkorrels, zodat de spijsvertering wel kan plaatsvinden. Deze begint al in de mondholte met speekselklieramylase, dat alfa-1,4-glycosidebindingen hydrolyseert. In de dunne darm wordt deze vertering voortgezet door pancreatisch amylase. Eindproducten zijn maltose, maltotriose en limietdextrinen (kleine vertakte glucosepolymeren na vertering van amylopectine). Deze oligosachariden worden verder gehydrolyseerd tot glucose door ectoenzymen van de dunnedarm-mucosacellen. De glucoseopname door deze mucosacellen is actief en gekoppeld aan Na+-opname. De voedingsindustrie gebruikt gewijzigd zetmeel en dextrinen als viscositeitsverhogende (soms zoetmakende) preparaten. Deze preparaten zijn vrijwel equivalent aan zetmeel qua spijsvertering en energie-inhoud. Disachariden zijn vooral belangrijk als (1) lactose, het meest aanwezige koolhydraat in koe- (en moeder)melk; (2) maltose, een tussenproduct van de zetmeelspijsvertering; en (3) sucrose, de gewone riet- of bietsuiker. Hydrolyse van deze disachariden gebeurt door ecto-enzymen (de disacharidasen lactase, maltase en sucrase) in de microvilli van de darmmucosacellen. Gedurende de laatste eeuw is het sucroseverbruik sterk gestegen (actueel tot ±20% van de totale calorie-inname). Er bestaat bezorgdheid over de mogelijke gevolgen van overmatig sucrosegebruik voor de volksgezondheid. Zeker is er een verhoogd risico op cariës en op een te grote calorie-inname; wat het uitlokken van glucose-intolerantie/diabetes betreft bestaat er momenteel geen solide wetenschappelijke basis. Grote hoeveelheden monosacharide worden toegevoegd aan frisdranken. Deze toegevoegde enkelvoudige suikers hebben vooral bij kinderen een zorgwekkende impact op de ontwikkeling van cariës en op de dagelijkse energiebalans (Kranz et al., 2005b). Dit heeft geleid tot de ‘light’ dranken, waarin kunstmatige zoetstoffen, zoals aspartaam, de plaats innemen van suiker. Er bestaat ongerustheid over het idee dat suikervervangers – hoewel deze stoffen zelf geen calorieën bijdragen – het hongergevoel opwekken en dus stimuleren tot meer eten (Mattes & Popkin, 2009). Daarom werd recent een dubbelblinde studie uitgevoerd bij schoolkinderen die één blikje frisdrank per dag gedurende een heel jaar kregen (De Ruyter et al., 2012). De ene groep kreeg 10% suikerhoudende frisdrank en de andere groep frisdrank waarin de suiker was vervangen door zoetstof. De uitkomst van de studie was een significant hoger lichaamsgewicht (vooral lichaamsvet) in de groep die suikerhoudende drank had gedronken. >> Door deze (De Ruyter et al., 2012) en andere evidentie stelt de wereldgezondheidsorganisatie nu als richtlijn om de suikerinname te beperken tot minder dan 5%van de totale energie-inname.

Lactose komt in een hoge concentratie (4-8 gram/100 ml) voor in melk. Zuigelingen kunnen de grote hoeveelheden lactose verteren door een hoge lactase-expressie in de darm. Deze suikers en hun metabolisme werden besproken in 7 par. 3.5.2. Monosachariden (‘enkelvoudige suikers’: glucose, fructose, pentosen) komen in geringe hoeveelheden voor in fruit. Vooral fructose komt relatief veel vrij voor (honing). Een interessante eigenschap van dit monosacharide is dat het per gram bijna tweemaal zoeter smaakt dan sucrose; hiermee kan men rekening houden bij een caloriearm dieet. Fructose verhoogt tevens de glucosefosforylering in de lever door inactivering van het inhiberende glucokinase-regulatoreiwit. Ten slotte is fructoseopname door cellen een insulineon-

11

360

Hoofdstuk 11 • Voeding

afhankelijk proces. Fructose-inname stimuleert echter de lever tot het produceren van VLDL (very low density lipoprotein; hypertriglyceridemie) en dit is een risico voor het ontwikkelen van obesitas (Havel, 2005).

Vezels en andere onverteerbare koolhydraten

11

Sommige koolhydraten kunnen niet door de mens uit voedsel worden opgenomen, ofwel omdat de enzymen ontbreken voor hydrolyse van polysacharide tot monosacharide, ofwel omdat een geschikt transporteiwit ontbreekt in de mucosacellen. Een voorbeeld werd al gegeven in verband met lactose bij lactose-intolerante mensen. De oligosachariden stachyose en raffinose (erwten en bonen) zijn andere voorbeelden: hun gedeeltelijke bacteriële fermentatie in de dikke darm zorgt voor de bekende effecten van overmatig eten van deze peulvruchten (flatulentie). Anderzijds hebben onverteerbare koolhydraten een gunstig effect op de darmfysiologie, de dynamiek van insulinesecretie en het hongergevoel. Daarom is er bezorgdheid over het feit dat in steeds meer industrieel bereid voedsel eenvoudige suikers de plaats innemen van complexe suikers en dat onverteerbare suikers uit het voedsel verdwijnen (Kranz et al., 2005a). Vezels (zemelen) zijn onverteerbare polysachariden. Zij omvatten vooral cellulose (bèta-Dglucosepolymeer), maar ook lignines, fructanen, mannanen, galactanen en pectines. De vezels zijn vooral afkomstig van beschermende vliezen in plantaardige weefsels (vliezen rond graankorrels, rijstkorrels). Gevolg is dat gepelde/gezeefde granen (of meel hiervan) minder vezels bevatten dan niet gepelde bronnen. Zo bevat donkerbruin brood circa 4% hemicellulose, 1,5% cellulose, 4% non-cellulose polysachariden en 0,3% lignine (samen ±10%); de getallen voor wit brood zijn respectievelijk ±2%, 2%, 0,7% en 0% (samen ±5%). Vezels hebben belangrijke (fysiologische) effecten: 1. vezelrijke voeding verzadigt het hongergevoel eerder dan vezelarm voedsel; 2. de lediging van de maaginhoud in het duodenum is trager en dit verbetert het profiel van bloedglucose en -insuline; 3. er is een verhoging van het fecale volume (waterretentie) en een optimale consistentie van de feces; 4. er bestaat een cholesterolverlagend effect. Het derde effect is van groot belang voor de dikke darm. De zachte darminhoud is gemakkelijker mechanisch voort te stuwen in het colon, zodat de intraluminale druk niet te hoog oploopt. Hierdoor wordt de ontwikkeling van divertikels en hemorroïden voorkomen. De snellere passage door het colon belet ook dat bacteriën procarcinogene stoffen omzetten in carcinogenen (daarom vermindert vezelrijk voedsel het risico op het ontwikkelen van colonkanker). Het vierde effect heeft een beschermend effect tegen hart- en vaatziekten. Om deze redenen bevelen de Gezondheidsraden van Nederland en België een dagelijkse inname van 30 gram vezels aan voor volwassenen. Ook kinderen vanaf de leeftijd van 1 jaar wordt aangeraden om vezels met het voedsel in te nemen (15 gram per dag op de leeftijd van 1-3 jaar tot het niveau van inname van volwassenen voor adolescenten). 11.6.2 Vetten (lipiden)

Vetten vormen een chemisch diverse groep van substanties die samen worden geklasseerd vanwege hun slechte wateroplosbaarheid. Hiertoe behoren de triglyceriden, glycero- en sfingolipiden, cholesterol(derivaten), wassen, terpenen en de vetoplosbare vitaminen A, D, E en K. We bespreken hier alleen de macronutriënten.

361

11.6 • Macronutriënten

. Tabel 11.5  Aanbevolen dagelijkse vetinname (% van totale energie-inname). Categorie van vetten

0–6 mnd

7–12 mnd

1–3 jaar

4–18 jaar

volwassenen

totaal vet

31

30

35–40

30–35

< 30

verzadigde vetzuren

-

-

8–12

8–12

< 10

mono-onverzadigde vetzuren

-

-

> 12

> 12

> 10

poly-onverzadigde vetzuren

-

-

>8

>8

5–10

omega-3-vetzuren

0,5

0,5

0,6–2,0

0,6–2,0

1,3–2,0

omega-6-vetzuren

4,4

4,6

2–5

2–5

1,3–2,0

transvetten

–

–

–

–

> Een te hoge cholesterolinname vormt een risico voor het ontstaan van hart- en vaatziekten. Daarom is de aanbevolen maximale dagelijkse inname 300 mg. Zie ook de website van de American Heart Association: 7 www.heart.org/HEARTORG/Conditions/Cholesterol/PreventionTreatmentofHighCholesterol/Know-YourFats_UCM_305628_Article.jsp.

Alcohol

11

De natuurlijk voorkomende gisting van fruit heeft de mens duizenden jaren geleden op het idee gebracht om deze fermentatie onder gecontroleerde omstandigheden te laten gebeuren in druivensap of gerst- en moutextract. Sindsdien is het consumeren van wijn, bier en gedistilleerde sterke drank een bijna niet meer weg te denken fenomeen, dat – afhankelijk van de cultuur – wordt toegelaten als sociale gewoonte onder volwassenen. Problematisch drinken onder studenten aan Europese universiteiten werd in kaart gebracht (Wicki et al., 2013). De acute roes die door alcohol wordt uitgelokt, maar ook de chronische verslavende werking bij sommige personen houdt verband met veranderingen in de werking van ionenkanalen receptoren in de hersenen (Trudell et al., 2014). Er zijn met het gebruik van alcohol echter een hele reeks gezondheidsrisico’s en ook maatschappelijke gevolgen. Het risico op verslaving, de gevolgen van dronkenschap (gevaar voor o.a. het verkeer), en de gevolgen van chronische alcoholintoxicatie zijn algemeen bekend. Een metabole uiting hiervan is de alcoholische leverziekte die eindigt met levercirrose (Zakhari, 2013). De aantasting van de lever gaat gepaard met steatose (vervetting), die het gevolg zou zijn van stress van het endoplasmatisch reticulum (Malhi & Kaufman, 2011). Recente schattingen stellen schadelijk alcohol gebruik (in het Engels ‘alcohol use disorders’) wereldwijd verantwoordelijk voor 2,5 miljoen doden per jaar (Wackernah et al., 2014). Bijkomende problemen zijn de alcoholconsumptie van vrouwen tijdens zwangerschap, wat zorgt voor een foetaal alcoholsyndroom en tal van aanverwante problemen (Leibson et al., 2014). Ten slotte is er de bezorgdheid dat alcoholoverconsumptie leidt tot hogere energie-inname en dus kan bijdragen tot het ontstaan van obesitas (Austin & Kruger, 2013). Al met al gaat het om een uitgebreid onderwerp met vele raakpunten buiten het domein van metabolisme. Bezorgdheid in verband met de vele stoornissen in het gebruik van alcohol heeft in Nederland tot een multidisciplinaire Richtlijn geleid (7  www.ggzrichtlijnen.nl/) die gematigd drinken onderscheidt van excessief alcholinname. Voor de metabole stappen van de alcoholische fermentatie, 7 par. 3.3.3.1.

11.6 • Macronutriënten

363

. Figuur 11.4  Structuur van TCDD, een dioxine. Dit platte en symmetrische molecuul is apolair en chemisch inert, wat opstapeling in het vetweefsel en in het vet van moedermelk verklaart. Ruimtelijk past TCDD in een groeve van de arylhydrocarbonreceptor, waardoor expressieveranderingen in het genoom optreden.

