E xact
je zoe
k t!
wa t
Research4U Research4U
1
Knutselen met moleculen
o w v t e h r o o v Lessenserie
#1
Knutselen met moleculen In deze module…
Inhoud
De module Knutselen met moleculen sluit aan bij termen uit de (sub)domeinen ‘Bindingen en eigenschappen’ en ‘Innovatie en chemisch on derzoek’. Leer samen met je leerlingen meer over histamine, receptoren en de bindingen hiertussen. Vervolgens gaan de leerlingen knutselen met moleculen en receptoren. Welk molecuul past het best? En kan ik een beter passend molecuul ontdekken? Op deze crea tieve manier komen leerlingen in aanraking met bestaand interessant onderzoek.
Voor de leerling…
2
Opdracht…
4
Voor de docent…
5
Werkblad…
6
www.exactwatjezoekt.nl
Research4U
2
Knutselen met moleculen
Voor de leerling Blokkeer tranen, kriebels en snotneuzen Genieten van de lente is lastig als je hooikoorts hebt: snotteren, niezen en tranende ogen. Je bent of kent vast
histaminereceptor
wel iemand met een allergie. Gelukkig is er iets aan te
cel
doen. Neem een antihistaminepilletje, dat is een medicijn tegen allergieverschijnselen, en je hebt veel minder last. Er bestaan al veel verschillende antihistaminemedicijnen,
1. geen vuiltje aan de lucht...
maar hoe ze werken, weten wetenschappers nog niet precies. Promovendus Sebastiaan Kuhne doet zijn best
histamine
de broodnodige details te ontdekken door te knutselen
cel
aan moleculen.
“We weten dat alle antihistamines werken op een speciaal molecuul in je lichaam: de histaminereceptor,” vertelt Sebas tiaan. Een receptor is een groot molecuul (een eiwit) dat als antenne voor je cellen fungeert. Het steekt door de buiten kant van de cel heen en vangt signalen op uit de rest van je lichaam, of soms zelfs van buiten, en geeft dit binnen in de cel door.
Sebastiaan Kuhne
Leeftijd: 24 Universiteit: Vrije Universiteit Amsterdam
“Ik ben altijd al nieuwsgierig geweest hoe dingen werken. Wat doet zonnebrandcrème, waarom zijn bomen groen, hoe werkt een antidepressivamedicijn? Ik haalde altijd boekjes uit de bibliotheek over dat soort dingen en vond het tv-programma Klokhuis fantastisch. Op de middel bare school kreeg ik een scheikundedocent die ook in een chemisch bedrijf werkte dat medicijnen ontwikkelde. Dat leek mij de perfecte combinatie van scheikunde en biologie, een vak dat ik ook heel interessant vond. Met mijn havo-diploma op zak ben ik naar het hoger laboratoriumonderwijs in Utrecht gegaan, dat is een hbo-opleiding tot laborant. Lekker veel scheikunde,
2. je ruikt gevaar, histamine is vrijgekomen
groot alarm! cel
3. je ogen tranen, je hebt een snotneus en kriebel in je keel...
maar ik wilde niet alleen onderzoek uitvoeren, maar het ook zelf bedenken. Via een master aan de Vrije Univer siteit Amsterdam ben ik promovendus geworden in de ‘Medicinal Chemistry’-groep. Nu bepaal ik zelf hoe ik mijn onderzoek aanpak. Het leuke aan mijn onderwerp is dat het heel afwisselend is. De ene dag ben ik op de computer moleculen aan het ontwerpen, de andere dag maak ik die op het lab. Ook moet ik mijn werk en keuzes verantwoorden bij mijn baas, geef ik leiding aan mijn drie studenten en werk ik samen met promovendi van andere afdelingen. In onderzoek doe je vaak dingen die niemand ooit heeft gedaan, dus soms lukt het niet in één keer. Of in twee keer. Of in twintig keer. Dan probeer ik het meestal even uit mijn hoofd te zetten en ga ik een stuk hardlopen. In het weekend doe ik graag wat leuks met vrienden in Amsterdam, dat is op fietsafstand. En soms komt het antwoord op het probleem ineens bovendrijven, totaal onverwachts. Als ik het dan probeer in het lab, en het lúkt….. dat is zo gaaf.”
