Metabolisme

PROLOOG
Mijnheer de Rector Magnificus, dames en heren
Mijn leeropdracht luidt “erfelijke variëteit van het metabolisme”, waarom dan mijn
oratie de titel “metabolisme: de kern” meegeven? De leeropdracht lijkt de celkern met
daarin het erfelijke materiaal, DNA, de genetische code, centraal te stellen, alsof de
genetische code het metabolisme stuurt en controleert. Ik wil u in mijn oratie
overtuigen dat het metabolisme de kern is, waar alles om draait en waar alles begint
en waar alles eindigt.
1 INLEIDING
is er nog hoop voor het hoorcollege?
Een oratie is een openbaar hoorcollege. Is dit nog wel een geschikte vorm om kennis
te overdragen? Is er nog hoop voor het hoorcollege? Velen van mijn collega’s
beschouwen het als achterhaald. De Nijmeegse hoogleraar Derksen is er zelfs een
landelijke campagne tegen begonnen. Maar de vraag rijst; is een hoorcollege wel
bedoeld om alleen maar kennis over te dragen?
Ik denk van niet.
Ik denk dat het theater is!
Tijdens mijn colleges over het energie metabolisme bij de mens, hoe vaag kun je het
hebben, voor eerstejaars geneeskunde studenten heb ik gemerkt dat er veel meer
speelt. Je probeert ook het plezier over te brengen; je probeert ook een gids te zijn
voor studenten om te laten zien hoe gortdroge boekenkennis tot leven kan worden
gebracht. Je hoopt dat op een moment het luikje open gaat en de student het gevoel
krijgt: ik begrijp het. Dat betekent niet dat ik nu een demonstratie zal geven van het
metabolisme, dat u mij hier zult zien slingeren. Maar …… met een toga aan, stil staan
achter dit katheter, zonder interactie met de zaal, oplezen van papier …… het is wel
heel erg het andere uiterste. Dus zet u schrap, het wordt helaas wat taai en saai.
2 METABOLISME: DE KERN
Ik wil in mijn oratie de volgende vragen te beantwoorden:
1) Wat is het metabolisme
1. wat doet het?
2. hoe werkt het?
2) Wat zijn mijn plannen?
Maar eerst een korte uitwijding over het woord “metabolisme”. Wat betekent dat
woord eigenlijk. Het meest makkelijke is te rade gaan bij Wikipedia, de onvolprezen
bron voor antwoorden op dit soort vragen. “Metabolisme” blijkt een duur woord te zijn
voor “stofwisseling”. Het woord komt uit het Grieks en betekent “omzetting”. Dus
wanneer ik zeg “metabolisme” bedoel ik “stofwisseling” en betekent het “omzetting”.
Hoe moeilijk kun je eenvoudige dingen maken.
WAT IS METABOLISME?
wat doet het metabolisme?
Laat ik beginnen met een eenvoudige waarneming. Wij eten dagelijks en wij eten
veel, soms teveel. Wij eten hamburgers, een patatje met, kroketten, aardappelen
vlees en groenten en allerlei lekkere toetjes. Al dat heerlijke eten wordt verteerd in het
maagdarm kanaal. Een stortvloed aan voedingstoffen komt op ons metabolisme af en
dat moet er wat mee doen.
Nadat de maaltijd verteerd is, na het “uitbuiken”, moet het metabolisme zich weer
geheel omvormen om zich aan te passen, nu aan het gebrek aan voedingstoffen.
Deze heftige wisselingen in aanbod eisen een grote mate van flexibiliteit. Zoals u
daar zit en ik hier sta, gaat het meestal goed, maar soms gaat het niet goed of gaat
het helemaal niet goed.
Dames en heren, hier doemt er een probleem op! De voedingsstoffen in deze
hamburger houden geen boordjes omhoog waarop te lezen staat hoe ze moeten
3 worden afgebroken en hoe ze moeten worden omgezet en welke enzymen daarvoor
nodig zijn en welke genen actief moeten worden. Het metabolisme moet dat zelf
uitmaken op basis van wat zij krijgt. Er is geen andere bron van informatie.
Het metabolisme moet 3 taken optimaliseren.