Toxische vetoplosbare contaminanten

Naast de problematiek van de transvetten, die werd besproken in 7  par.  7.4.3, en de directe relatie tussen een te hoge vetinname en obesitas en type-2-diabetes (7 par. 12.8), zijn er andere aspecten van toxiciteit die gepaard gaan met vetconsumptie. Een probleem van het bewaren van onverzadigde vetzuren is de spontane oxidatie van de C=C-bindingen door atmosferische zuurstof. Hierdoor ontstaan epoxiden en hydroxyvetzuren die een ranzige smaak aan vetten/ oliën geven. Obese mensen lopen meer risico op het ontwikkelen van kanker dan magere mensen (Uauy & Solomons, 2005). Een mogelijke verklaring is dat geoxideerde vetten toxisch zijn voor cellen. Een andere verklaring is de opstapeling van toxische hydrofobe stoffen in de vetfractie van de voedselketen. Een voorbeeld zijn dioxinen (.  figuur 11.4), chemisch langlevende moleculen waarvan de blootstelling correleert met het risico op bepaalde vormen van kanker (Abnet, 2007). Een nieuw voorbeeld is de groep van brandvertragers, broomhoudende organische stoffen die in allerlei materialen (plastics, meubelen, elektronische apparaten, auto’s, kledij) worden verwerkt om de brandveiligheid voor mensen te verhogen. Het is niet moeilijk om te bedenken dat deze brandvertragers in toenemende mate in het milieu terecht zullen komen, zodat er een nieuw aandachtspunt aan het ontstaan is in verband met voedselcontaminanten voor mens en dier. De meeste aandacht gaat naar de blootstelling aan zogeheten ‘polybrominated diphenyl ethers’ (PBDE’s) die invloed kunnen hebben op de psychomotorische ontwikkeling van kinderen (Chen et al., 2014). Horizon Hoe gevaarlijk is dioxine? In het voorjaar van 1999 werd België opgeschrikt door een politieke crisis die was veroorzaakt door een acuut probleem met de voedselkwaliteit. Het onoordeelkundig verwerken van afval in pluimveevoer leidde tot een tijdelijk zeer hoge dioxineblootstelling van kippen die zich voortzette in sommige voedingsproducten in de supermarkten (eieren, mayonaise, enzovoort). Dit incident is niet het eerste in de recente geschiedenis, met als andere voorbeelden het gebruik van Agent Orange als ontbladeringsmiddel in de Vietnamoorlog en de industrieramp in Seveso, Italië. Al een halve eeuw is bekend dat 2,3,7,8-tetrachloordibenzo-p-dioxine (TCDD) en aanverwante polychloorbifenylen (PCB’s) toxisch zijn voor proefdieren en cellen in vitro. In 1991 werd TCDD door de National Institutes of Health (VS) ‘een van de meest toxische moleculen voor de mens’ genoemd (Huff et al., 1991). Zes jaar later werd TCDD door de International Agency for Research on Cancer (IARC) geklasseerd als een groep-I-carcinogeen (McGregor et al., 1998). Het ondersteunende bewijs was vooral gebaseerd op proefdieronderzoek, een

11

364

11

Hoofdstuk 11 • Voeding

genotoxisch mechanisme via de arylhydrocarbonreceptor (AhR, ook wel dioxinereceptor genoemd) en een beperkte hoeveelheid humane epidemiologische gegevens. Een probleem met de interpretatie van proefdiergegevens is dat de gevoeligheid van diverse zoogdiersoorten voor de acute toxiciteit van TCDD zeer grote variatie vertoont (Kociba & Schwetz, 1982). Zo is de cavia meer dan duizendmaal gevoeliger dan de hamster; de mens is relatief ongevoelig voor acute blootstelling en ontwikkelt na opname van grotere hoeveelheden TCDD een typische afwijking in de huid: chlooracne. De dosis-effectrelatie bij de mens lijkt niet lineair te zijn en er lijkt een drempelwaarde van expositie nodig te zijn om toxiciteit uit te lokken (Popp et al., 2006). Dit gegeven kan belangrijk zijn om veiligheidsnormen voor aanwezigheid in het milieu (voedsel) te onderbouwen. Sindsdien is de classificatie van IARC regelmatig onderwerp van discussie (Cole et al., 2003; Steenland et al., 2004). Nieuwe gegevens uit proefdieren lijken de IARC-visie te ondersteunen, want TCDDexpositie bij ratten verhoogt het risico op borstkanker (Jenkins et al., 2007). Een van de belangrijkste argumenten om zeer streng te zijn met normen voor menselijke expositie is dat TCDD en andere PCB’s zich concentreren in de vetten van moedermelk (Koppe et al., 1991). Een Japanse studie heeft bovendien aangetoond dat de mate van expositie aan PCB’s tijdens de zwangerschap een effect heeft op de foetale groei (Tawara et al., 2009). Volgens het gezaghebbende Duitse Umweltbundesamt (Duits Federaal Milieuagentschap) is de aanwezigheid van TCDD in moedermelk zeer problematisch, want kinderen die moedermelk drinken, stapelen meer TCDD op dan kinderen die flesvoeding krijgen (Gies et al., 2007). De Duitse experts concluderen dat er meer onderzoek nodig is om een precieze uitspraak te kunnen doen over de maximaal tolereerbare inname voor de mens, vooral voor zuigelingen die borstvoeding krijgen. Voor meer info: 7 http://www.umweltbundesamt.de/themen/dioxine-schadstoffe-vongestern-umweltprobleme-von.

11.6.3 Eiwitten

Eiwitten vormen in het menselijk voedsel de bron voor stikstofhoudende moleculen die het lichaam nodig heeft. Hiertoe behoren de aminozuren, die de bouwstenen zijn van nieuwe menselijke eiwitten, maar ook de basen van nucleïnezuren (purinen en pyrimidinen), heem en andere van aminozuur afgeleide stoffen (7 par. 9.4). Alle lichaamseiwitten verslijten immers en moeten vervangen worden door nieuwe (sommige soorten eiwitten leven lang, andere zeer kort). Bovendien is er netto nieuwe aanmaak nodig voor de groei. Een minimale hoeveelheid eiwitten is daarom dagelijks in de voeding nodig om in deze behoefte te voorzien. De overschotten eiwit in de voeding zijn verder bruikbaar als energie (calorische waarde 4 kcal/gram, dus equivalent met de koolhydraten; 7 par. 5.7). Daarbovenop is het een belangrijk gegeven dat de mens niet in staat is om alle soorten aminozuren die nodig zijn voor de eiwitsynthese zelf aan te maken. Deze essentiële aminozuren moeten via de voeding worden opgenomen om de mens gezond te houden. .  Tabel 11.6 toont de gemiddelde behoefte aan de elf essentiële aminozuren op basis van leeftijd. Gedurende het eerste levensjaar daalt de behoefte aan essentiële aminozuren (wanneer uitgedrukt per kilogram lichaamsgewicht) door een vertraging van de groei van alle weefsels. Daarna daalt de behoefte veel minder snel. De procentuele samenstelling van de aminozuren blijft gelijk met de leeftijd. Dit is te verklaren doordat deze proportie de samenstelling reflecteert van het gemiddelde aan te maken menselijk eiwit.

365

11.6 • Macronutriënten

. Tabel 11.6  Gemiddelde dagelijkse behoefte aan essentiële aminozuren op basis van de leeftijd.* Aminozuur

1 mnd

6 mnd

1–2 jaar

3–10 jaar

11–14 jaar

15–18 jaar

histidine

36

20

15

12

12

11

isoleucine

95

52

27

23

22

21

leucine

165

90

54

44

44

42

lysine

119

65

45

35

35

33

met/cys**

57

31

22

18

17

16

phe/tyr***

162

88

40

30

30

28

threonine

76

41

23

18

18

17

tryptofaan

29

16

6,4

4,8

4,8

4,5

valine

95

52

36

29

29

28

*

Uitgedrukt als milligram aminozuur per kg lichaamsgewicht per dag. Som van de zwavelhoudende aminozuren methionine en cysteïne. *** Som van de aromatische aminozuren fenylalanine en tyrosine. Bron: WHO, 2007; overgenomen in de Voedingsaanbevelingen voor België, Herziening 2009, Hoge Gezondheidsraad. **

Het bestaan van een tekort aan aminozuren in het voedsel kan objectief worden gemeten via de stikstofbalans: dit is het verschil tussen het aantal atomen opgenomen en uitgescheiden stikstof. Een negatieve stikstofbalans betekent dat er dagelijks meer stikstof wordt uitgescheiden dan opgenomen. Grote hoeveelheden eiwit gaan dagelijks verloren tijdens de acute fase van infectieziekten, vooral indien deze gepaard gaan met diarree of na verwonding of verbranding. Ook langdurig vasten verhoogt de eiwitafbraak (7 par. 6.7.2 en 7 par. 12.5). Een positieve balans impliceert een grotere dagelijkse stikstofopname dan het totale verlies. Een dergelijke toestand is fysiologisch noodzakelijk bij kinderen (groei), zwangerschap, wondheling en in de opbouwende fase van lichamelijke training. Rekening houdend met plantaardige voedingseiwitten van suboptimale kwaliteit (zie volgende paragraaf) kan de gemiddelde behoefte van een volwassen mens geschat worden op 30-40 gram eiwit per dag. >> De Nederlandse en Belgische Gezondheidsraden adviseren een dagelijkse eiwitinname die rond de 10% schommelt van de dagelijkse energie-inname, wat ongeveer tweemaal meer is dan deze gemiddelde behoefte.

De gemiddelde Belg neemt volgens cijfers van een in 2004 uitgevoerde consumentenpeiling dagelijks 16% van de dagelijkse energie-inname als eiwit in; een derde hiervan is afkomstig van vlees(producten), een vijfde van graan(producten, vooral brood), een vijfde van melk(producten) en minder dan een tiende van vis, mosselen en andere zeeproducten. Er bestaat wereldwijd met de stijging van de welvaart in veel landen een trend van grotere vleesconsumptie per inwoner per jaar en dit heeft gevolgen voor zowel de jaarlijkse CO2-uitstoot als aspecten van de volksgezondheid (Bonhommeau et al., 2013). Aminozuren die ontstaan na eiwitafbraak worden deels gerecycleerd voor nieuwe eiwitsynthese, deels verbrand, waarbij de NH2-groepen uitgescheiden worden als ureum en deels omgezet tot van aminozuren afgeleide stoffen (7  par.  9.4). De urinaire stikstofexcretie van

11

366

Hoofdstuk 11 • Voeding

. Figuur 11.5  Complementatie is een belangrijke voedingstechniek om eiwitkwaliteit te verbeteren. A Procentuele samenstelling (alleen getoond voor essentiële aminozuren) van een ideaal eiwitmengsel (melkeiwit). B Graaneiwit waarin lysine specifiek deficiënt is (voor de didactische eenvoud zijn de andere aminozuren onderling hetzelfde gebleven t..o.v. A). Alleen de ruimte binnen de gestippelde binnenste cirkel kan door menselijke cellen worden gebruikt voor eiwitsynthese, omdat daarbuiten lysine ‘op’ is. C Complementatie door een mengsel van graaneiwit (deficiënt aan lysine) en boneneiwit (deficiënt aan methionine, maar bevat genoeg lysine). Door deze combinatie tijdens dezelfde maaltijd wordt de eiwitkwaliteit verbeterd. De ruimte binnen de gestippelde cirkel is vergroot, omdat de ribosomen een groter deel van alle soorten aminozuren kunnen gebruiken.

11

een volwassene houdt dus verband met het aminozuurmetabolisme en is per dag minimaal 10 gram ureum, 1 gram aminozuren, 0,3 gram urinezuur en 1,2 (vrouw) - 1,8 (man) gram creatinine. Samen met verlies van haren, nagels, huidschilfers en stikstof in de feces komt men aan een minimaal ‘verplicht’ dagelijks stikstofverlies van ongeveer 70 mg/kg/dag (5 gramatoom N per dag voor een volwassen man). Om dit verlies te compenseren, moet het dagelijkse voedsel voorzien worden van een minstens even grote stikstofopname, die vooral wordt geleverd als aminozuren in voedingseiwitten. Eiwitten bestaan voor ongeveer een zesde van hun massa uit stikstof. Dit leidt dus tot de berekening van een minimale (‘verplichte’) eiwitbehoefte van ongeveer 30 gram per dag als het gaat om eiwit van uitstekende voedingskwaliteit (zie volgende paragraaf). In 7  par. 9.2 wordt uitgelegd waarom een deel van de aminozuren niet door het eigen metabolisme kan worden aangemaakt. De werkelijke capaciteit van het organisme om in zijn behoeften te voldoen via endogene synthese kan door omstandigheden veranderen. Bij de prematuur bijvoorbeeld is de capaciteit om cysteïne uit methionine te synthetiseren onvoldoende ontwikkeld. Aanvoer van exogeen cysteïne is dan onontbeerlijk. Ook voor enkele andere aminozuren is exogene aanvoer noodzakelijk in bepaalde omstandigheden. Men spreekt in dit geval van ‘voorwaardelijk’ of ‘conditioneel’ essentiële aminozuren. In 7  par.  9.2.1 werd ook besproken dat methionine en cysteïne enerzijds en fenylalanine en tyrosine anderzijds metabool samenhangen en dus als paren bekeken moeten worden.

Eiwitkwaliteit

Niet alleen moet een minimale hoeveelheid totaal stikstof worden ingenomen; ook moet de samenstelling van essentiële aminozuren in het voedingseiwit ‘kloppen’ met de behoefte die is aangegeven in . tabel 11.6. Dit gegeven wordt verduidelijkt in . figuur 11.5. In diagram A staat de proportionele samenstelling van een ideaal voedingseiwit (moedermelkeiwit) weergegeven in een taartdiagram; deze samenstelling klopt precies met de behoefte van de baby aan aminozuren voor eiwitsynthese. Wanneer deze baby echter rijstwater moet drinken, waarin een eiwitmengsel zit waarvan de essentiële aminozuursamenstelling afwijkt van de ideale proportie, ontstaat een situatie waarin niet alle essentiële aminozuren worden gebruikt, zelfs als van deze

