Ureum 'omhelst' deel watermoleculen in urine
Urine bestaat voornamelijk uit water met daarin opgelost ureum, een afbraakproduct van eiwitten. Ureum moet via de urine worden uitgescheiden omdat een hoge concentratie van ureum in water ertoe leidt dat enzymen hun functie verliezen (denatureren). Hoe dat precies werkt is niet bekend, maar onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam hebben onlangs ontdekt dat ureum een bijzondere wisselwerking heeft met water: een deel van de watermoleculen wordt geïmmobiliseerd doordat ureum deze moleculen krachtig 'omhelst'. De rest van het water wordt volstrekt ongemoeid gelaten door het ureum. De denaturerende werking van ureum op eiwitten is dan ook niet terug te voeren op een verstoring van het waternetwerk, maar op een directe wisselwerking tussen ureum en eiwitten. De onderzoekers publiceren hun resultaten deze week in het wetenschappelijke tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS).
Ureum is een afbraakproduct van eiwitten, dat voortdurend in grote hoeveelheden in ons lichaam wordt gevormd. Eiwitmoleculen bestaan uit lange ketens van aminozuren die, om biologisch actief te worden, moeten opvouwen tot een specifieke driedimensionale structuur. De interacties tussen het eiwit en water spelen hierbij een belangrijke rol. Bij een hoge concentratie ureum in water gaan eiwitten zich spontaan ontvouwen (denatureren). In biochemische laboratoria wordt hier al decennia lang dankbaar gebruik van gemaakt, maar in het menselijk lichaam is het ontvouwen van eiwitten desastreus. Het eiwit verliest dan namelijk zijn functie. Het is essentieel het ureum via de urine uit het lichaam te verwijderen.
Beweeglijkheid van water in ureumoplossingen
Het mechanisme waarmee ureum eiwitten denatureert is onbekend. Onderzoekers dachten tot nu toe, dat ureum het door waterstofbruggen bij elkaar gehouden netwerk van watermoleculen (zoals dat in puur water wordt aangetroffen) verstoort. Door deze verstoring zou de wisselwerking tussen het water en het eiwit veranderen wat vervolgens tot het ontvouwen van het eiwit leidt. Yves Rezus en Huib Bakker van AMOLF bestudeerden de invloed van ureum op water met ultrasnelle lasertechnieken. Ze keken daarbij naar de starheid van het waternetwerk als functie van de ureumconcentratie.
Een goede maat voor de starheid van het waternetwerk is de beweeglijkheid (reoriëntatie) van de watermoleculen: in een star netwerk kan een watermolecuul minder makkelijk bewegen dan in een flexibel netwerk.
Zwaar water
Om de reoriëntatie van watermoleculen in ureumoplossingen te kunnen bestuderen, voegden de onderzoekers een kleine hoeveelheid zwaar water (D2O) toe aan de ureumoplossingen. Zo ontstonden HDO moleculen (dat wil zeggen watermoleculen met één normaal waterstofatoom (H) en een zwaar waterstofatoom (D)) waarvan de reoriëntatie met behulp van ultrasnelle mid-infrarood spectroscopie bepaald kon worden. In het experiment worden de ureumoplossingen beschenen met mid-infrarood pulsen van 100 femtoseconde (1 femtoseconde = 10-15 s), met een golflengte van 4 micrometer. De absorptie van de lichtpuls leidt tot een trilling van het D-atoom. Met een tweede, iets vertraagde lichtpuls wordt vervolgens gekeken over welke hoek de trillende OD-groep gedraaid is in de tijd tussen de twee lichtpulsen. Door de tijd tussen de twee lichtpulsen te variëren kan men de draaiing van de moleculen real-time volgen.
Verrassend gedrag
Rezus en Bakker ontdekten dat het grootste deel van de watermoleculen geen enkele invloed van het ureum ondervindt en even snel als in zuiver water reoriënteert. Tot hun grote verrassing geldt dit zelfs voor zeer hoge ureumconcentraties, waar alle watermoleculen in direct contact staan met tenminste één ureummolecuul. Het is alsof de afzonderlijke watermoleculen niet weten of ze zich in zuiver water bevinden of in een geconcentreerde ureumoplossing. Een klein deel van de watermoleculen bleek zich echter volstrekt anders te gedragen. Deze moleculen werden geïmmobiliseerd door het ureum, wat zich uitte in een uiterst trage reoriëntatie. De onderzoekers konden afleiden dat ieder ureummolecuul ongeveer één watermolecuul immobiliseert. Hieruit concluderen ze dat het geïmmobiliseerde watermolecuul op een bijzondere manier gebonden is aan ureum. Ureum houdt het watermolecuul met 2 waterstofbruggen stevig vast waardoor het niet meer kan draaien (figuur 1).
Directe wisselwerking tussen ureum en eiwitten
De resultaten van dit onderzoek tonen aan dat ureum het waternetwerk helemaal niet verstoort en dat de denaturerende werking van ureum op eiwitten daar dus niet op terug te voeren is. De onderzoekers concluderen dat er directe wisselwerkingen moeten bestaan tussen ureum en eiwitten die ertoe leiden dat eiwitten ontvouwen. Hierbij valt op te merken dat het ureummolecuul dezelfde N-C=O ruggengraat heeft als de aminozuren die de bouwstenen vormen van eiwitten. Het is dus heel goed mogelijk dat ureum bepaalde aminozuren op een soortgelijke manier in een houdgreep kan nemen als het met een watermolecuul doet.
Het artikel is getiteld: 'The effect of urea on the structural dynamics of water' Het is online verschenen in Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), 21/11/2006 (10.1073/pnas.0606538103).
De auteurs zijn: Yves Rezus en Huib Bakker.
Meer informatie: Yves Rezus, FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica, tel.: (020) 608 12 50 of (020) 608 12 34.