nobelprijs-2003-ionkanalen

DE NOBELPRIJS VOOR
SCHEIKUNDE 2003
toegekend “voor ontdekkingen betreffende kanalen in celmembranen”. De helft van de prijs is
voor Peter Agre “voor de ontdekking van waterkanalen”; de andere helft gaat naar Roderick
MacKinnon “voor structurele en mechanistische studies van ionenkanalen”.
De geheimen van
celkanalen ontsluierd
Zout en water spelen een belangrijke rol in de chemie
van het leven. Het leven op aarde en ook onze eigen
levens ontstonden in zout water - in de oceanen en
in de baarmoeder. Toch begrijpen we
pas sinds kort hoe watermoleculen
en zoutionen de cel in en uit kunnen,
door de celmembraan heen.
De cel heeft contact
met de buitenwereld
Waterkanalen:
de cel is zo lek als een vergiet
Het membraan, de wand die een cel afschermt
van zijn omgeving, is geen ondoordringbare
schil. Verschillende soorten kanalen priemen
er doorheen. Ze bestaan uit eiwitten, ieder
met hun eigen functie.
PH OTO : K EI T H WEL L ER
Hoe kan water eigenlijk het celmembraan passeren? Meer dan honderd jaar moesten wetenschappers het antwoord op die vraag schuldig
blijven. Uiteindelijk wist Peter Agre het geheim te
ontsluieren. Door een gelukkig toeval ontdekte hij
het eiwit dat nodig is om water de cel in en uit
te loodsen. Hij had het ongrijpbare waterkanaal
gevonden!
Buiten het kanaal zijn
de ionen omringd door
watermoleculen
In 1998 stelde Roderick MacKinnon voor de eerste keer bij hoge resolutie de structuur van een
ionenkanaal vast. Als zo vaak in de biochemie hangen vorm en functie zeer nauw samen, dus toen
hij het eiwit op een atomair niveau kon bekijken,
realiseerde hij zich hoe het functioneerde.
Roderick MacKinnon
Roderick MacKinnon is hoogleraar
Moleculaire Neurobiologie en Biofysica bij
The Rockefeller University in New York, V.S.
Alleen de kaliumionen
kunnen er door
Peter Agre
Peter Agre is hoogleraar Biologische
Chemie en hoogleraar Geneeskunde bij
Johns Hopkins School of Medicine in
Baltimore, V.S.
Ionenkanaal
Het beslissende experiment
Stop de protonen !
3 min
Hoe kan het kanaal wel kaliumionen doorlaten, maar niet - bijvoorbeeld - natriumionen?
De zuurstofatomen in het ionenfilter vormen
een omgeving die een nauwkeurige kopie is van
de omgeving van kaliumionen buiten het filter,
waar deze omringd zijn door watermoleculen.
Daardoor kan een kaliumion gemakkelijk uit zijn
‘waterjas’ glippen en het filter zonder noemenswaardige weerstand passeren.
Het beslissende experiment van Peter
Agre toonde aan dat alleen cellen met
aquaporine (rechts in beeld) water
kunnen absorberen en opzwellen.
Waterkanaal
+
= Na
Urine
wereld
Aquaporines
in de celmembranen
Van ‘t Hoff ontvangt de Nobelprijs
voor Scheikunde voor zijn werk aan
chemische thermodynamica en osmotische
druk.
further reading
1909
Ostwald ontvangt de Nobelprijs
voor Scheikunde. Al in 1890 suggereerde hij dat de elektrische signalen gemeten
in levend weefsel het gevolg konden zijn van
ionenstromen door celmembranen.
Ionenkanalen spelen een belangrijke
rol in het functioneren van zenuwcellen. Wanneer bijvoorbeeld een signaal van de hersenen naar de spieren
wordt doorgegeven, dan heeft dat
alles te maken met wisselwerkingen
van chemische signalen en ionenstromen in zenuwcellen. Op de foto is een
zenuwcel te zien.
Bloed
Eerdere Nobelprijswinna ars die van groot bel ang waren bij de ont wikkeling die tot de prijs van dit ja ar leidde :
1901
+
Een natriumion, dat veel kleiner is dan een
kaliumion, trekt watermoleculen veel dichter
naar zich toe. Het is te klein om comfortabel
tussen de zuurstofatomen in het ionenfilter te
passen. Daarom blijven natriumionen in het
water aan de buitenkant van het kanaal.