11.6 • Macronutriënten

367

andere aminozuren voldoende wordt ingenomen. Dit is eenvoudig voor te stellen in taartdiagram B van .  figuur 11.5, waarin het stuk van lysine maar een derde is van de ideale situatie. Wanneer een derde van alle door de baby opgenomen essentiële aminozuren is verbruikt voor eiwitsynthese, is alle lysine ‘op’ en kan er van de rest van de opgenomen aminozuren niets meer verbruikt worden (dit overschot aan aminozuren wordt verbrand). Lysine is in het getoonde voorbeeld het limiterende aminozuur. Dit voorbeeld is van toepassing op graaneiwitten en vormt een wereldwijd probleem van eiwitondervoeding (zie volgende paragraaf). Methionine is het limiterende aminozuur in peulvruchten (erwten en bonen) en tryptofaan heeft die positie in maïseiwit. Sojadrank is ten opzichte van koemelk of moedermelk arm aan lysine en methionine. Het probleem van de onevenwichtige samenstelling wordt verergerd door een slechte verteerbaarheid van het eiwit, zodat een deel van de ingenomen aminozuurequivalenten niet eens wordt opgenomen. Omdat slechts een deel van de aminozuren afkomstig van dit voedingseiwit bruikbaar is voor eiwitsynthese, moet men de dagelijkse eiwitbehoefte bepalen op basis van de bruikbaarheid. Deze bruikbaarheid noemt men eiwitkwaliteit. Hierin zit ook de factor van de verteerbaarheid van het eiwit door de spijsverteringsenzymen (plantaardige eiwitten zijn minder goed te verteren dan dierlijke). De chemische score van het voedingseiwit wordt berekend voor het aminozuur met het relatief kleinste taartoppervlakte (in het voorbeeld van .  figuur 11.5 is dat 33%). Hoe lager deze score, des te slechter is de eiwitkwaliteit. Dierlijke eiwitten hebben dus een hogere kwaliteit dan plantaardige. Voor het wereldwijde probleem van eiwitenergie-ondervoeding is het wel een relevant socio-economisch gegeven dat het 5 tot 50 kg graaneiwit kost om 1 kg vleeseiwit te produceren. Kip is hierbij economischer dan biefstuk. Er bestaan echter eenvoudige en al door oude culturen gebruikte technieken om binnen een vegetarisch dieet de eiwitkwaliteit te verhogen. De verklaring van deze techniek is te zien in diagram C van . figuur 11.5. Door binnen één maaltijd rijst en bonen te eten, ontstaat na de spijsvertering een mengsel van essentiële aminozuren dat dichter bij de ideale samenstelling staat: het lysinetekort van rijst wordt inderdaad gecompenseerd door meer dan voldoende lysine in bonen; anderzijds wordt het methioninetekort in de bonen gecompenseerd door de samenstelling in rijst. Merk op dat in het mengsel lysine nog altijd het limiterende aminozuur is, maar dat het minder sterk limiterend is als in zuivere rijst. Men noemt deze techniek complementatie. De Cubanen passen deze techniek toe in het ‘nationale’ gerecht ‘Moros y Cristianos’ dat wordt bereid op basis van witte rijst en zwarte bonen. Een ander perspectief (Vega-Gálvez et al., 2010) gaat uit van quinoa (Chenopodium quinoa), een pseudograangewas dat sinds duizenden jaren gekweekt wordt in het Andesgebergte en dat vrij rijk is aan eiwitten met een unieke aminozuursamenstelling (geen limitering door lysine, methionine of tryptofaan). De chemische score van quinoa-eiwit is daarom hoger dan die van rijsteiwit.

Eiwitspijsvertering

De eiwitspijsvertering begint in de maag, waar het gekauwde voedsel vermengd wordt met het zure maagsap (pH 1) en het protease pepsine. De zure pH in de maag denatureert (ontrolt) vele voedingseiwitten en is optimaal voor het enzym pepsine. Pepsine is een endopeptidase dat peptidebindingen in eiwitten klieft aan de carboxylzijde van aromatische aminozuren. Het resultaat is een mengsel van oligo- en polypeptideketens. In de dunne darm worden deze peptideketens verder gehydrolyseerd tot vrije aminozuren en worden deze laatste opgenomen door de darmmucosa. De exocriene pancreas secreteert hiervoor een reeks zymogenen, waaronder trypsinogeen, chymotrypsinogeen, procarboxypeptidase A en B en pro-elastase. In het duodenum wordt trypsinogeen enzymatisch gekliefd tot trypsine door enterokinase. Het

11

368

Hoofdstuk 11 • Voeding

trypsine katalyseert vervolgens de verdere conversie van trypsinogeen en van de andere pancreatische zymogenen. Trypsine is een endopeptidase dat peptidebindingen in eiwitten klieft aan de carboxylzijde van arginine of lysine. Chymotrypsine en elastase zijn endopeptidasen die respectievelijk peptidebindingen met aromatische aminozuren en alifatische aminozuren verkiezen. Carboxypeptidase A en B zijn exopeptidasen, die peptideketens inkorten vanaf de carboxylterminus. Gevolg is een mengsel van vrije aminozuren, dipeptiden en tripeptiden, die via een actief transportproces (verschillende specifieke carrierproteïnen in de celmembraan) opgenomen worden door mucosacellen van de dunne darm. De di- en tripeptiden worden door de mucosacellen verder gesplitst in vrije aminozuren dankzij een reeks enzymen (aminopeptidasen en dipeptidasen). De vrije aminozuren diffunderen via het portaal bloed naar de lever.

Proteïne-energiemalnutritie (PEM)

11

In schril contrast met de overdadige beschikbaarheid van hoogwaardig eiwit in het dieet van mensen in de geïndustrialiseerde wereld, is een groot deel van de rest van de wereldbevolking blootgesteld aan een chronisch tekort aan energie en/of eiwit. Vandaar dat men spreekt van proteïne-energiemalnutritie (PEM). Vooral de kinderen van Afrika, (sub)tropisch Azië en Zuiden Midden-Amerika zijn hiervan het slachtoffer. Extreme voorbeelden hiervan dragen de naam marasmus (totale energiemalnutritie) en kwasjiorkor (overwegend eiwitmalnutritie). De twee vormen van eiwitmalnutritie zijn het gevolg van hetzelfde fenomeen, waarbij er in marasmus een verdedigingsmechanisme standhoudt, dat spieren en vetweefsel opoffert ten gunste van de vitale organen. Bij kwasjiorkor is die verdediging doorbroken en faalt de leverfunctie. Marasmus ontstaat typisch wanneer kleine kinderen na de periode van lactatie worden gevoed met sterk verdunde poedermelk of het kookvocht van het voedsel van volwassenen. Deze drastische beperking van de calorie-inname leidt tot gestoorde groei, afbraak van vet en spiereiwitten met het ‘vel-over-been’ fenotype. Bij kwasjiorkor bestaat er een bijkomende levertoxiciteit door het consumeren van slecht bewaard en daardoor beschimmeld voedsel waarin mycotoxinen zitten (Bennett & Klich, 2003) als giftige voedselcontaminanten (Wagacha & Muthomi, 2008). Men vermoedt dat door chronische toxiciteit van deze stoffen de leverfunctie faalt, waardoor de bloedalbumineconcentratie daalt en het kenmerkende oedeem (o.a. ascites = waterbuik) ontstaat. Dalende productie van immunoglobulinen, door een toxiciteit van mycotoxinen voor het immuunsysteem, maakt deze kinderen vatbaar voor virale infecties, zoals mazelen en enterovirussen. Deze verhoogde vatbaarheid wordt verder versterkt door zink- en vitamine A-deficiëntie (zie volgende paragrafen). Voor kinderen met kwasjiorkor zijn infectieziekten, zoals mazelen en virale gastro-enteritis, dan ook dodelijk. Horizon Wat zijn mycotoxinen? Mycotoxinen (toxische stoffen geproduceerd door fungi, dit zijn schimmels, gisten en paddenstoelen) zijn in de geschiedenis van de menselijke voedselproductie, vooral de landbouw, een belangrijk medisch onderwerp en voorwerp van vele studies gericht op verbetering van de voedselkwaliteit (Magan & Aldred, 2007). De naam is ontstaan naar aanleiding van een zware voedselcrisis in de omgeving van Londen, waarbij meer dan 100.000 kalkoenen doodgingen door toxische contaminanten van voeder dat was gemaakt van beschimmelde aardnoten. Ondertussen zijn er ruim driehonderd chemische entiteiten als

11.6 • Macronutriënten

369

mycotoxinen bekend, waarvan er zo’n tien betrokken zijn bij belangrijke vormen van voedselvergiftiging voor de mens (Bennett & Klich, 2003). Een belangrijk mycotoxine is het kankerverwekkende aflatoxine en de neurotoxinen citrinine en ergotamine. De belangrijkste bronnen van mycotoxinen als voedselcontaminant zijn Aspergillus, Penicillium en Fusarium. De aflatoxinen zijn bijzonder levertoxische stoffen die gemaakt worden door diverse soorten Aspergillus die vooral aardnoten (pinda’s, pistache) aantasten. Het aflatoxine B1 (7 figuur in dit kader) is op gewichtsbasis de meest krachtig werkende kankerverwekkende stof die we kennen (Squire, 1981). Aflatoxine B1 is vooral genotoxisch voor de lever, dit vanwege een metabole activering van het procarcinogeen in het carcinogene aflatoxine 2,3-epoxide door een leverspecifiek cytochroom-P450-enzym (7 par. 8.4.2). Wanneer dit mutageen een bepaalde guanine muteert in het tumorsuppressieve p53-gen (Hsu et al., 1991), ontstaat een situatie waarin de bewaking van de genotoxiciteit verslapt en zo ontstaan de eerste kankercellen. Een studie van vijftig jaar geleden bij Nederlandse arbeiders in de voedingsindustrie toonde een verband tussen blootstelling aan aflatoxine B1 (in stof ) en het ontwikkelen van longkanker (Hayes et al., 1984). Wegens overweldigende evidentie werd aflatoxine B1 door de eerder vermelde IARC geklasseerd als groep-I-carcinogeen. Meer dan twintig jaar geleden werd het idee geopperd dat dagelijkse expositie aan aflatoxine het verschil kan verklaren tussen marasmus en kwasjiorkor (Lamplugh & Hendrickse, 1982). Epidemiologische gegevens tonen dat het toxine via de moedermelk aan de zuigeling wordt overgedragen (Shuaib et al., 2010).

Figuur: mycotoxinen zijn zeer belangrijke voedselcontaminanten die een effect hebben op menselijke ziekte. Aflatoxine B1 wordt gemaakt door de schimmel Aspergillus en is bijzonder genotoxisch; deze stof is verantwoordelijk voor het ontstaan van leverkanker. Ergotamine komt van de schimmel Claviceps en was in het verleden in Europa de oorzaak van ergotisme. De linkerhelft van dit molecuul is lyserginezuur, dat door scheikundigen is afgeleid tot het lyserginezuurdiëthylamide (LSD), een sterk hallucinogene stof. Een andere voorbeeld is DON (deoxynivalenol), een Fusarium mycotoxine dat deel uitmaakt van de zogeheten B-trichothecenetoxines. DON komt zeer verspreid voor in ons voedsel, zodat overheden als de Europese Commissie richtlijnen hebben uitgevaardigd over toxische grenzen. En daar zit het probleem: er bestaat voor DON discussie over wat veilig

11

370

Hoofdstuk 11 • Voeding

is en wat niet. Recent onderzoek wijst erop dat dagelijkse toediening van DON aan varkens (een sensibel diermodel) – dit in hoeveelheden onder de Europese richtlijn – veranderingen veroorzaakt in de intestinale epitheliale barrière (Pinton & Oswald, 2014). Ten slotte is er opkomende aandacht voor het probleem van de ‘masked mycotoxines’. Eetbare planten zijn soms geïnfecteerd met een schimmel en gaan mycotoxinen opnemen en chemisch wijzigen. Op deze wijze kunnen ‘masked mycotoxines’ in de voedselketen terechtkomen (Berthiller et al., 2012) Een ander veel bestudeerd mycotoxine is ergotamine, dat in Europa tot de negentiende eeuw heel veel gevallen van ergotisme veroorzaakte (Merhoff & Porter, 1974). Dit gebeurde regelmatig in de vorm van echte epidemieën doordat de lokale bevolking, vooral na strenge winters, massaal brood at dat werd gemaakt van beschimmeld koren. De oorzaak van deze ziekte is Claviceps purpurea (moederkoren), een schimmel die parasiteert op veelgebruikte graansoorten; deze schimmel produceert ergotamine (7 figuur in dit kader). Deze stof heeft krachtige effecten op het zenuwstelsel. Fatale gevallen van ergotisme veroorzaken gangreen (ischemie door zeer intense vasospasmen) en convulsies; lichtere gevallen leiden tot psychische stoornissen en hallucinaties. Door het effect op de meningeale bloedvaten worden afgeleiden van ergotamine in de geneeskunde gebruikt als middel tegen migraine (Tfelt-Hansen et al., 2000). Het linkerdeel van dit molecuul (lyserginezuur), vertoont enige structuuranalogie met serotonine en werd chemisch bewerkt tot het LSD (Fantegrossi et al., 2008). LSD werd (zonder succes) gebruikt in de psychiatrie en als ‘waarheidsserum’ door bepaalde politiediensten (Ulrich & Patten, 1991). LSD is vooral berucht geworden als drug waarmee veel jongeren in de jaren zestig en zeventig van de vorige eeuw experimenteerden.