Research4U
3
Knutselen met moleculen
Voor de leerling
Als er iets gevaarlijks in de lucht hangt, gaan er allerlei alarmbellen af in je lichaam. Eén zo’n noodsignaal is een klein molecuul, histamine, dat in het slijmvliesweefsel van je ogen en neus vrijkomt. Histamine wordt vastgegrepen door de histami nereceptor. Zodra die twee elkaar hebben gevonden, weten je slijmvliescellen: ‘Hé, er is groot alarm! We moeten extra slijm maken.’ Je ogen gaan tranen, je krijgt een snotneus en kriebel in je keel: zo probeert het lichaam de gevaarlijke deeltjes zo snel mogelijk weer kwijt te raken. Prima geregeld toch?
is groot, maar nog steeds te klein om onder een microscoop te zien.” Door simpelweg heel veel stoffen aan proefdieren toe te dienen, vonden Franse wetenschappers in de jaren ’40 de eerste stoffen die tegen allergie leken te helpen. Maar ze hadden geen idee waarom.
“We weten dat antihistaminemedicijnen werken, maar we weten nog niet precies genoeg hoe ze binden aan de hista mine-h1-receptor,” vertelt Sebastiaan. “Het antennemolecuul
Tegenwoordig kunnen we op de computer laten zien hoe de histaminereceptor eruit ziet. We weten welk deel het alarm signaal opvangt, en welk deel het signaal verder doorgeeft. “Door de bestaande antihistaminemedicijnen ook in de computer te laden, zien we ongeveer hoe ze binden,” vertelt Sebastiaan. “Ik doe mijn best om uit te vinden wat er nog beter zou kunnen en precies te begrijpen hoe die kleine moleculen nou binden aan zo’n grote receptor. Ik ontwerp nieuwe moleculen op de computer. Daarbij kijk ik naar hoe een nieuw molecuul chemisch gezien in de bindingsholte van de antenne past. Vergelijk het met een sleutel: die moet pre cies op de juiste plaats pinnetjes of kuiltjes hebben om in het sleutelgat te passen. Een toekomstig medicijn moet precies de juiste soorten interacties kunnen maken op de juiste plek, en ook nog eens niet te groot zijn voor het ‘sleutelgat’ in de antenne. En het is ook nog een driedimensionale sleutel. Een flinke klus dus! Hebben jullie zin om te helpen?”
A
B
Maar als je allergisch bent, gaat het alarm te vroeg af. Dan denkt je lichaam dat ongevaarlijke dingen, zoals stuifmeel, wél gevaarlijk zijn. Heel irritant! Sommige mensen lopen de hele lente te snotteren. Om hen te helpen, zijn er onder andere antihistaminemedicijnen uitgevonden. Die medicijnen plakken aan de antenne (de histaminereceptor) waardoor er geen plek meer is voor het alarmmolecuul histamine. Het alarm kan dan niet meer afgaan. De slijmcellen merken niks en je neus blijft droog.
molecuul
molecuul
receptor
receptor
Het sleutel-slot-principe: de receptor is het slot en het molecuul de sleutel. De sleutel moet in het slot passen om een reactie te veroorzaken. A) de ‘sleutel’ past, dus een reactie. B) de ‘sleutel’ past niet, dus geen reactie.
Research4U
4
Knutselen met moleculen
Opdracht Make it fit “Als jullie een molecuul beden ken dat goed in de receptor past, dan zal ik ‘m in het lab maken om te testen of het ook echt werkt. Let op dat je de kleuren die de bindingssoorten weergeven, goed op elkaar laat aansluiten. Sommige stukjes molecuul kunnen meerdere soorten bindingen maken.”
Moleculen zijn driedimensionale dingen, en kunnen aan hun linkerkant andere eigenschappen hebben dan aan hun rechter- of bovenkant. Jij ziet er van voren toch ook anders uit dan van achteren? Het verschil zit ‘m bij een molecuul in het soort interacties die hij kan maken met zijn omgeving. De belangrijkste zijn: Hydrofobe interacties Als deel van een molecuul hydrofoob is, dan betekent dit dat dit deel niet met water kan mengen, net zoals slaolie en water niet met elkaar mengen. Hydrofobe stukjes voelen zich juist wel thuis tussen andere hydrofobe (delen van) moleculen. Dat noemen we dan een hydrofobe interactie. Plus- en min-interactie (ion-interacties) Moleculen kunnen, net als magneetjes, een plus en een min pool hebben. Eén stuk van het molecuul kan bijvoorbeeld negatief geladen zijn, een min-pool vormen dus. Andersom is een positief geladen deel een plus-pool. Plus-polen gaan graag een interactie aan met min-polen, maar stoten andere plus-polen juist af. Net als min-polen andere min-polen afstoten. Waterstofbrug Sommige moleculen kunnen bijzondere interacties aangaan, zoals de waterstofbrug. Die noemen we zo, omdat het ele ment waterstof daar altijd een rol in speelt. Waterstofbruggen hebben ook plus- en min- interactie, alleen zijn deze veel minder sterk dan ion-interacties. Daarom spreken we ook wel van een beetje pluslading en een beetje minlading bij een waterstofbrug. Werkblad 1, 2 en 3 Op werkblad 1 vind je een bouwplaat voor de histamine receptor (histamine H1) en molecuul 1 en 2. Op werkblad 2 staat molecuul 3. Knip ze uit en plak ze in elkaar. De molecu len hebben dezelfde vorm maar verschillende interacties. Op de foto hiernaast zie je moleculen 1, 2 en de receptor. Welk molecuul heeft de sterkste binding? Bereken de score van
de binding door middel van de tabel op werkblad 3 en pro beer de moleculen 1 tot en met 3 op volgorde te leggen van zwakke tot sterke binding (van lage score tot hoge score).