1. Wij verbranden voedingstoffen, om er energie uit op te
wekken. Dit is van groot belang omdat spierarbeid,
onderhoud en alle biosynthetische reacties energie kosten.
2. Naast energie is biosynthese van celonderdelen essentieel.
Voor onderhoud zijn bouwstoffen nodig om slijtage te
herstellen. Deze bouwstoffen zijn ook nodig om te groeien.
3. Tenslotte moet het metabolisme ook voorraden aanleggen.
Zolang er voeding is, kan er zonder problemen voldaan
worden aan de eerste 2 eisen. Maar, wanneer alle voeding
verteerd is dan zijn energie en bouwstoffen nog steeds
noodzakelijk. Vandaar dat er ook voorraden moeten worden
aangelegd.
Dus het antwoord op onze vraag, wat doet het metabolisme, is: zorgen voor energie,
biosynthese en opslag.
4 hoe werkt het metabolisme?
Nu wij dit weten, kunnen wij onze tweede vraag gaan beantwoorden: hoe werkt het
metabolisme?
Daarvoor beginnen wij met de metabole kaart, het overzicht van de chemische
mallemolen in de cel. Elk streepje is een reactie en elk bolletje is een metaboliet, een
tussenproduct.
Maar voor ik verder ga, wil ik u een idee geven wat een enzymreactie is. Ik zal dit
proberen duidelijk te maken aan de hand van dit diagram. Alcohol, het blauwe
tekentje, wordt in ons lichaam omgezet in aceetaldehyde het bruine tekentje, door het
enzym alcohol dehydrogenase, het grijze vlakje met de letter “E” van enzym. Teveel
aan aceetaldehyde geeft hoofdpijn en de volgende ochtend een kater. Alcohol, het
substraat, hecht zich aan het enzym, dat daarop een beetje van vorm verandert. Dan
volgt de omzetting tot aceetaldehyde, het hoofdpijn product. Tenslotte laat het
product los om naar het volgende enzym te gaan, net zolang tot er water en CO2
overblijft. Zo ontstaat er een reactiepad voor de afbraak van alcohol.
Uit dit diagram komt nog iets naar voren. Enzymen hebben geen vaste, starre vorm.
Ze “ademen” als het ware. In de ene toestand binden ze het substraat, en na de
omzetting laat het product los. Op vele manieren kan de vorm beïnvloed worden en ik
5 zal in de loop van mijn betoog daarop terugkomen. Vorm veranderingen zijn van
groot belang voor de snelheid van enzymatische omzettingen.
Terug naar de kaart, de oude kaart. De nieuwe, met de naam “Recon 2”, is zo groot
dat je een metabole TomTom nodig hebt om te navigeren. De laatste dagen was dit
een “hot item”, overal werd “de kaart” besproken. In de Volkskrant, de NRC, bij Pauw
en Witteman en bij De Wereld Draait Door, overal werd ruim aandacht besteed aan
deze “grootse prestatie van de wetenschap”. Om enige getallen te noemen. In de
nieuwe kaart zijn 7500 reacties opgenomen, de streepjes, met 3000 unieke
metabolieten, tussenproducten, de bolletjes. Verder is voor de verschillende
celonderdelen aangegeven welke enzymen en tussenproducten waar voorkomen.
Maar …… wat geeft die kaart eigenlijk weer? Laten wij voor even de euforie aan ons
voorbij gaan. De kaart geeft alle reactiepaden weer zonder dat duidelijk is hoe
belangrijk deze paden zijn voor het metabolisme. Het is alsof wij een wegenkaart van
Nederland hebben, maar de ANWB heeft nog niet aan kunnen geven of het een
autoweg is of een modderig zandpad. Je kunt de metabole TomTom vragen wat de
meest optimale manier is om energie, biosynthese en voorraad met elkaar te
combineren, wanneer tijd geen rol speelt. Alsof wij oneindig lang kunnen wachten.
Maar die tijd krijgt het metabolisme niet. Je kunt de metabole TomTom niet vragen
om de SNELSTE route te geven om deze 3 taken te optimaliseren. Daarvoor
ontbreekt informatie. Wat mist in deze kaart is de dynamica, de meet- en
regeltechniek.