11

11.7 Micronutriënten

De micronutriënten zijn niet of veel minder zichtbaar in het voedsel, dragen niet bij tot de calorische waarde en worden met uitzondering van smaak (zout, ijzer) niet door de consument opgemerkt. Er zitten echter talrijke essentiële voedingsstoffen in die in kleine hoeveelheden gegeten moeten worden om gezond te blijven. We verdelen de micronutriënten onder in mineralen en vitaminen. 11.7.1 Mineralen

Ongeveer 5% van het lichaamsgewicht bestaat uit minerale zouten. Het grootste deel hiervan wordt ingenomen door de zouten in de beenderen. Meer dan twintig verschillende soorten mineralen worden fysiologisch in deze lichaamszouten of als covalente verbindingen met eiwitten of andere organische moleculen aangetroffen. Men veronderstelt dat al deze elementen essentieel zijn in de voeding, maar – zoals werd uitgelegd voor chroom en fluor – is dit niet altijd even duidelijk. Naargelang het massapercentage in een menselijk lichaam maakt men het onderscheid tussen macromineralen en oligomineralen. De grens is 0,01% van het lichaamsgewicht, dus 7 gram voor een volwassen mens met een gewicht van 70 kilogram. Calcium, magnesium, natrium, kalium, magnesium, chloor en fosfaten zijn daarom macromineralen. IJzer ligt met een lichaamsvoorraad van 4 gram net onder de grens. Sporenelementen komen in milligrammen

11.7 • Micronutriënten

371

voor in het lichaam: vanadium (< 20 mg), mangaan (< 20 mg), jodium (< 20 mg), seleen (< 13 mg), nikkel (10 mg) en molybdeen (10 mg). Nutritionele deficiëntie van oligomineralen is uitermate belangrijk voor zink, ijzer en jodium (Black et al., 2008). De ergste problemen, waarbij zowel socio-economische, politieke als culturele aspecten een rol spelen, bestaan in derdewereldlanden, maar de micronutriëntenproblematiek is ook aanwezig in ontwikkelde landen, voornamelijk onder de vorm van de ‘double burden of malnutrition’ bij obese personen. 11.7.2 Calcium

Van de pas geboren tot de volwassen toestand is er een spectaculaire toename van de calciumvoorraad in het menselijk lichaam (van 15 tot 1200 gram). Bij de volwassene bevindt 99% van het totaal lichaamscalcium zich in de botten, in de minerale kristallen die botten hard maken. De chemische vorm van dit botcalcium is calciumhydroxyapatiet (Ca5(PO4)3OH)2. Dit calciumkristal heeft een vrij trage turn-over (halfwaardetijd is 5-10 jaar). De resterende 1% calcium bevindt zich zowel buiten de cellen als in de mitochondria en in het ER-lumen van de cellen. De vrije (ionaire) calciumconcentratie in het cytoplasma van cellen is echter erg laag en schommelt basaal rond de waarde van 10-7 mol/l; na celstimulatie zal de calciumconcentratie vaak tijdelijk toenemen, wat een signaaltransductie veroorzaakt. Een voorbeeld hiervan is de glucosegeïnduceerde insulinesecretie door bèta-cellen (7  figuur  12.4). Het extracellulaire ionaire calcium ([Ca2+]e) wordt zeer constant gehouden door zowel Ca2+-verhogende hormonen (parathyroïdhormoon en 1,25-dihydroxycholecalciferol (calcitriol), als het Ca2+-verlagende hormoon calcitonine. De normale calciëmie schommelt tussen de 2,2 en 2,6 mmol/L; de helft hiervan is gebonden aan plasma-eiwitten. Ongeveer 1 gram calcium wordt dagelijks door een volwassene ingenomen via het voedsel; slechts een deel hiervan wordt door het slijmvlies van de dunne darm opgenomen. Melk en zuivelproducten zijn rijk aan goed resorbeerbaar calcium. Granen (fytaat = inositolhexafosfaat) verminderen de calciumresorptie. De opname wordt verhoogd door inwerking van 1,25-dihydroxycholecalciferol, dat de expressie van een resorptie-eiwit induceert in de darmmucosacellen (7 par. 8.5.3 en 7 par. 11.7.15, vitamine D). Een tekort aan lichaamscalcium komt vooral voor ten gevolge van een vitamine D-deficiëntie. Anderzijds kan overmatige calcium- of vitamine D-inname leiden tot een te hoge calciumconcentratie in extracellulair vocht, wat kan resulteren in weefselverkalkingen en calciumstenen. Daarom wordt afgeraden om dagelijks meer dan 2,5 gram calcium in te nemen. 11.7.3 Fosfor

Voor fosfor is de totale lichaamsvoorraad ongeveer 800 gram en ook hier bevindt zich het leeuwendeel (± 85%) in het calciumhydroxyapatiet van de botten (zie calcium). De [Pi] in het plasma varieert tussen 1 en 1,4 mM (meer schommelingen dus dan voor de vrije [Ca2+] in het bloed) en bestaat uit 25% HPO42− en 75% H2PO4− (dit mengsel draagt bij tot het pH-bufferend vermogen van het serum). De concentratie anorganisch fosfaat ([Pi]) in het bloed wordt door dezelfde hormonen geregeld als de calciëmie. Organisch gebonden fosfaat vinden we in talrijke intracellulaire biomoleculen, waarin het een rol speelt als structuurelement (nucleïnezuren, fosfolipiden), metabole activering, of als covalente modificatie van proteïnen. Zie hiervoor de P in een rood bolletje in talrijke figuren in de meeste hoofdstukken. De aanbevolen dagelijkse inname ligt 30% lager dan die voor calcium en gebeurt in de vorm van anorganische calciumfosfaten.

11

372

Hoofdstuk 11 • Voeding

Tot 90% van dit fosfaat wordt ter hoogte van de dunne darm via een actief transportmechanisme geresorbeerd, waarin 1,25-dihydroxycholecalciferol een regelende rol speelt. Er zit zo veel fosfor in de meeste voedingsmiddelen, dat een tekort aan dit element niet voorkomt wanneer normale hoeveelheden voedsel worden genuttigd. Het omgekeerde, een excessieve fosfaatinname, met overbelasting van het excretieapparaat in de nieren, komt echter meer voor. Fosfaten worden namelijk vaak gebruikt als voedingsadditief (frisdranken). Wanneer de inname van fosfaten beduidend hoger is dan die van calcium ontstaat het gevaar op botafbraak. Melk heeft een (calcium/fosfaat)-ratio van 2, wat gunstig is voor de botvorming. Ongetwijfeld is dit de bedoeling bij zoogdieren, die op het moment dat ze deze fysiologische vloeistof drinken, veel nieuw botmineraal moeten vormen. 11.7.4 Zink

11

Als mineraal is zink (Zn2+) van enorm belang in de problematiek van menselijke ondervoeding. Opeenvolgende studies stellen dat zinkdeficiëntie alleen veranwoordelijk is voor een grootschalige kindersterfte (Black et al., 2008 en 2013). Daarmee is zinkdeficiëntie vanuit de groep van mineralen een zeer belangrijke oorzaak van morbiditeit en mortaliteit. De International Zinc Nutrition Consultative Group heeft groeiachterstand bij kinderen samen met de toereikendheid van zink in het lokale voedsel gebruikt om de prevalentie van zinkdeficiëntie te bepalen. Zinkdeficiëntie komt zeer algemeen (bijna alle kinderen!) voor in de tropen (subSahara Afrika, Zuid-Amerika en Zuid-Azië). Zinkdeficiëntie vergroot op significante wijze het risico om te sterven aan veelvoorkomende infectieziekten zoals malaria, viraal veroorzaakte diarree en longontsteking. Studies met zinksupplementen worden uitgevoerd in deze hoogrisicolanden. Zink is cofactor van een enorm aantal eiwitten. Er bestaan honderden zink-vingereiwitten die DNA en RNA kunnen binden en een nog onvolledig begrepen rol spelen in de genexpressie. Zn2+ is ook co-factor van een aantal enzymen zoals dehydrogenasen (alcohol-, lactaat-, glutamaat-, malaat-) en proteasen. Levercellen binden een zekere voorraad van dit metaal aan metallothioneïne, een eiwit dat zeer rijk is aan cysteïneresiduen. De dagelijkse nutritionele behoefte (10-15 mg/dag voor een volwassene) vormt een probleem bij eenzijdige plantaardige voeding. Fytaat in granen maakt dit metaal (evenals het geval is voor Ca2+, Fe2+ en Mg2+) onoplosbaar. In landen waar men ongerezen deeg gebruikt om brood te bakken komt dit eerder tot uiting dan bij ons, omdat bakkersgist een enzym bevat (fytase) dat het fytaat afbreekt. Zink dat aanwezig is in vlees, vis of melkproducten, wordt goed geresorbeerd. Er zit veel zink in eieren, lever en vooral oesters. Horizon Nieuwe vragen in verband met zink en metabolisme Zink wordt op efficiëntere wijze geresorbeerd tijdens de zwangerschap, om te voldoen aan de extra behoefte van de foetale groei. Een zinkdeficiëntie tijdens de zwangerschap is de oorzaak van congenitale misvormingen (King, 2000). Zink en ijzer interfereren met elkaar op het niveau van de gastro-intestinale resorptie (Fischer et al., 2005). Daarom is het raadzaam om tijdens de zwangerschap zowel ijzer als zinksupplementen te geven om tekorten bij de moeder en foetus te voorkomen. Zink is een verplicht onderdeel van de Zn2+-insulinekristallen in pancreatische bètacellen en de hoogste zinkconcentratie in het lichaam bevindt zich in deze cellen (Davidson

11.7 • Micronutriënten

373

. Figuur 11.6  Schematische samenvatting van het ijzermetabolisme, waarbij het belangrijke onderscheid moet gemaakt worden tussen een interne en een externe ijzercirculatie. De voeding bevat ongeveer tien keer zoveel ijzer als wat het lichaam opneemt in het duodenum. IJzerverlies gebeurt via de urine, feces, huidschilfers en via (microscopisch of macroscopisch) bloedverlies. De interne ijzercirculatie houdt verband met de afbraak van rode bloedcellen in de milt (7 ook 7 par. 9.4.4) en het vasthouden van vrijgekomen heemijzer aan de ijzerbindende eiwitten ferritine (milt) en transferrine (plasma). Dit laatste brengt ijzer terug naar het beenmerg, waar nieuwe rode bloedcellen worden bijgemaakt.

et al., 2014). De opname van zink in de insulinesecretiegranulen van bèta-cellen gebeurt door ZnT8 (SLC30A8), een van de vele paralogen van de grote zinktransporter-eiwitfamilie (Chimienti et al., 2006). Het SLC30A8-gen dat voor het menselijke eiwit codeert, bevat een intrigerend polymorfisme: aanvankelijk werd het beschreven als risicofactor voor het ontstaan van type-2-diabetes (Sladek et al., 2007). Recenter werd een loss of function-mutatie in het SLC30A8-gen in verband gebracht met bescherming tegen diabetes (Flannick et al., 2014). Vanwege deze erfelijkheidsfactor is er belangstelling gerezen over de vraag hoe ZnT8 de kans op het ontwikkelen van suikerziekte kan veranderen (Lemaire et al., 2012; Davidson et al., 2014). ZnT8 laat Zn2+ door de membraan van de insulinesecretiegranulen binnen en is noodzakelijk voor de zink-insulinekristalvorming (Lemaire et al., 2009). Bovendien zou de vrijstelling van zink tijdens de insulinesecretie ter hoogte van de lever bescherming bieden tegen te snelle afbraak van insuline door de levercellen (Tamaki et al., 2013).

11.7.5 IJzer

De belangrijke rol van ijzer in het metabolisme werd al eerder in dit boek besproken. Voorbeelden zijn de cytochromen van de oxidatieve fosforylering (7 par. 5.5), het heem dat verantwoordelijk is voor transport van zuurstof van de longen naar de mitochondria van het lichaam (7 par. 9.4.3) en de cytochroom-P450-enzymen (7 par. 8.4). De twee verschillende oxidatietoestanden van ijzer (Fe2+ en Fe3+), maken dit metaal zeer geschikt om elektronen over te dragen tijdens redoxreacties. Een volwassene bezit een totale ijzervoorraad van 3 tot 4 gram. Dagelijks wordt echter niet meer dan 1 tot maximaal 3 milligram ijzer vanuit de voeding aan deze reserve toegevoegd (evenveel als er in de urine, feces en via bloedverlies verloren gaat). Deze externe ijzerstroom is tot 25 maal lager dan de interne ijzercirculatie (. figuur 11.6), waarbij ijzerionen

11

374

11

Hoofdstuk 11 • Voeding

op een efficiënte wijze gerecycleerd worden. Deze stroom doet zich voor tussen drie compartimenten: 55 Hemoglobine in de rode bloedcellen (RBC) bevat 65% van alle lichaamsijzer. Het metaal ligt hier gebonden als Fe2+-ionen in een porfyrinering: deze heemgroep is verantwoordelijk voor de reversibele binding van zuurstof. RBC hebben een gemiddelde levensduur van slechts 120 dagen. Ze worden afgebroken ter hoogte van het reticulo-endotheliale systeem, vooral in het mazennetwerk van de milt. Er komt in feite dagelijks 25 mg ijzer vrij door de afbraak van heem tot biliverdine door heemoxygenase (7 par. 9.4.4). Dit ijzer belandt niet onmiddellijk in de bloedbaan, maar wordt eerst opgeslagen in de reticuloendotheliale cellen. 55 Ferritine in de reticulo-endotheliale cellen (milt, lever, beenmerg) vormt de tweede grote ijzervoorraad van het lichaam (±30%). Het Fe2+ dat vrijkomt na afbraak van rode bloedcellen wordt eerst geoxideerd tot Fe3+ en daarna gebonden aan apoferritine. Wanneer ferritine ‘volgeladen’ is met ijzer, complexeert het met andere celeiwitten en ontstaat er hemosiderine. Het in ferritine opgeslagen ijzer wordt geleidelijk weer aan de bloedbaan vrijgegeven door overdracht aan apotransferrine, het ijzertransporteiwit in het serum. 55 Hierdoor ontstaat transferrine: dit eiwit vertegenwoordigt normaal slechts 0,7% van het totale lichaamsijzer. Transferrine transporteert niet alleen het ijzer van reticulo-endotheliale cellen terug naar het beenmerg, waar nieuwe RBC worden gemaakt; dit transporteiwit vervoert de uit het voedsel geresorbeerde ijzerionen. Tijdens de resorptie van voedingsijzer wordt ijzer afgegeven van het intracellulaire ferritine (in de mucosacellen) aan transferrine. De ijzerionen binden aan apotransferrine als Fe3+. Ceruloplasmine, een koperbindend plasma-eiwit, helpt bij de overdracht van ijzer van ferritine aan transferrine. Transferrine voorkomt dat de interne ijzercirculatie van 25 mg ijzer per 24 uur verloren gaat via de urine (glomerulaire filtratie). Immers, door binding van het ijzer op het grote eiwit kan het geheel niet passeren door de glomerulaire membraan. De nutritionele behoefte aan ijzer dient te worden bekeken tegen de achtergrond van deze efficiënte recycling van de lichaamsvoorraden, die belangrijk is, daar het dieet maar net voldoende ijzer bevat. Voor een volwassen man is de dagelijkse behoefte ongeveer 9 mg, waarvan circa 10% wordt geresorbeerd. Tussen de menarche en menopauze is de ijzerbehoefte van vrouwen ongeveer het dubbele van die bij de man (verlies van RBC tijdens de menstruatie en opbouw van een foetale RBC-voorraad tijdens zwangerschappen). In geval van zwangerschap dient de vrouw daarom 10-20 mg extra ijzer per dag in te nemen. Een Canadese studie beveelt 16 mg per dag aan (Cockell et al., 2009). Een probleem is dat een deel van het voedingsijzer niet door de dunne darm (duodenum) als Fe2+ kan worden opgenomen. Vooral fytaat in granen is een boosdoener omdat het ijzer en andere kationen complexeert. Een dierlijke bron van voedingsijzer (heem in bloed, vlees) wordt efficiënter geresorbeerd dan plantaardig ijzer. IJzergebrek is wereldwijd een frequente nutritionele deficiëntie en een algemene oorzaak van verminderde fysieke en mentale ontwikkeling, vooral vanwege de hoge prevalentie bij zwangere vrouwen (Black et al., 2008). Het belangrijkste gevolg is ferriprieve bloedarmoede, die leidt tot verminderd zuurstoftransport naar alle weefsels. Deze bloedarmoede wordt gedefinieerd op basis van de distributie van fysiologische hemoglobinegehaltes van een normale referentiepopulatie en een afwijking van 15% of meer beneden het gemiddelde (Luman & Ng, 2003).