Afbeelding van de gemaakte receptor en moleculen.
Op werkblad 2 vind je nog een bouwplaat voor receptor 2 en voor molecuul 4 waar nog niet alle eigenschappen aan zijn toegekend. Vul de nog lege vlakken in het molecuul zo in dat het molecuul zo goed mogelijk aan de histamine H1-receptor bindt maar niet aan receptor 2. Wat is de sterkste (hoogste score) binding die je kunt maken tussen de histaminereceptor en molecuul 4? Om te zorgen dat het molecuul niet bindt met de receptor 2 moet de score 0 zijn of negatief.
“Maar let op, met echte we tenschap weet je het nooit. Soms blijkt de perfecte oplos sing toch iets geks te doen als je er eenmaal mee gaat testen. Moleculen uit pilletjes komen immers in je hele lichaam terecht, en niet alleen bij de re ceptor waar jij nou toevallig onderzoek naar doet. Als het molecuul te klein is en bijvoorbeeld maar één goede bin ding heeft, is de kans dat dit molecuul op allerlei andere plekken in het lichaam dingen zal gaan doen groter. Zorg dus voor minimaal twee goede bindingen.”
Research4U
5
Knutselen met moleculen
Voor de docent Passen en meten met receptoren Medicijnonderzoek is de laatste twintig jaar verschoven van trial-and-error naar designer drugs. Met behulp van 3D-simulaties is het mogelijk om te voorspellen hoe een (medicijn)molecuul past in een receptoreiwit. Onder zoekers hopen op deze manier sneller effectievere medicijnen te vinden.
Promovendus Sebastiaan Kuhne bestudeert de histamine1-receptor met een computerprogramma dat berekent hoe goed kleine organische moleculen in de bindingsholte van de receptor passen. Daar spelen nogal wat variabelen: hydrofobe interacties, zoutbruggen, waterstofbruggen en pi-pi interac ties, waarbij aromatische ringen, zoals benzeen, zich opsta pelen en elektronendichtheid delen. Maar bijvoorbeeld ook sterische hindering, het feit dat bindingen en atomen fysieke ruimte innemen, en elkaar dus ook in de weg kunnen zitten. Op de eerste plaats is zijn onderzoek bedoeld voor funda mentele inzichten, om te begrijpen hoe de interactie tussen receptor en medicijn nu precies zit. “Het is al gelukt om een idee te krijgen van het verschil tussen eerste en tweede gene ratie anti-histamines,” vertelt Kuhne. “Van die eerste generatie werd je duf: dat kwam doordat het medicijn niet alleen aan de histamine-1 receptor kon binden, maar ook aan andere receptoren in het centraal zenuwstelsel. De tweede generatie antihistamines heeft meer polaire groepen waardoor het se lectiever in de histamine-1 receptor past en veel minder goed op andere receptoren. Bovendien kan het door zijn polaire groepen minder makkelijk de bloed-hersenbarrière door. Met een 3D-model van de receptor met daarin het molecuul kun nen we de eiwit-ligand interacties zichtbaar maken.” Voor zijn affiniteitsstudies gebruikt Kuhne ook testmoleculen die te klein en te algemeen zijn om als medicijn te dienen. Door de berekeningen uit zijn model te vergelijken met hoe sterk deze moleculen in het lab aan de receptor binden, kan hij echter wel achterhalen of zijn model klopt. Ook kan het model voorspellen hoe grotere moleculen het zullen doen door de effecten van die kleine moleculen bij elkaar op te tel len. Soms doen grotere moleculen het samen nog beter dan de som van de afzonderlijke moleculen. “Het gebruik van 3D-computermodellen en simulaties is erg nuttig bij het ontwerpen van nieuwe moleculen, maar ik blijf altijd mijn chemisch gezond verstand gebruiken bij het inter preteren van de resultaten,” vertelt Kuhne. “Modellen hebben soms moeite met het nabootsen van de werkelijkheid, en er rolt dan ook altijd een antwoord uit, nuttig of niet. Zo kan het
Aansluiting bij de syllabus Deze module sluit aan bij verschillende termen uit de syllabus. Zo komen leerlingen meer te weten over: bindingen en eigenschappen (B3), o.a. waterstofbruggen; selectiviteit en specificiteit (E2), o.a. hydrofoob/hydrofiel. De module laat deze termen aansluiten bij een onderzoek over een voor jongeren bekend verschijnsel, namelijk hooikoorts. Een onderwerp dat zich goed leent om leerlingen bekend te maken met receptoren en bindingen.