De meest efficiënte rec yclingfabriek ter
In een etmaal produceert de menselijke nier ongeveer
170 liter primaire urine. Gelukkig wordt het grootste deel
hiervan dankzij een serie listige mechanismen teruggewonnen.Uiteindelijk verlaat niet meer dan ongeveer één
liter urine het lichaam. Het recyclingsysteem bestaat
voornamelijk uit aquaporines - tientallen miljarden in een
enkele nier.
=K
PH OTO : SPL / I B L
Voor het functioneren van een cel is het
cruciaal dat het pH-verschil tussen de binnen- en de buitenkant constant blijft. Het
lekken van protonen door het celmembraan
zou rampzalig zijn. Daarom weigert een
waterkanaal positief geladen ionen zoals
protonen door te laten, terwijl watermoleculen zich er zonder moeite
doorheen kunnen wurmen.
PH OTO : PE T ER AGRE
In 1992 voerde Peter Agre
een elegant experiment uit
waarbij hij een membraaneiwit met de naam CHIP28
introduceerde in kikker
oocyten (eicellen). Toen hij
0 min
de cellen in water legde,
bleken ze binnen een paar
minuten op te zwellen. Bij cellen zonder
het eiwit gebeurde niets. Het was zonneklaar dat een cel CHIP28 nodig had om
water binnen te laten - het eerste waterkanaal was ontdekt. Agre gaf het eiwit
een nieuwe naam: aquaporine. Acht jaar
later presenteerde hij samen met andere
onderzoeksgroepen de eerste hoogresolutie beelden van de driedimensionale
structuur van dit eiwit.
Ionenkanalen:
minuscule moleculaire
machines
PH OTO : A RN O L D A D L ER / T H E RO CK EFEL L ER U N I V ER SI T Y
De Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen heeft de Nobelprijs voor Scheikunde 2003
1963
Eccles, Hodgkin en Huxley ontvangen de Nobelprijs voor Fysiologie
of Geneeskunde voor hun ontdekkingen van
ionenmechanismen in celmembranen.
1991
Toekenning van de Nobelprijs voor
Fysiologie of Geneeskunde aan Neher
en Sakmann voor hun ontdekkingen omtrent
de functie van enkelvoudige ionenkanalen in
cellen.
1997
De Nobelprijs voor Scheikunde
wordt toegekend aan Boyer en Walker voor de verklaring van de functie van het
membraaneiwit dat ATP produceert; en aan
Skou voor zijn ontdekking van de natriumkalium pomp.
 Information on the Nobel Prize in Chemistry 2003: www.nobel.se WATER CHANNELS: Appearance of water channels in Xenopus oocytes expressing red cell
p. 72-78  ION CHANNELS: The structure of the potassium channel: Molecular basis of K+ conduction and selectivity by D. A. Doyle, J.M. Cabral, R.A. Pfuetzner, A. Kuo, J.M. Gulbis, S.L. Cohen,
Vertaling: Harm Ikink, Quintessens kenniscommunicatie, Amersfoort
2003
Agre en MacKinnon krijgen de
Nobelprijs voor Scheikunde van dit
jaar voor ontdekkingen omtrent kanalen in het
celmembraan.
Drukken en distributie
gesponsord door
CHIP28 protein by G.M. Preston, T.P. Carroll, W.B. Guggino, and P. Agre, Science 256 (1992), p. 385-387  Molecular Mechanisms for Human Diseases by P. Agre and D. Kozono, FEBS Lett. 555 (2003),
B.T. Chait and R. MacKinnon, Science 280 (1998), p. 69-77  Potassium Channels by R. MacKinnon, FEBS Lett. 555 (2003), p. 62-65
Cellen seinen met zout!
www.kva.se
Terwijl je deze korte tekst leest gaan enorme
hoeveelheden ionenkanalen in je hersenen
open en dicht; in de orde van grootte van
1.000.000.000.000.000 (1015). De hoeveelheid ionen die in deze tijd door de kanalen
bewegen, correspondeert met een snufje
zout. Je vraagt je af hoeveel zout er nodig is
voor een goed boek…
Editors: Gunnar von Heijne, member of the Nobel Committee for
© The Royal Swedish Academy of Sciences,
Chemistry and Eva Krutmeijer and Malin Lindgren, Information
Phone: +46 8 673 95 00, Fax: +46 8 15 56 70
Department, The Royal Swedish Academy of Sciences.
E-mail: [email protected], www.kva.se
Chemistry, Bengt Nordén, chairman of the Nobel Committee for
Layout and Illustrations: Typoform Printing: Tryckindustri 2003
P.O. Box 50005, SE-104 05 Stockholm, Sweden