11.7 • Micronutriënten

375

Horizon Te veel of te weinig ijzer? Bloedarmoede ten gevolge van ijzergebrek komt dus zeer frequent voor. In de geïndustrialiseerde landen wordt de prevalentie geschat op 10-15% (menstruerende vrouwen), 20-30% (zwangere vrouwen) en 40% (zuigelingen). In de ontwikkelingslanden liggen deze percentages nog hoger en komt ferriprieve bloedarmoede ook bij mannen voor, vooral door microscopisch bloedverlies via de darmmucosa door infestatie met parasieten zoals de haakworm (Ascaris). IJzertekort tijdens de zwangerschap vermindert het zuurstoftransport van moeder naar foetus en is een frequente oorzaak van vroeggeboorte (premature bevalling). Daarom moeten zwangere vrouwen een ijzersupplement krijgen en moet ijzergebrek tijdens de zwangerschap doeltreffend behandeld worden (Scholl, 2005). IJzerdeficiëntie wordt in de hand gewerkt door riboflavinedeficiëntie (Powers, 2003). Sommige wetenschappers bestuderen het probleem van de biobeschikbaarheid, waardoor eenzelfde ijzerinname via een verbeterde resorptie door de darm leidt tot een betere ijzerstatus (Hurrell et al., 2004). Ascorbinezuur (vitamine C) bevordert de reductie van Fe3+ tot Fe2+ en verbetert daardoor de resorptie door ferroportine, een membraantransporter in de membraan van de darmmucosacellen. De regeling van de intestinale eiwitresorptie gebeurt door hepcidine, een levereiwit dat in het bloed vrijkomt wanneer de ijzervoorraad in levercellen stijgt (Munoz et al., 2009). Hepcidine bindt op ferroportine en zorgt voor de internalisatie en afbraak van de transporter. Op deze wijze voorkomt de lever ijzeropstapeling in het lichaam. Een nieuwe ontwikkeling is de ontdekking dat bepaalde infectieziekten, zoals malaria, via een stijging in de hepcidinesecretie kunnen leiden tot ijzertekort en bloedarmoede (Spottiswoode et al., 2012). Indien er te veel voedingsijzer wordt opgenomen en het metaal in de lever en andere lichaamscellen opstapelt, spreekt men in de internationale literatuur van ‘iron overload’. Deze toestand zorgt voor oxidatieve stress, wat leidt tot ijzertoxiciteit van cellen (Kohgo et al., 2008). Een vorm treedt op na herhaaldelijke transfusies bij patiënten met hemolytische bloedarmoede, een groep van ziekten waardoor rode bloedcellen te kort leven (Vermylen, 2008). Een tweede vorm van ijzeropstapeling is voedinggerelateerd en treedt endemisch op in sub-Sahara Afrika, door dagelijkse hoge ijzerinname (typisch 100 mg per dag en een hoge absorptiegraad) door het drinken van thuis gemaakt bier dat is gebrouwen in ijzeren (roestende) ketels (Schumann, 2001). Een andere frequente oorzaak is virale hepatitis C-infectie die via een gedaalde hepcidinesecretie kan leiden tot ijzeropstapeling (Drakesmith & Prentice, 2008). Een genetisch veroorzaakte vorm treedt op bij mensen met een normale ijzerinname en is gebaseerd op het onvermogen van hepcidine om de werking van ferroportine te remmen. De toxische ijzeropstapeling bij mensen met chronisch ijzerexces kan leiden tot hemochromatose (Wood et al., 2008), waarbij vooral de lever (levercirrose) en de bèta-cellen van de endocriene pancreas (diabetes) getroffen zijn (Utzschneider & Kowdley, 2010). Het gevolg van het optreden van voedinggerelateerde ijzeropstapeling in het lichaam is dat men een tolereerbare bovengrens van 25-50 mg ijzer per dag adviseert. Ten slotte kan hier vermeld worden dat lokale opstapeling van hemosiderine-ijzer in een weefsel (hemosiderose) een andere vorm van ijzertoxiciteit is. Dit proces komt bijvoorbeeld in de longen voor door herhaaldelijke alveolaire microscopisch kleine bloedingen met zeer veel hemosiderine in lokale macrofagen (Ioachimescu et al., 2004).

11

376

Hoofdstuk 11 • Voeding

11.7.6 Jodium

11

Een andere vaak voorkomende deficiëntie aan mineralen is jodiumdeficiëntie, die bijna 40% van de wereldbevolking treft. Een bijzonder belangrijke en gevoelige groep is die van de zwangere vrouwen (Vermiglio et al., 1999) en dit is relevant voor de psychomotorische ontwikkeling van de foetus. Het voedingsjodium (I2, I− of IO3−) wordt opgenomen als I− (jodide). In 7 par. 9.4.11 werd besproken hoe het totale lichaamsjodium wordt verzameld in het colloïd van de schildklierfollikels en hoe dit leidt tot de productie van schildklierhormoon. Nutritioneel jodiumgebrek uit zich als krop (goiter in het Engels), een zwelling van de schildklier door verhoogde stimulatie door thyroid stimulating hormone (TSH). Wanneer deze toestand ernstig wordt, ontstaat een klinisch merkbaar tekort aan schildklierhormoon (hypothyreoïdie). Bij kleine kinderen is hypothyreoïdie nadelig voor de ontwikkeling van de hersenen (Georgieff, 2007). Jodiumgebrek hangt samen met de minerale samenstelling van de bodem en wordt endemisch (algemeen verspreid onder de bevolking) wanneer de dagelijkse jodiuminname daalt onder de 50 µg/dag. Dit komt vooral voor in bergachtige streken (de bodem is daar jodiumarm), maar ook in lager gelegen streken met een jodiumarme bodem. Voorbeelden zijn Zwitserland, de provincie Utrecht en de regio rond Aalborg in Denemarken. Kunstmatige versterking van bakkerszout (België), keukenzout (Nederland, Denemarken) of chocolade (Zwitserland) met jodium, heeft geleid tot het een sterke vermindering van het endemische jodiumgebrek. Grote voorzichtigheid is echter geboden. Excessief jodiumgebruik kan leiden tot hypothyreoïdie door een rem van de schildklierfunctie. Dit is zowel het geval voor natuurlijk jodium in zeewier en hoge zeewierconsumptie (Orito et al., 2009), als voor het eten van met jodium versterkt keukenzout, zoals blijkt uit nauwkeurige metingen in Denemarken (Pedersen et al., 2007). Door dergelijke excespathologie wordt het punt gemaakt dat er voor sommige nutriënten een overlap bestaat tussen de krommen van fysiologische behoefte en exces (. figuur 11.2). Momenteel wordt door de Belgische Hoge Gezondheidsraad een dagelijkse jodiuminname van meer dan 180 μg (jonger dan 6 jaar) en hoger dan 500 μg (6 jaar en ouder) als overmatig beschouwd. Merk op dat deze dagdosis slechts tweemaal hoger is dan de aanbevolen dagelijkse hoeveelheid. 11.7.7 Fluor

Over het belang van fluor als essentieel mineraal bestaat nog altijd twijfel. Aan de ene kant is lokaal (tandpasta) of systemisch (water, tabletjes) toegediend fluoride in staat om de prevalentie van cariës (gaatjes) te verminderen in een samenleving waarin regelmatig sucrose wordt verbruikt. In een dergelijke samenleving komt cariës bijzonder veel voor (Garcia-Godoy & Hicks, 2008). Het probleem is dat met regelmatig sucroseverbruik de pathogene bacterie Streptococcus mutans floreert tot een zogenoemde biofilm (Stoodley et al., 2008) en tandplaque genereert door de synthese van dextranen. De waterige vloeistof in deze plaque maakt contact met de tanden en tast de integriteit van het glazuur aan. Suikerconsumptie veroorzaakt een onmiddellijke aanzuring van de plaquevloeistof (zuurstoot), omdat de bacteriën in de biofilm deze suiker anaeroob verbranden (7  par. 3.3.3). Speeksel is in staat om deze nadelige werking op natuurlijke wijze te bestrijden (Bardow et al., 2005). De eiwitten in speeksel hebben antibacteriële eigenschappen en vormen een zeer dunne laag (de pellicle) die het glazuur natuurlijk beschermt tegen agressie. Bovendien buffert speeksel de pH.

11.7 • Micronutriënten

377

Fluoride draagt bij tot een grotere weerstand tegen cariës, omdat het de balans tussen demineralisatie en mineralisatie aan de oppervlakte van het glazuur in gunstige zin beïnvloedt (Ten Cate & Featherstone, 1991). De minerale component van tandglazuur is ook weer overwegend calciumhydroxyapatiet, maar is gebonden aan carbonaten. Bovendien kunnen sommige hydroxylanionen vervangen worden door fluoride. Door inbouw van fluoride in het kristal ontstaat calciumfluorapatiet (Ca5(PO4)3F)2. De vervangende fluoride maakt glazuur meer resistent tegen demineralisatie, het oplossen van het kristal in zure pH (Yamazaki et al., 2007). Dit is dus relevant in een samenleving waar suiker (sucrose) deel uitmaakt van het voedsel (Lingstrom et al., 2000). Het toevoegen van fluor aan drinkwater of tandpasta in een dosis niet hoger dan 0,050,07 mg per kilogram lichaamsgewicht per dag, werkt preventief tegen de erosie en voorkomt gaatjes. Men moet echter voorzichtig zijn bij jonge kinderen, omdat te grote inname van fluor een ontwikkelingsstoornis van het tandglazuur veroorzaakt die fluorose wordt genoemd (Aoba & Fejerskov, 2002). 11.7.8 Koper

Koper is als kation cofactor van een klein aantal eiwitten die eerder besproken werden in het metabolisme. In de eerste plaats speelt koper in de meeste cellen een essentiële rol in een van de actieve centra van complex IV van de ademhalingsketen (cytochroom-C-oxidase, 7 par. 5.5). Koper is ook belangrijk voor koper/zink-afhankelijk superoxidedismutase (SOD1), het tyrosinemetabolisme (dopaminehydroxylase (synthese van noradrenaline), monoamineoxidasen (MAO, afbraak van neurotransmitters) en tyrosinase (synthese van melanine)) en elastinesynthese (lysyloxidase). Koperionen worden in het bloed getransporteerd door het eiwit ceruloplasmine, een ferrioxidase. Een nutritionele koperdeficiëntie kan optreden bij zuigelingen die uitsluitend met kunstmatige melkpreparaten worden gevoed en bij totale parenterale voeding (Williams, 1983). Toepassing Ziekten van het kopermetabolisme Een genetische oorzaak van koperdeficiëntie is Menkes-syndroom, waarbij er een defect optreedt in de opname van koperionen door de darmmucosa. Hierdoor vermindert de elasticiteit van elastinevezels in de huid (Martins et al., 1997). Het verantwoordelijke gen codeert voor een ATP-aangedreven koperionenpomp (ATP7A) in de membraan van darmmucosacellen (Voskoboinik & Camakaris, 2002). Een andere ziekte van het kopermetabolisme, de ziekte van Wilson, wordt uitgelokt door mutaties in het sterk gelijkende kopertransport-ATPase ATP7B (Schilsky, 2005). Dit transporteiwit zit in de lever en een disfunctie leidt tot koperopstapeling met levercirrose als gevolg. Patiënten met deze ziekte vertonen ook neurologische symptomen, een typische verkleuring van de iris en een sterk gedaalde serum-ceruloplasmineconcentratie (Mak & Lam, 2008).