voorkomen dat we een molecuul vinden dat een té sterke reactie aangaat met de receptor, een covalente binding bij voorbeeld. Dat is niet altijd handig als je een medicijn zoekt.” Uiteindelijk is het de bedoeling om met behulp van dit soort modellen betere medicijnen te vinden. Maar de praktijk van medicijnenonderzoek is weerbarstig, een goed medicijn is namelijk meer dan alleen goede binding met zijn doelreceptor. Talloze veelbelovende medicijnen in spe vallen af tijdens in vitro- en in vivo-studies, waar gebruik wordt gemaakt van gro tere levende systemen zoals cellijnen, dieren en mensen. Dan blijkt bijvoorbeeld dat er een andere receptor is die de functie van de afgeremde receptor kan overnemen, dat er te veel bijwerkingen zijn of dat het medicijn simpelweg te vroeg wordt afgebroken. “Daarom werk ik samen met collega’s van de afde ling farmacologie,” vertelt Kuhne. “Zij testen mijn moleculen als ze interessant genoeg blijken – ook in gekweekte celsystemen. En je kunt dit soort nieuwe inzichten ook in je voordeel gebrui ken. De histamine-4-receptor is ook betrokken bij allergische reacties. Misschien kunnen we wel een medicijn ontwikkelen dat zowel op één als op nummer vier werkt.”
Research4U
Legenda
6
Knutselen met moleculen
1. Knip langs de kniplijn. 2. Vouw langs alle vouwlijnen (let op berg- en dalvouwlijnen!). 3. Kijk of je de juiste vorm kunt maken. Grijze vlakjes zijn lijmvlakjes, waarvan gelijke symbolen op elkaar worden geplakt. Gekleurde en witte vlakjes horen aan de buitenkant. Controleer met onderstaande plaatjes. 4. Lijm de vorm in elkaar.
Werkblad1
Kniplijn
Dalvouw
Bergvouw
+ G Molecuul 2
B
Gr
+
&
B
G
4
∆
Gr
2
3 ¤
Tip Vouw eerst zijde 1 naar binnen, dan 2, dan 3 en eindig met zijde 4.
B ¤
% B @
&
%
#
#
R
@
Tip Dit is het stokje van de receptor.
∆
∆
∆
∆ Histamine H1
G
R
1
Histamine H1
Gr
B
*
Histamine H1
B
Histamine H1
Histamine H1
G
*
Histamine H1
+
¤
+
B
*
R
G
G
R
+
B
B
B
R
*
R
@
G
#
Gr
B
¤
∆
G
#
∆
R
#
∆
R
¤
B
∆
Gr
G
Tip Begin hier met het maken van de vorm en het lijmen.
#
∆
R
B
B
G Molecuul 1
R
∆
G
+
R
B
Gr
*
R
R
¤
*
B
◊
◊
◊
Research4U
Legenda
7
Knutselen met moleculen
1. Knip langs de daarvoor bestemde lijn. 2. Vouw langs alle vouwlijnen (let op berg- en dalvouwlijnen!). 3. Kijk of je de juiste vorm kunt maken, Gekleurde en witte vlakjes horen aan de buitenkant. Grijze vlakjes zijn lijmvlakjes. Controleer met onderstaande plaatjes. 4. Lijm de vorm in elkaar.
Werkblad2
Kniplijn
Dalvouw
Bergvouw
+ ? ? Molecuul 4
G
Gr
+
&
B
Gr
4
&
∆
Gr
2
3 ¤
Tip Vouw eerst zijde 1 naar binnen, dan 2, dan 3 en eindig met zijde 4.
#
B ¤
% R @
R
@
Tip Dit is het stokje van de receptor.