6 Ik heb de essentie van de kaart in 2 delen uit elkaar gehaald. In het hart van het
diagram heb ik de metabole processen geplaatst, de streepjes in de kaart.
Daaromheen een ring met de metabolieten, de bolletjes. Niet alleen voor het gemak
heb ik deze scheiding aangebracht, het geeft mij de mogelijkheid de rol van
metabolieten beter te belichten.
Allereerst voor het effect van voeding. De stortvloed van voedingsstoffen oefent als
eerste zijn effect uit in de ring van metabolieten. Van links naar rechts heb ik de
koolhydraten, vetten en eiwitten in onze voeding aangegeven. Deze worden in het
maagdarm kanaal afgebroken tot hun samenstellende delen zoals bijvoorbeeld
glucose bij koolhydraten, vetzuren bij vetten, en aminozuren bij eiwitten. Allemaal zijn
dat metabolieten. Daar vinden dus ook de meest heftige schommelingen plaats. De
metabole processen moeten zich nu gaan aanpassen. En nu gaat het mis met onze
metabole TomTom, want wij missen dynamische informatie. De kaart is statisch. Hoe
snel de reacties verlopen, welk mogelijkheden er zijn om de “turbo” aan of uit te
zetten of zelfs extra capaciteit te krijgen, zoals in het verkeer wanneer een
vluchtstrook als rijbaan wordt bij geschakeld, allemaal vragen waarop onze metabole
TomTom geen antwoord geeft.
Waar zit die informatie? Om te meten en te regelen moeten er signalen zijn, die
vertaald kunnen worden in acties. Essentieel voor dit onderdeel van het metabolisme
is dat metabolieten niet alleen functioneren als tussenproducten, maar ook als
7 signalen over de toestand van het metabolisme. De veranderingen in de hoeveelheid
tussenproduct is de informatie over hoe dit geproduceerd en geconsumeerd wordt.
Er zijn in principe 3 niveaus van regulering:
1. via de enzymen zelf
2. via eiwit modificatie en
3. via transcriptie factoren.
Laten wij eerst onze aandacht richten op de metabolieten zelf. Ik heb u eerder
gezegd dat enzymen “ademen”. En dat dit zeer belangrijk is om de reactiesnelheid te
beïnvloeden. Deze kleine vorm veranderingen kunnen het gevolg zijn van binding van
het substraat zoals wij dat gezien hebben bij alcohol dehydrogenase. Maar niet alleen
het substraat, maar ook andere metabolieten die niet deelnemen aan de reactie
kunnen effect hebben op de vorm van enzymen. Daarmee beïnvloeden zij de
reactiesnelheid.
Bijvoorbeeld, een eindproduct van een metabool reactiepad kan de beginreactie
remmen. Waarom nog meer maken, wanneer er al teveel eindproduct gevormd is?
Beschouw deze zeer directe regulering als een soort van “filemelding”. De metabole
weg kan tijdelijk eindigen in een “flessenhals” door de voeding en het beginsubstraat
moet een andere metabole route volgen.
Dit mechanisme werd vooral bestudeerd in de jaren voor de opkomst van de
moleculaire biologie. Daarna volgde er een ijstijd met vele “gure” jaren die nog steeds
niet geheel ontdooid is. Het leek even vergeten, maar deze benadering is aan een
tweede jeugd begonnen. Op het ogenblik is er zelfs sprake van een ware metabole
“hype” vooral in het kanker onderzoek. Sterker nog, er zijn chronische afwijkingen in
het metabolisme en erfelijke metabole ziekten die direct aanleiding zijn tot tumor
vorming.
8 Laten wij nu onze aandacht richten op “eiwit modificatie”. Enzymen zijn eiwitten. Ik
heb u al eerder verteld dat enzymen en dus eiwitten “ademen”. Vorm veranderingen
kunnen niet alleen veroorzaakt worden, wanneer substraten of metabolieten zich
hechten aan enzymen, maar kunnen ook beïnvloed worden door er groepen aan vast
te binden. Deze groepen zijn afgeleid van metabolieten, daarom dat kleine rode pijltje
naar het blok “eiwit modificatie”. Hiervoor wordt een heel scala aan speciale enzymen
gebruikt, die helemaal geen rol hebben in de omzetting van metabolieten. Deze
speciale enzymen zijn ook eiwitten en kunnen dus ook gemodificeerd worden,
modificatie van de eiwit modificatie. Wat is het gevolg van dit proces?