11.7.9 Selenium

Selenium is een element dat chemisch lijkt op zwavel. Het wordt op zeer selectieve wijze gebruikt in een alternatief aminozuur, het selenocysteïne. In dit 21ste aminozuur voor de opbouw van eiwitten is zwavel vervangen door selenium, wat dit aminozuur bijzondere redoxeigenschappen

11

378

Hoofdstuk 11 • Voeding

. Figuur 11.7  Synthese van selenocysteïne, het 21ste aminozuur voor synthese van menselijke eiwitten, verloopt op een speciaal tRNA(Sec). De oplading van dit tRNA gebeurt met serine dat wordt gefosforyleerd tot een fosfoserine. Metabool geactiveerd selenofosfaat zal dan de fosfaatgroep vervangen door het seleniumatoom (Turanov et al., 2011).

. Tabel 11.7  Selenoproteïnen van de mens.

11

Klasse 1 (C-terminale SeC-residu)

Klasse 2 (N-terminaal SeC-residu)

selenoproteïne K

selenoproteïne H

selenoproteïne S

selenoproteïne M

selenoproteïne O

selenoproteïne N

selenoproteïne I

selenoproteïne T

selenoproteïne R

selenoproteïne W

thioredoxinereductase 1 t/m 3

glutathionperoxidase 1 t/m 6 jodothyroninedeïodase 1 t/m 3 selenofosfaatsynthetase 1 en 2

geeft. De synthese van selenocysteïne gebeurt op een bijzonder tRNA, het tRNA(Sec) dat een UGA-codon herkent met zijn ACU-anticodon (.  figuur 11.7). Eerst wordt dit tRNA met serine opgeladen; vervolgens wordt de serine gefosforyleerd (enzym = fosfoseryl-tRNA-kinase (PSTK)). Dan is metabool geactiveerd selenium (selenofosfaat) nodig om het seleniumatoom in het aminozuur in te bouwen (enzym = selenocysteïnyl-tRNA-synthetase (SEPSECS)). Op deze wijze ontstaat selenocysteïnyl-tRNA (. figuur 11.7). De metabole activatie is het werk van twee paraloge enzymen selenofosfaatsynthetase (SEPHS1 en SEPHS2). De mens bezit slechts 25 selenoproteïnen (.  tabel  11.7); elk daarvan heeft op slechts één plaats in de aminozuursequentie een zogenoemd selenocysteïne ingebouwd, waarbij onderscheid wordt gemaakt tussen inbouw helemaal achteraan in de aminozuursequentie (vaak het voorlaatste residu) en een groep met inbouw eerder aan de N-terminale kant (.  tabel  11.7). Voorbeelden van selenoproteïnen zijn de diverse isovormen van glutathionperoxidase en thioredoxinereductase, enzymen die bijdragen tot de reducerende sulfhydrylbuffer die nodig is voor het herstel van oxidatieve schade (7 par. 6.10). Een andere belangrijke groep zijn de drie paralogen van het enzym jodothyroninedeïodase (DIO1-DIO3), enzymen die schildklierhormoon activeren (omzetting van T4 naar T3;

11.7 • Micronutriënten

379

7  par. 9.4.11) en ook inactiveren (productie van reverse T3). Ook selenofosfaatsynthetase, het enzym dat selenium activeert, is een selenoproteïne. In streken met een seleniumrijke bodem moet men vanwege het gevaar voor toxiciteit voorzichtig zijn met de consumptie van lokaal gekweekte planten. De European Food Safety Authority (EFSA) stelt dat een dagelijkse inname tot 850 μg selenium geen meetbare ongewenste effecten uitlokt; rekening houdend met een onzekerheidsmarge is de nu gangbare Europese richtlijn 300 μg/dag als tolereerbare bovengrens van inname voor volwassenen (vier- tot zesmaal de aanbevolen dagdosis).

Horizon Te veel of te weinig selenium? Het mechanisme waarmee selenocysteïnyl-tRNA wordt gebruikt voor de synthese van selenoproteïnen is intrigerend. Het anticodon van dit tRNA herkent een van de drie stopcodons van de translatie, UGA. Echter, dankzij een zogeheten SECIS-element (SElenoCysteine Insertion Sequence), dat zich bevindt in de 3’UTR van het voor het selenoproteïne coderende mRNA, wordt dit stopcodon specifiek genegeerd en wordt er selenocysteïne via het eigen selenocysteïnyl-tRNA aangeleverd (Berry et al., 1991). De herkenning gebeurt dus door interactie tussen het tRNA en zijn codon in het mRNA, samen met een ruimtelijke stamlusstructuur van het SECIS-element. De functie van een aantal selenoproteïnen in . tabel 11.7 is tot op heden onbekend (Lobanov et al., 2009). Het meest bestudeerde en eerst ontdekte selenoproteïne is glutathionperoxidase 1, dat een vooraanstaande rol speelt in het bestrijden en voorkomen van oxidatieve stress (Lei et al., 2007). Defecten in de functie van dit proteïne verklaren misschien de eventuele rol die voedingsselenium speelt bij het ontstaan van kanker, hart- en vaatziekten, neurodegeneratieve ziekten en diabetes. Selenoproteïne H speelt een rol in de redoxafhankelijke expressie van genen, onder andere de genen die instaan voor het glutathionsysteem. Seleniumsupplementen verminderen het risico op het ontwikkelen van kanker bij mannen met ongeveer 25%, maar niet bij vrouwen (Bardia et al., 2008). In bepaalde delen van China is endemische seleniumdeficiëntie bekend (Ge & Yang, 1993). Er bestaat tevens een uitgebreide literatuur die wijst op een chemopreventief effect van selenium op het ontwikkelen van kanker, vooral prostaatkanker, melanoom (Duffield-Lillico et al., 2003) en schildklierkanker (Kato et al., 2010). Deze resultaten zijn echter niet eenduidig en werden tegengesproken in een grootschalig opgezet klinisch onderzoek (Lippman et al., 2009). Waarschijnlijk is de uitleg voor de controversiële data complex en is er een interactie met de genotypische verschillen tussen mensen. Een ander probleem is seleniumexces in het dieet, aangezien de toxische dosis dicht bij de fysiologische bovengrens ligt (. figuur 11.2). Al lang is bekend dat chronische overconsumptie van selenium leidt tot een typische excespathologie (selenose), die klinisch gekenmerkt wordt door afbrekende nagels en breekbaar haar. Ook in de veeteelt is deze pathologie bekend (Raisbeck, 2000). Recent onderzoek duidt echter op excespathologie in vele niet uitwendig zichtbare weefsels bij een lagere dosering, die vroeger als veilig werd bestempeld. In tilapia (een vis als proefmodel) wijst toxicologisch onderzoek van de lever- en nierfunctie (Atencio et al., 2009) op het tweesnijdend zwaard (anti- en pro-oxidatief effect) van selenium. Menselijke epidemiologische gegevens (Vinceti et al., 2009) geven aan dat de toxiciteitsgrens van selenium ook voor onze soort lager is dan voorheen werd gedacht. Vooral diabetes en amyotrofische lateraalsclerose worden uitgelokt bij concentraties in het

11

380

Hoofdstuk 11 • Voeding

voedsel die vroeger als veilig werden bestempeld. Het is dus mogelijk dat in de toekomst de tolereerbare bovengrens van inname scherper wordt gesteld. Een goed overzicht van deze problematiek is te vinden op 7 http://ods.od.nih.gov/ factsheets/Selenium-HealthProfessional/.

11.7.10 Natrium en chloor

Natrium en chloor zijn voldoende in het voedsel aanwezig, zeker wanneer eten aan tafel ‘voor de smaak’ gezouten wordt met natriumchloride (keukenzout). Bij topsporters moet excessief natrium/chloorverlies door zweten gecompenseerd worden door grotere inname (Rosner & Kirven, 2007). Bij kleine kinderen met diarree is natriumverlies met dehydratatie een belangrijk gezondheidsprobleem (Manz, 2007). Omdat natrium samen met glucose wordt geresorbeerd, heeft de Wereldgezondheidsorganisatie zout/suikerzakjes aangeraden die worden opgelost in water. Deze WGO-oplossing bevat finaal: glucose 20 g/L, natrium 90 mmol/L, kalium 20 mmol/L, chloor 80 mmol/L en bicarbonaat 30 mmol/L. Hiermee worden nu jaarlijks vele kinderlevens gered (CHOICE Study Group 2001). Wanneer men alleen water drinkt, is er gevaar voor waterintoxicatie. Een te zoutrijk dieet geeft een risico op het ontwikkelen van arteriële hypertensie (hoge bloeddruk) bij erfelijk voorbeschikte personen (Katsuya et al., 2003). Men zal de hypertensieve patiënt dus vaak in eerste instantie behandelen met een zoutloos of zoutarm dieet.

11

11.7.11 Kalium

Nutritioneel is dit mineraal vooral belangrijk bij mensen met een stoornis in de nierfunctie, omdat kalium bijna exclusief via renale excretie wordt verwijderd uit het lichaam. Bij mensen die diuretica nemen moet men bijvoorbeeld letten op een te grote kaliumexcretie die kan leiden tot hypokaliëmie, terwijl mensen met een nierinsufficiëntie juist gevaar lopen op hyperkaliëmie. Er zit veel kalium in gedroogde vruchten. 11.7.12 Magnesium

Het grootste gedeelte van de totale magnesiumvoorraad van het lichaam bevindt zich in de botten. De normale serummagnesiumconcentratie schommelt tussen 1,8 en 2,5 meq/L, waarvan 80% vrij circuleert (de rest is gebonden aan plasma-eiwitten). Intracellulair magnesium is vooral belangrijk als complex met ATP: Mg2+-ATP is de actieve vorm van ATP. Bij magnesiumgebrek treden vooral neuromusculaire stoornissen op (spierzwakte, vermoeidheid, convulsies), door slechte werking van ATPasen, waaronder het actine/myosine-ATPase. De aanbevolen dagelijkse inname van magnesium (ca. 300  mg voor een volwassene) is meer dan voldoende om een magnesiumdeficiëntie te voorkomen. Ongeveer 30% van dit metaal in het voedsel wordt geresorbeerd. Fytaat (inositolhexafosfaat) in granen complexeert ook magnesium in de darm en vermindert de opname in het lichaam.

11.7 • Micronutriënten

381

11.7.13 Toxische metalen

De toxische metalen lood, cadmium en kwik zijn zware metalen die de gezondheid van de mens bedreigen door hun aanwezigheid in het vervuilde milieu. Lood.  Dit metaal zit in de lucht, die vervuild is door uitlaatgassen van voertuigen die rijden

op loodhoudende brandstoffen. Het metaal werd vroeger in superbenzine vermengd met als doel een betere verbranding; de schadelijke effecten hiervan op het milieu hebben geleid tot loodarme benzine. Vroeger bevatte verf op plinten en deuren loodzouten. Het eten van afschilferende verf in oude huizen door kleine kinderen (pica) is een oorzaak van ernstige loodintoxicatie (Moya et al., 2004). Ook het wonen dicht bij een (metaalverwerkende) fabriek kan een risico zijn voor loodvergiftiging. In de sloppenbuurten van steden in de derde wereld is dit nog altijd een groot probleem (Olewe et al., 2009). De intoxicatie uit zich het eerst ter hoogte van de heemproductie in de rodebloedcelvoorlopers (7  par. 9.4.3), wat leidt tot een hypochrome bloedarmoede. Chronische intoxicatie leidt tot psychomotorische achterstand en cariës door verminderde speekselproductie. Kwik.  Van nature komt kwik in kleine hoeveelheden voor in de bodem en in water. De metaal-

verwerkende industrie heeft deze concentraties sterk verhoogd (kwikvervuiling). Een extreem voorbeeld deed zich voor in de jaren vijftig in Japan, waar mensen rond de Minamata-baai getroffen werden door een epidemie van ernstige intoxicatie met methylkwik. Congenitale misvormingen van pasgeborenen waren het resultaat, naast toxiciteit voor het centraal zenuwstelsel (doofheid, coördinatieverlies, mentale achteruitgang). Een kwik lozende fabriek was de oorzaak van hoge concentraties methylkwik in het water en het toxine stapelde zich op in de voedselketen (ongewervelde dieren – vis – mens). Tot op de dag van vandaag heeft deze expositie medisch meetbare gevolgen (Yorifuji et al., 2010). Sinds deze ramp wordt de visvangst regelmatig op kwikgehalte getest.

Cadmium.  Dit is een zwaar metaal dat zich langzaam maar zeker in het lichaam opstapelt. Vervuiling in het milieu is een gevolg van de productie van nikkel-cadmiumbatterijen, verven en sommige plastics. Bovendien zit cadmium metaal in sommige kunstmeststoffen en in tabak. Rokers zijn dus onderhevig aan grotere cadmiumexpositie dan niet-rokers. Te hoge cadmiumconcentraties zijn toxisch voor de meeste weefsels (nier, darm, bot). De lever bezit een biochemisch verdedigingssysteem waaronder het metallothioneïne-gen dat de vrij lage (door natuurlijke blootstelling) gehaltes aan lood, kwik en cadmium helpt verminderen. Cadmiumtoxiciteit is te meten in het centraal zenuwstelsel. Ook begint het duidelijk te worden dat cadmium een oestrogeenachtig effect heeft met gevolgen voor de fertiliteit en het risico op bepaalde vormen van kanker (Byrne et al., 2009).