% #
∆
∆
∆
∆ Receptor 2
B
R
1 Receptor 2
G
B
*
Receptor 2
B
Receptor 2
Receptor 2
G
*
Receptor 2
+
¤
+
B
*
?
G
?
B
+
?
B
R
B
*
B
@
?
#
G
B
?
∆
¤
#
?
R
∆
∆
#
¤
B
?
Gr
G
Tip Begin hier met het maken van de vorm en het lijmen.
∆
∆
R
Gr
#
G Molecuul 3
R
B
B
∆
G
+
R
Gr
R
*
Gr
¤
*
B
Research4U
8
Knutselen met moleculen
Werkblad3 Bereken de score van de binding Bindingssoort
Hydrofoob
Positief
Negatief
Waterstof
Hydrofoob 1 -1 -1 -1 Positief -1 -3 3 Negatief -1 3 -3
2 2
Waterstof -1 2
2
Wil je weten hoe sterk de binding is? Tel de scores van de verschillende interacties tussen het mo lecuul en de receptor bij elkaar op. Score > 0: Het molecuul en de receptor gaan een binding aan.
2
Score = 0: Geen interactie tussen het molecuul en de receptor. Score < 0: Het molecuul en de receptor stoten elkaar af (hoge positieve score: sterke binding, lage score score: zwakke binding).
Maak de moleculen
Legenda Kniplijn
Dalvouw
Bergvouw
1. Knip langs de kniplijn; 2. Vouw langs alle vouwlijnen (let op berg- en dalvouwlijnen); 3. Kijk of je de juiste vorm kun maken. Grijze vlakjes zijn lijmvlakjes, waarvan gelijke symbolen op elkaar worden ge plakt. Gekleurde en witte vlakjes horen aan de buitenkant. 4. Lijm de vorm in elkaar. Tip: Kijk nog eens naar de afbeelding op pagina 4: een foto van een receptor en twee moleculen. De twee receptoren hebben dezelfde vorm en de vier moleculen ook, de interac ties zijn verschillend.
Schematische weergave van de histaminereceptor H1.
Research4U
9
Knutselen met moleculen
Colofon
Opleidingen
De module Knutselen met moleculen is ontwikkeld door Stichting C3 in samenwerking met Sebastiaan Kuhne, Universiteit van Amsterdam en Vrije Universiteit Amsterdam.
1. Advanced technology 2. Biotechnologie 3. Farmaceutische wetenschappen 4. Levensmiddelentechnologie 5. Life science & technology 6. Milieuwetenschappen 7. Molecular science & technology 8. Moleculaire levenswetenschappen 9. Scheikunde 10. Scheikundige technologie 11. Science (natuurwetenschappen)
Auteurs Bo Blanckenburg, Martine Segers Interview Bo Blanckenburg Tekstredactie LOS!, Marijne Thomas
Universiteiten Vormgeving t4design, Liesbeth Thomas Docentenpanel Clementine Bakker Martin Vos Wouter Renkema Harry Schreurs Steven Boot Judith van Poppel Algehele en inhoudelijke projectcoördinatie en contact Stichting C3 Remco Simonsz, Ilonka Mekes en Maryse Karsten e:
[email protected] t: 070 337 87 88 Al het docenten-en leerlingenmateriaal zoals beschreven in deze module is te downloaden via www.exactwatjezoekt.nl/ docent. De rechten van dit lesmateriaal (uiteraard niet van de gebruikte bronnen) berusten bij Stichting C3 te Den Haag. Het materiaal mag voor nietcommerciële doeleinden vrij worden gebruikt. Voor commercieel gebruik dient contact opgenomen te worden met Stichting C3. Uiteraard is de module met veel zorg tot stand gekomen. Stichting C3 aanvaardt echter geen aansprakelijkheid voor schade die eventueel is ontstaan bij het uitvoeren van deze module. © Stichting C3, Remco Simonsz, 2012
Radboud Universiteit Nijmegen Opleidingen: 8, 9, 11 Rijksuniversiteit Groningen Opleidingen: 5, 9, 10 Technische Universiteit Delft Opleidingen: 5, 7 Technische Universiteit Eindhoven Opleidingen: 10 Universiteit van Amsterdam Opleidingen: 9 Universiteit Leiden Opleidingen: 5, 7 Universiteit Twente Opleidingen: 1, 10 Universiteit Utrecht Opleidingen: 9 Universiteit Wageningen Opleidingen: 2, 4, 6, 8 Vrije Universiteit Amsterdam Opleidingen: 3, 9 Subdomein B3: Bindingen en eigenschappen E2: Selectiviteit en specifiteit