Eiwitmodificaties kunnen enzymen in de “turbo” stand zetten. Maar ze kunnen ook
paden deels afsluiten om er voor te zorgen dat alleen die reactiepaden actief zijn die
nodig zijn of om er voor te zorgen dat er een zekere mate van balans in het systeem
aanwezig blijft.
Maar dat is niet genoeg. Wanneer we nog even aan de wegenkaart van Nederland
denken, soms moet er een vluchtstrook als rijbaan bij geschakeld worden om extra
capaciteit te krijgen. Voor het metabolisme betekent dit dat er meer enzym moet
komen. Dit brengt mij tenslotte bij de “transcriptie factoren”. Het maken van extra
enzym begint bij activatie van transcriptie factoren door specifieke metabolieten,
vandaar dat het rode pijltje naar het desbetreffende blok. Na activatie, hechten ze aan
het DNA precies op de plaats met het gen of de genen voor het specifieke enzym of
enzymen en starten ze het aflezen van de genetische code, weergegeven met het
9 kleine rode pijltje naar de buitenste ring. Transcriptie factoren zijn ook eiwitten en
kunnen in hun activiteit gemodificeerd worden, aangegeven door het rode pijltje
tussen de 2 paarsblauwe blokken. Dit maakt ze gevoeliger of ongevoeliger voor hun
specifieke metaboliet.
Het regulerend systeem is nog een paar stapjes ingewikkelder. Ik wil er nog 1
bespreken. Wij hebben eerder eiwit modificatie besproken. Nu blijkt dat het DNA in de
celkern voorkomt als een eiwit-DNA complex. De eiwitten in dit complex, histonen
geheten, zijn essentieel voor een dichte pakking van DNA in de celkern. Het nadeel is
dat er niets meer kan worden afgelezen. Door nu deze histon-eiwitten te modificeren
met tussenproducten van het metabolisme, ontvouwt het DNA en kan het worden
afgelezen. Dit wordt ook wel epi-genetica genoemd. Transcriptie factoren en histon
modificaties brengen als het ware de wens van het metabolisme over op de
genetische code.
Hoe ziet nu de rol van de genetische code eruit, in het geheel van het metabolisme.
Ik hoop dat het u duidelijk is dat het geactiveerd moet worden. Het is het passieve
element in het verhaal. Dus de verhalen die beginnen bij de genetische code
vergeten even de aanleiding waarom die actief wordt en actief blijft. Het is mijn
overtuiging dat de schommelingen in de hoeveelheden van metabolieten via
transcriptie factoren en eiwit modificatie het genoom aanzetten tot actie, of beter
gezegd reactie.
10 En wat komt er dan uit? Dat moet het metabolisme maar afwachten. De celkern werkt
eigenlijk als een soort wensput. Bijna altijd komen er een goed werkend eiwitten uit.
Daarnaast kunnen ook extra transcriptie factoren of eiwit modificerende enzymen
aangemaakt worden. Alles kan, maar de start ligt in het metabolisme.
Maar soms krijgt het metabolisme iets dat helemaal niet werkt. De wensput verandert
in een beerput. Er is sprake van een erfelijke metabole ziekte. Soms is het product
teleurstellend, het is, laat ik zeggen “gammel”, het werkt wel, maar niet goed. Dan is
er sprake van erfelijke variëteit. Dit laatste komt vaker voor dan u zich realiseert. Wij
denken dat de genetische code voor ons allemaal hetzelfde is. Maar …… tussen
ieder van ons verschilt die op miljoenen plaatsen, een soort “rafelrand” van de natuur.
En dat is niet zonder consequenties voor het metabolisme. Er is dus het een en ander
aan erfelijke variëteit te verwachten. Het metabolisme moet het integreren. Toch gaat
het bijna altijd goed. Het systeem blijkt dus zeer robuust te zijn.
Laten wij het voorafgaande eens recapituleren!