Toepassing Loodvergiftiging Loodvergiftiging werd eerder in het boek besproken in verband met de metabole weg van de heemsynthese (7 par. 9.4.3). Sinds de mens lood verwerkt in bouwmaterialen (waterleiding, verf ) en in benzine, is er sprake van herhaaldelijke en grootschalige loodvergiftiging in bepaalde risicogroepen. Zelfs het verval van het Romeinse Rijk werd volgens sommige historici versneld of in de hand gewerkt door grootschalige loodvergiftiging van de heersende klasse (Woolley, 1984). Deze vergiftiging was het gevolg van intensief gebruik van

11

382

Hoofdstuk 11 • Voeding

lood (waterleidingen) en veroorzaakte een daling van de fertiliteit en een ondermijning van het centraal zenuwstelsel. Sindsdien is de mens steeds meer lood gaan gebruiken voor allerlei doeleinden en de wereld raakte steeds meer vervuild met dit zware metaal. In de laatste helft van de vorige eeuw zat er tetra-ethyllood in superbenzine, dat vele tonnen lood in de lucht bracht en de loodvergiftiging van mensen deed stijgen (Hernberg, 2000; Abadin & Pohl, 2010). De loodarme benzine heeft deze situatie verbeterd, maar er blijft ongerustheid: een ‘niet-toxische’ dagelijkse blootstelling bij kinderen blijkt invloed te hebben op de psychomotorische ontwikkeling. De neurotoxiciteit van zeer lage intensiteit van loodvergiftiging bij kinderen werd sindsdien bevestigd (Rosen, 1995). Bovendien bestaat er een correlatie tussen de mate van blootstelling van kinderen aan lood en cariës (Moss et al., 1999). Bij ratten leidt blootstelling aan lood ook tot cariës, door achteruitgang van de kwaliteit en hoeveelheid van het speeksel, omdat de speekselklieren zich niet normaal ontwikkelen (Watson et al., 1997). Een wending in dit verhaal is dat de tandheelkunde een middel heeft ontwikkeld om ontstane gaatjes te stoppen op basis van amalgaam, een goed manipuleerbaar materiaal waarin onder andere kwik is verwerkt. Dit heeft heel wat onrust gewekt, maar de literatuur is bijna unaniem over het idee dat dit geen nadelige effecten uitlokt (Brownawell et al., 2005). Met name zijn geen effecten waargenomen op de psychomotorische ontwikkeling (Bellinger et al., 2007).

11.7.14 Vitaminen

11

Vitaminen zijn volgens de oorspronkelijke definitie organische verbindingen die de mens zelf niet kan aanmaken, maar omdat ze een nuttige rol spelen in het lichaam, moeten kleine hoeveelheden in het voedsel worden opgenomen. Het organische karakter van deze stoffen onderscheidt de vitaminen van de mineralen; de kleine benodigde hoeveelheden staan tegenover de relatief grote hoeveelheden essentiële aminozuren en vetzuren. Voor de meeste vitaminen is deze oude definitie nog steeds juist; voor vitamine D en niacine echter niet, daar deze stoffen door de mens zelf kunnen worden aangemaakt. Bij de meeste mensen is deze endogene route echter ontoereikend, zodat er toch inname via het voedsel nodig is. Vitaminen werden via twee wegen ontdekt: (1) door vitamine-ontberingsziekten (avitaminosen); (2) door voedingsexperimenten bij proefdieren. Scheurbuik, nachtblindheid, beriberi en Engelse ziekte zijn voorbeelden van avitaminosen die reeds lang bekend zijn: scheurbuik en nachtblindheid zijn al beschreven in Egyptische teksten, terwijl de Engelse ziekte voor het eerst vermeld werd in de zeventiende eeuw en pas echt bekend werd door de kinderarbeid tijdens het begin van de industrialisering in Europa. Pioniers De ontdekking van de vitaminen Scheurbuik neemt een vermeldenswaardige plaats in in de Europese geschiedenis. De ziekte wordt veroorzaakt door een tekort aan vitamine C, met daardoor defecte collageensynthese, zwak bindweefsel, bloedingen en necrose van diverse weefsels. Tot de komst van de aardappel (na 1492 uit Zuid-Amerika) was scheurbuik een terugkerend probleem in de Noord-Europese winter (gebrek aan vers fruit en groenten). Het enorme tandverlies in die

11.7 • Micronutriënten

383

tijd was niet zozeer te wijten aan cariës (niet poetsen) maar vooral aan zwakke tandligamenten. In de zestiende en zeventiende eeuw bleef scheurbuik een geweldig gezondheidsprobleem op de intercontinentale zeereizen (Baron, 2009). Het voedsel bestond immers uit gedroogd vlees en scheepsbeschuit. Volgens de overlevering verloor Magellaan tijdens zijn wereldreis 90% van de bemanning door scheurbuik en George Anson meer dan 60%. In 1747 ondernam de scheepsarts J. Lind een studie om scheurbuik te genezen met diverse voedingsupplementen, waaronder citrusvruchten. De conclusie van deze (misschien allereerste?) klinische studie was dat citrusvruchten bijzonder efficiënt waren. Sindsdien was regelmatige consumptie van citrusvruchten (citroen, sinaasappel) voorgeschreven op de Engelse en Hollandse schepen. Pas in 1920 werd ontdekt dat vitamine C het actieve ‘antischeurbuik’-bestanddeel was, zodat de behandeling en preventie van deze ziekte evenals andere toepassingen mogelijk werden (Li & Schellhorn, 2007). Een analoog verhaal vertrekt van beriberi (Singalees voor ‘ik kan ’t niet’), een tropische ziekte met verlammingsverschijnselen in de benen die veroorzaakt wordt door een polyneuritis ten gevolge van thiaminedeficiëntie. Christiaan Eijkman (. figuur 11.13) ontdekte in 1880, toen hij als legerarts werkte in voormalig Nederlands-Indië, dat de polyneuritis die voorkwam bij jonge soldaten, ook in kippen kon worden opgewekt door deze een dieet te geven met witte rijst. Eijkman legde dus de relatie tussen dieet (gepelde witte rijst) en een endemische ziekte, maar hij dacht dat een exces aan zetmeel in het dieet de oorzaak was. Dit idee leek te worden bevestigd door epidemiologische gegevens uit gevangenissen van het voormalige Nederlands-Indië: onder gevangenen die ongepelde rijst als voedsel kregen, kwam de ziekte bijna niet voor. Een meer exacte verklaring voor de relatie tussen witte rijst en beriberi werd geformuleerd door Gerrit Gijs (Universiteit Utrecht), die het verband zag met het ontbreken van de rijstvliezen in witte rijst. Het actieve bestanddeel in deze vliezen was volgens de Poolse biochemicus Casimir Funk een amine. Funk bedacht de naam ‘vitamine’ en later werd thiamine bekend als vitamine B1. Funk ontdekte eveneens de identiteit van niacine (vitamine B3). In 1929 waren twee andere Nederlandse onderzoekers op Java (B.C. Jansen en W. Donath) in staat om thiamine kristalzuiver te isoleren en de genezende werking ervan op beriberi aan te tonen. Daarmee was het ‘vitamineconcept’ wetenschappelijk onweerlegbaar geworden. Christiaan Eijkman kreeg als pionier van dit type onderzoek samen met Sir Frederick Gowland Hopkins (7 ook . figuur 11.8) in 1929 de Nobelprijs voor Geneeskunde/Fysiologie (Zetterstrom, 2006). Het kan misschien verbazen dat Gerrit Gijs en Casimir Funk niet in de prijzen deelden. De tweede route van de ontdekking van vitaminen verliep via voedingsexperimenten bij proefdieren (bij het schrijven van dit boek bijna honderd jaar geleden). Dit werk gebeurde onder leiding van een andere pionier van het voedingsonderzoek: Sir Frederick Gowland Hopkins, die al tevoren had ontdekt dat tryptofaan een essentieel aminozuur is. Hopkins deed een klassiek voedingsexperiment bij jonge ratten, waarbij het experimentele dieet bestond uit caseïne, spek, sucrose, zetmeel en mineralen. Dit dieet bevatte meer dan voldoende energie (koolhydraten, vetten), voldoende eiwit en mineralen, maar vreemd genoeg bleken deze dieren niet te groeien. Een tweede groep, die als extra een beetje melk kreeg, groeide wel normaal. Wanneer de melk van groep werd veranderd, ging de eerste groep groeien en bleef de tweede achter. In de melk bleek een vetoplosbare substantie te zitten die de groei van de proefdieren mogelijk maakte. Deze substantie werd eerst ‘factor A’ genoemd en bleek later identiek aan vitamine A (. figuur 11.8). Hopkins deed ook proeven met rijstpellen en vond eveneens biologische effecten; de wateroplosbare substantie in de rijstvliezen noemde Hopkins ‘factor B’. In de jaren 1920-1930 werd de chemische identiteit (structuur) van de meeste vitaminen ontdekt. Zie voor vitamine K een apart kader verderop in dit hoofdstuk. Achtereenvolgende

11

384

Hoofdstuk 11 • Voeding

. Figuur 11.8  Vitamine A. Links: Het bestaan van deze vetoplosbare stof werd voor het eerst aangetoond door voedingsexperimenten van Hopkins. Rechts: Vitamine A bestaat uit een aantal retinoïden (retinol en de oxidatieproducten hiervan, retinal en retinoïnezuur).

11

factoren kregen (historisch oplopende) letters. Aan sommige werd achteraf de status ‘vitamine’ weer ontnomen, zodat bijvoorbeeld de vitaminen F en G ontbreken tussen E en H, evenals I en J. De meeste vitaminen (inclusief de B-subtypen) vertegenwoordigen niet één stof, maar een mengsel van gelijksoortige stoffen. Zo is niacine een mengsel van nicotinezuur en nicotinamide. De biologische activiteit van de verschillende stoffen in vitamine is vaak verschillend (bijvoorbeeld de acht verschillende stoffen in vitamine E, waarvan het alfa-tocoferol de meest actieve vorm is). Sinds de ontdekking van de vitaminen (eerste helft twintigste eeuw) zijn de grootschalige avitaminosen B, C, en D verdwenen (Scrimshaw, 2007). Avitaminose A blijft echter een kolossaal gezondheidsprobleem. Daarnaast is er de opkomst van de bariatrische chirurgie en de hiermee gepaard gaande malabsorptie van vitaminen.

11.7.15 Vetoplosbare vitaminen

Vitamine A

Vitamine A is wereldwijd medisch zeer belangrijk (Sommer, 2008). Volgens grootschalig onderzoek (Black et al., 2008; Black et al., 2013) is het tekort aan vitamine A in de voeding de meest voorkomende doodsoorzaak te wijten aan deficiëntie van één bepaalde voedingsstof. Deze vorm van nutritionele deficiëntie komt bijna uitsluitend voor in de (sub)tropen. Kinderen met een vitamine A-tekort vertonen een groeiachterstand en sterk toegenomen sterfte aan mazelen en diarree. Een andere klinische manifestatie is de xeroftalmie, een van de hoofdoorzaken van blindheid in de tropen (Narita & Taylor, 1993). Vitamine A is in feite een verzameling van retinoïden (waaronder retinol, retinal en retinoïnezuur), waarvan de structuur is getoond in .  figuur 11.8. Deze stoffen worden door enzymen, zoals bèta-caroteen-15,15’-mono-oxygenase (BCMO1) geproduceerd uit caroteen. Deze laatste stof is een van de vele carotenoïden, een grote en bonte verzameling van prachtig gekleurde terpenen (bijvoorbeeld de oranje kleur van wor-

11.7 • Micronutriënten

385

. Figuur 11.9  Retinal wordt in de lever vanuit bèta-caroteen gevormd door het enzym bèta-caroteen-15,15’mono-oxygenase.