Ik wilde voor u de vraag beantwoorden hoe het metabolisme werkt om uit voeding, …
energie, biosynthese en voorraden te maken. Metabolieten staan centraal. Daar
grijpen voedingsstoffen aan. Metabole processen passen zich aan. Dit is mogelijk,
omdat metabolieten ook signalen zijn over de toestand van het metabolisme. Via
transcriptie factoren geven ze signalen door aan het genoom. Wij hebben gezien dat
het genoom daarop antwoordt. Bijna altijd gaat het goed, maar soms worden er
11 “gammele” producten afgegeven. Dat leidt tot veranderingen in metabole processen,
die zich weerspiegelen in veranderingen in het patroon van metabolieten, die weer
veranderingen geven in signalering, die weer……enzovoort, enzovoort. Zo komt de
erfelijke variëteit van het metabolisme tot stand.
12 WAT GAAN WIJ DOEN?
Wat gaan wij doen om die erfelijke variëteit te bestuderen?
Wij zouden de veranderingen in het metabolietenpatroon kunnen gebruiken om na te
gaan wat er misgaat in het metabolisme. Samen met de nieuwe kaart zou ons dat de
mogelijkheid bieden om het effect van erfelijke variëteit te bestuderen.
Dat patroon kunnen wij meten. Deze benadering heet “metabolomics”. Deze tak van
wetenschap probeert zoveel mogelijk metabolieten te meten onder verschillende
omstandigheden om daaruit conclusies te trekken hoe processen verlopen. Deze
benadering wil ik de komende jaren in ons laboratorium tot ontwikkeling brengen. Om
het u iets duidelijker te maken wil ik weer mijn toevlucht nemen tot de wegenkaart van
Nederland. Stel u zich eens voor: u overziet de wegenkaart van Nederland met alleen
maar streepjes en bolletjes en u noteert waar, op een bepaald moment, alle auto’s
zijn. U zoekt alle informatie op die u kunt krijgen over het aantal, de identiteit en de
plaats van de auto’s. Dan gaat u rekenen, heel veel rekenen en uiteindelijk kunt u een
inschatting maken hoe het wegennet van Nederland gebruikt wordt, welke van de
streepjes zich lijken te gedragen als snelwegen en welke als modderige zandpaden.
Twee problemen moeten dan opgelost worden. Er moet gemeten worden en er moet
gerekend. Dit is een giga-klus. Het metabolisme bevat 3000 unieke metabolieten in
7500 reacties. Het succes van deze benadering hangt af van de mogelijkheid zoveel
mogelijk
metabolieten
te
meten.
Massaspectrometrie
samen
met
vloeistofchromatografie is op het ogenblik de meest krachtige en snelle benadering
om de hoeveelheid en identiteit van metabolieten te bepalen. Maar …… duizenden
metabolieten; zo krachtig is het huidig instrumentarium nog niet. Het wordt wel steeds
beter en de mogelijkheden worden steeds uitgebreider. In ons laboratorium zal zeer
spoedig zo’n high-end instrument geplaatst worden bestaande uit een quadrupool
time-of-flight
massaspectrometer
met
ion
mobility
gekoppeld
aan
vloeistofchromatografie om een zo hoog mogelijk oplossend vermogen te krijgen.
Naast analytisch-chemische technieken zijn de complexe wiskundige bewerkingen
van de analyse resultaten van even groot belang. De samenwerkingen met het
Netherlands Metobolomic Center in Leiden en met de afdeling Analytische Biochemie
13 van onze universiteit zullen in deze benadering van het metabolisme een zeer
belangrijke rol spelen.
“Metabolomics” gaan wij combineren met analyses van het genoom, “genomics”,
zodat wij niet alleen de effecten meten maar ook de erfelijke variëteit. Naast de
normale genetische code krijgen wij ook informatie over de delen die “gammele”
producten afleveren. Samen hebben wij dus informatie over de kwaliteit van de
enzymen, de metabolieten en de metabole kaart.