. Figuur 11.10  De rodopsinecyclus begint met de activering van de fotoreceptor in de retina door een foton. Hierdoor isomeriseert een cis-dubbele binding tussen C11-C12 van retinal (die met het eiwit opsine het rodopsine – de receptor – vormt) tot een transbinding. Dit veroorzaakt signaaltransductie in de fotoreceptieve cel, met afbraak van cGMP en sluiting van natriumkanalen. De omzetting van de trans- in cis-isomeer beëindigt dit proces.

teltjes). Klieving van bèta-caroteen levert twee moleculen retinal (. figuur 11.9). De efficiëntie van deze klieving is onvolledig begrepen en dient verder te worden bestudeerd. Vitamine A-activiteit wordt uitgedrukt als retinolequivalenten: 1 microgram retinol activiteit = 12 microgram bèta-caroteen = 24 microgram andere provitamine A-carotenoïden. Retinol of caroteen wordt uit de voeding geresorbeerd, zoals het geval is voor andere lipiden, dus met behulp van galzouten. Het wordt in de darmmucosa veresterd tot een retinyl-vetzuurester en via chylomicronen vervoerd naar de lever, waar het in grote voorraden wordt opgeslagen in de fat-storing cellen. De lever geeft retinol vrij aan de bloedbaan, waar het wordt vervoerd via retinol binding protein (RBP). Het wordt vervolgens getransporteerd naar vele plaatsen in het lichaam. Retinoïden nemen diverse fysiologische functies waar in het lichaam. Een ervan is het fotoreceptormolecuul in de retina. De eerste moleculaire stap in de detectie van licht (fotonen) is namelijk de absorptie van een foton door ∆11-cis-retinal, dat hierdoor isomeriseert tot alltrans-retinal (. figuur 11.10). Het pigment zit niet-covalent gebonden in de hydrofobe holte van opsine, het meest voorkomende membraaneiwit van staafjes en kegeltjes, en vormt samen rodopsine, de fotoreceptor. Er bestaan drie verschillende paralogen van opsine, die door hun ruimtelijke invloed op retinal

11

386

Hoofdstuk 11 • Voeding

onderling verschillen in het absorptiespectrum, dus de golflengte van licht waarbij fotonen het meest efficiënt werken. Deze verschillen verklaren het vermogen om kleuren te zien. Mutaties in de opsine-genen zijn de oorzaak van kleurenblindheid. Retinol kan ook verder geoxideerd worden tot retinoïnezuur. Al lang was bekend dat dit zuur trofische effecten heeft op de huid. Later werd ontdekt, dat retinoïnezuur een groei- en differentiatiefactor is, die bindt op de retinoïnezuurreceptoren RAR en RXR. Met ligand bezette RXR of RAR werkt in de celkern als een transcriptionele activator. Een van de vroegste symptomen van vitamine A-tekort is de nachtblindheid, het onvermogen van het netvlies om zich aan te passen aan duisternis door veel gevoeliger te worden voor fotonen. Ernstiger of langduriger deficiëntie lijdt tot xeroftalmie, een zeer frequente oorzaak van blindheid bij kinderen in ontwikkelingslanden. Dervingsverschijnselen van vitamine A omvatten ook groeiachterstand (stoppen van de botgroei) en steriliteit. De dagelijks aanbevolen dosis in het dieet ligt rond de 1000 retinolequivalenten voor volwassenen. Fruit en groenten bevatten veel bèta-caroteen. Dit is vooral zo voor mango, abrikoos, spinazie, wortelen en tomaten. Er zitten veel retinoïden in vislever (levertraan) en er zit ook vitamine A in melk(producten) en eieren. Toxische verschijnselen treden op na inname van een overdosis vitamine A (> 100.000 retinol equivalenten/dag (dit zijn enkele commerciële capsules) gedurende zes maanden; misschien al bij lagere doses over nog langere perioden). Deze vorm van intoxicatie doet zich voor door het bestaan van sterk geconcentreerde vitaminepreparaten. Symptomen omvatten levertoxiciteit (versterkt door alcoholinname), intracraniële hypertensie, dermatitis en longkanker. Horizon

11

Onderzoek naar de vitamine A-status van de mens Omdat tekorten aan vitamine A op een zo enorme schaal mortaliteit en morbiditeit veroorzaken, is het belangrijk om over eenvoudige en correcte methoden te beschikken om de mate van deficiëntie in te schatten. Een objectieve test voor het functionele gevolg van vitamine A-deficiëntie is verlies van de capaciteit van de retina om de gevoeligheid van fotodetectie aan te passen aan plotse verduistering (‘dark adaptation’ in de wetenschappelijke literatuur). Men heeft zo kunnen vaststellen dat de biochemische meting van de serum-vitamine-A-concentratie een slechte predictor is van het aanwezig zijn van functionele deficiëntie (Russell, 2000). Het is op dit moment onduidelijk of vitamine A-supplementen beschermend werken tegen het ontwikkelen van kanker (zie 7 http://ods.od.nih.gov/factsheets/Vitamin%20A-HealthProfessional/#). Dierproeven ondersteunen deze gegevens, maar tonen ook dat dergelijke beschermende effecten alleen bereikt kunnen worden met suprafysiologische doses, die mogelijk toxische neveneffecten kunnen hebben (Russell, 2004). Bij de mens zijn er heel andere resultaten: bij rokers zou inname van bèta-caroteen juist meer longkanker opwekken (Leo & Lieber, 1999). Een meta-analyse van gegevens van 100.000 kankerpatiënten bevestigt dat verhoogde inname van vitamine A bij rokers het risico op kanker vergroot (Bardia et al., 2008). Ook voor andere carotenoïden zoals lycopeen is er nog controverse over de vraag of inname via de voeding het risico op kanker vermindert (Gallicchio et al., 2008). Na inname van megadoses vitamine A ontstaat toxiciteit. Bij doses van 10.000 retinoleenheden per dag tijdens de zwangerschap (ruim 10 maal de aanbevolen hoeveelheid) werden congenitale misvormingen vastgesteld (Rothman et al., 1995), maar sommige onderzoekers betwisten deze resultaten (Hartmann et al., 2005). Grote voorzichtigheid met hoge doses lijkt echter verstandig, te meer daar retinoïnezuur een goed bestudeerde morfogene factor is tijdens de foetale ontwikkeling (Galdones & Hales, 2008, Mark et al., 2009).

11.7 • Micronutriënten

387

. Figuur 11.11  Chemische isomeren van vitamine E. Vier van de acht vormen zijn getoond. De belangrijkste twee zijn alfa- en gamma-tocoferol.

Vitamine D

De structuur, de synthese, het metabolisme en de functies van vitamine D werden, samen met andere van cholesterol afgeleide stoffen, al besproken in 7  par. 8.5.3. Cholecalciferol (vitamine D3) ontstaat door UV-bestraling (zonlicht) van het 7-dehydrocholesterol dat aanwezig is in de huid. De belangrijkste voedingsbron is ergocalciferol (vitamine D2). Vitamine D1 is geen zuivere stof maar een mengsel. De activiteit van vitamine D wordt uitgedrukt in Internationale Eenheden (IE). Eén IE vitamine D is 0,025 µg cholecalciferol. De metabole activering van vitamine D tot de actieve stof, 1,25-dihydroxycholecalciferol (calcitriol) vereist een 25-hydroxylering in de lever en 1-hydroxylering in de nieren (7 par. 8.5.3). De dagelijkse aanbevolen dosis is (in tegenstelling tot die van vele andere essentiële voedingsstoffen) de laatste jaren onderwerp geweest van opwaartse herzieningen. De actuele aanbevolen dagdosis is 10 µg cholecalciferol tot de leeftijd van 10 jaar, daarna 10-15 µg voor mannen en tot 20 µg voor vrouwen. Deze dosis wordt bereikt door een combinatie van voedingsproducten (o.a. koemelk die is ‘verrijkt’ met vitamine D), een matige dosis zonlicht en een vitamine D-preparaat. Tekort aan vitamine D veroorzaakt Engelse ziekte (rachitis, rickets). De naam stamt uit de negentiende eeuw, toen kinderarbeid frequent was. Deze kinderen bleven voortdurend binnenshuis en kregen vaak onevenwichtige voeding. Het is een ziekte van het groeiende skelet. Symptomen zijn skeletafwijkingen, zoals gebogen benen en deformaties van de borstkas. Sinds koemelk kunstmatig met vitamine D wordt verrijkt komt deze ziekte niet meer in zijn ernstige vorm bij ons voor (nog wel in ontwikkelingslanden). Vitamine D-intoxicatie kan optreden bij langdurige excessieve inname. Gevolgen zijn vooral hypercalciëmie en, later, abnormale calcificaties (nierstenen). Daarom zijn de maximaal aanvaardbare doses 25 μg/dag bij kinderen (van 0 tot 10 jaar) en 50 μg/dag vanaf 11 jaar.

Vitamine E

Vitamine E is een mengsel van acht verschillende isomeren (alfa-, bèta-, gamma-, deltatocoferol en alfa-, bèta-, gamma-, delta-tocotriënol). Men neemt over het algemeen aan dat de belangrijkste actieve stof alfa-tocoferol is (. figuur 11.11). Vitamine E wordt dan ook uitgedrukt in alfa-tocoferolequivalenten (.  tabel  11.2). Sommige onderzoekers stellen echter dat gamma-tocoferol significante biologische effecten heeft die verschillen van die van alfa-tocoferol (Wagner et al., 2004).

11

388

Hoofdstuk 11 • Voeding

. Figuur 11.12  Twee chemische vormen van vitamine K. Vitamine K1 (fylloquinon) wordt gemaakt in planten, vitamine K2 (menaquinon) door bacteriën van bijvoorbeeld de darmflora. Aan weerszijden de foto’s van Dam en Doisy, die in 1943 voor de ontdekking van vitamine K de Nobelprijs voor Geneeskunde/Fysiologie kregen.

11

Vitamine E bezit een brede biologische werking: in membranen functioneert het als een antioxidant, vooral van meervoudig onverzadigde vetzuren. De behoefte aan vitamine E neemt daarom toe met de grootte van de inname van meervoudig onverzadigde vetzuren. Een belangrijke rol in de regulatie van de vitamine E-voorraad in het lichaam is toebedeeld aan het tocoferol-alfa-transferproteïne (TTPA), dat transport van lipoproteïnen naar membranen verzorgt. De dagelijks aanbevolen dosis bedraagt 15 mg alfa-tocoferol. Studies in de Verenigde Staten wijzen erop dat veel mensen minder innemen dan de dagelijkse behoefte en bovendien is het verschil in plasmaconcentraties tussen etnische groepen aanzienlijk (Ford et al., 2006). Een oorzaak van vitamine E-deficiëntie (samen met tekorten aan de andere vetoplosbare vitaminen) is lipidenmalabsorptie (steatorroe); neurologische stoornissen zijn het gevolg. Vitamine E komt voor in plantaardige oliën, volle granen, bladgroenten, eieren en melk. Er is discussie over de relatie tussen vitamine E-inname en het risico op kanker. Een meta-analyse die meer dan tien studies bevat (samen 100.000 kankerpatiënten), concludeert dat verhoogde inname van vitamine E geen bescherming biedt tegen het optreden van of het overlijden aan kanker (Bardia et al., 2008). Vitamine E-supplementen bij patiënten met reumatoïde artritis gaven geen verbetering van de ziekte (Karlson et al., 2008).

Vitamine K

De naam vitamine K is te danken aan de ontdekking dat deze stof bloedstollingsstoornissen (Duits: Koagulation) kon voorkomen bij proefdieren. De drie chemische vormen die de mens inneemt zijn vitamine K1 (fylloquinon), dat door planten wordt gemaakt (. figuur 11.12), vitamine K2 (menaquinon) van darmbacteriën en vitamine K3 (menadion), dat voorkomt in synthetische preparaten. Deze drie vormen hebben een gemeenschappelijke 2-methyl,-1,4naftoquinonstructuur en verschillen in de lengte van de isopreenarm (C20-30). Het vitamine K moet, voordat het werkzaam is, eerst enzymatisch worden geactiveerd door het vitamine-Kepoxide-reductase-enzymcomplex (VKORC1). Vitamine K is noodzakelijk voor de bloedstolling en voor de proteïnematrix van het bot. Het bewerkstelligt de vorming van gamma-carboxyglutamaat, een posttranslationele modificatie van een aantal bloedstollingseiwitten in de lever en van osteocalcine in het bot. Deze gewijzigde glutamaatresiduen dragen extra negatieve lading, wat belangrijk is voor het binden

11.7 • Micronutriënten

389

van Ca2+ aan een concentratie van negatieve ladingen op een fosfolipidenmembraan. Ten gevolge van vitamine K-deficiëntie ontstaan defecte stollingsfactoren, waardoor de stolling wordt verhinderd. Een tekort aan vitamine K treedt bij volwassenen normaal gesproken niet op, daar een deel van de fysiologische behoefte lokaal wordt aangemaakt door de darmflora in het colon. Bij patiënten met lipidenmalabsorptie of langdurige inname van antibiotica kan daarom vitamine K-deficiëntie optreden die zich manifesteert als een gestoorde bloedstolling. Pasgeborenen hebben nog geen darmflora ontwikkeld. Bovendien passeert vitamine K slecht door de placenta en dus zijn neonati gevoelig voor het ontwikkelen van een vitamine K-deficiëntie (hemorragische ziekte van de pasgeborene). De eenmalige inname van vitamine K bij alle pasgeborenen is een preventieve maatregel tegen dit ziektebeeld. Bij volwassenen ligt de dagelijks aanbevolen dosis tussen de 50-70 µg. Vitamine K is aanwezig in groenten, fruit, granen, vlees en zuivelproducten. Pioniers Dam en Doisy De ontdekking van vitamine K door Henrik Carl Peter Dam en Edward Adelbert Doisy (. figuur 11.2) is interessant. Dam ontdekte bij toeval rond 1930 een voedingsfactor die bij kippen een hemorragische diathese (bloedingsziekte) kon stoppen; eigenlijk was zijn intentie om het cholesterolmetabolisme te bestuderen. Bladgroenten en lever bevatten een vetoplosbare factor die verantwoordelijk was en deze factor kreeg de naam vitamine K. Doisy zuiverde in de opeenvolgende jaren vitamine K1 en bepaalde de chemische structuur. Vitamine K heeft een interessante werking buiten het domein van de bloedstolling (Booth, 2009). In het bot zorgt vitamine K voor een transitie van osteoblast naar osteocyt en een verhoogde synthese van matrixproteïnen; een deel van deze werkzaamheid is onafhankelijk van de eerder vermelde gamma-carboxylering van glutamaat (Atkins et al., 2009). Circulerende niet-gefosforyleerde osteocalcine is een maat voor de vitamine K-status en is ook gecorreleerd aan insulineresistentie (Shea et al., 2009), de secretie van het vetcelhormoon adiponectine (Confavreux et al., 2009) en de bèta-celmassa (Lee et al., 2007). Er bestaat dus een zeer interessant, maar onvolledig opgehelderd verband tussen de energiehuishouding in het lichaam en het botmetabolisme.

11.7.16 Wateroplosbare vitaminen

Vitamine B1

Vitamine B1 (thiamine) was de eerste chemisch gekarakteriseerde vitamine. Thiamine bevat een reactieve thiazolgroep (.  f