Ik wil 1 project noemen, waarin wij deze combinatie van metabolomics, genomics en
de metabole kaart zullen gebruiken. In de afdeling Metabole Ziekten van het Beatrix
Kinderziekenhuis van het UMCG zien wij regelmatig kinderen die slecht zonder
voeding kunnen, gedurende langere tijd. Die worden dan ziek door een te lage
glucose concentratie in bloed. Wanneer dat niet bijtijds wordt onderkend, dan kan er
een levensbedreigende situatie ontstaan. Wanneer wij proberen er achter te komen
wat het kind heeft, met onze huidige laboratorium technieken, dan vinden wij zeer
regelmatig geen oorzaak. Wij vinden geen aanwijzingen voor een erfelijke metabole
ziekte bij deze kinderen; wij vinden geen hormonale aandoening. Maar wat is er dan
wel aan de hand? Daar willen wij deze technieken inzetten. Een van de metabole
kinderartsen zal leiding geven aan het project: Idiopathische Ketotische
Hypoglycemie. De vraag is welke grote en kleine fouten in de genetische code van
enzymen en regulerende eiwitten in het energie metabolisme deze aandoening
teweegbrengen. In dit project werken wij nauw samen met de afdeling Medische
Genetica.
14 Het nadeel van deze “-omics” methode is dat veranderde metaboliet patronen
GEASSOCIEERD worden met genetische foutjes. Maar zijn dit dan de foutjes die van
belang zijn. Wij hebben toch miljoenen foutjes in ons DNA. En we weten ook niet
HOE die genetische foutjes het veranderde metabolietenpatroon teweeg brengen.
Vandaar dat wij in het verlengde van “-omics” benadering het metabolisme GERICHT
moeten bestuderen eigenlijk voor elk van de foutjes die geassocieerd is met de
metaboliet afwijking. Dat is een majeure klus. Hier speelt de metabole kaart een grote
rol om een intelligente keuze te maken welke van de foutjes als eerste en welke als
laatste moet worden bestudeerd. Dit soort experimenten kunnen in muizen uitgevoerd
worden maar soms ook in cellen waarin wij de foutjes op kunstmatige manier in het
genoom inbrengen. In deze studies maken wij gebruik van metabolieten gemerkt met
stabiele isotopen van waterstof, koolstof en stikstof. U kunt deze stabiele isotopen
opvatten als vlaggetjes. Zij maken het metaboliet alleen maar zwaarder, zonder de
chemische eigenschappen te veranderen. Zij nemen gewoon deel aan het
metabolisme, zonder het te verstoren, precies wat we nodig hebben. We kunnen de
isotopen volgen door de massa te meten van de metabolieten waarin ze worden
ingebouwd. Dat doen wij met massaspectrometrie. De afgelopen jaren heb ik met
mijn groep op deze manier uitgebreid onderzoek gedaan naar het glucose en vet
metabolisme. Samen met de afdeling Metabole Ziekten van het Beatrix
Kinderziekenhuis doen wij onderzoek naar defecten in vetzuuroxidatie en in de
mobilisatie van glucose uit de voorraad glycogeen. Dat laatste doen wij in
samenwerking met een Franse groep in Lyon. Net als bij “metabolomics” zijn ook hier
wiskundige modellen van het metabolisme belangrijk. In ons laboratorium hebben wij
de laatste jaren een krachtige onderzoeksgroep gekregen rond “systems biology”. De
samenwerking is zeer stimulerend en met vertrouwen zie ik de toekomst tegemoet
om met hen de isotoop data op de metabole kaart te projecteren. Deze combinatie
van experiment en model zal duidelijk maken welke reactiepaden in het verstoorde
metabolisme belangrijk zijn geworden, en hoe ze van elkaar afhankelijk zijn.
15 RESUME
Ik kom aan het einde van mijn betoog.
Wat hebben we geleerd? Het metabolisme wordtaan heftige schommelingen
blootgesteld. Soms is er iets, soms is er niets. Om dat in goede banen te leiden wordt
er uitgebreid gemeten en geregeld. Metabolieten activeren dat netwerk. Meestal gaat
het goed, maar soms gaat het mis. Er is sprake van erfelijke variëteit.
Wat gaan wij doen? Wij gaan het metabolisme bestuderen met een “-omics”
benadering, met metabolomics en genomics.
16 Hieruit komen associaties, maar zijn dat ook causaties? Daarom de gerichte
benadering met metabolieten gemerkt met stabiele isotopen.
Dames en heren, op deze manier wil ik invulling geven aan mijn leeropdracht erfelijke
variëteit van het metabolisme.
Ik heb gezegd.
17