Icon up Overzicht

Hoe werken anesthetica ? Een numeriek model

Onderwerp: Biofysica (vwo), Gas en vloeistof, Menselijk lichaam (havo), Modelleren

De cel is de belangrijkste eenheid in de biologie. Binnen in de cel vinden namelijk allerlei processen plaats die van levensbelang zijn. Elke cel wordt begrensd door een wand, het zogenaamde celmembraan. De belangrijkste functie van dit celmembraan is het selectief afschermen van de cel. Op deze manier kunnen in een cel processen plaatsvinden die van levensbelang zijn. Zonder het celmembraan zou de cel niet kunnen overleven.

Dit artikel is een onderdeel van een omvangrijk pakket "natuurkundig modelleren". Voor het totale overzicht van dit materiaal kunt u de overzichtspagina "natuurkundig modelleren" bekijken.

Lipiden

Een celmembraan is opgebouwd uit een dubbele laag van lipiden, zie figuur 1. Deze dubbele laag noemen we een bilaag. De lipiden in deze laag zijn opgebouwd uit een kopgroep en twee staarten die verschillende interacties met water hebben. De kopgroep is hydrofiel. Dat wil zeggen dat de kopgroep graag in de buurt van water zit. De twee staarten zijn echter waterafstotend, oftewel hydrofoob. Hydrofiele en hydrofobe groepen mengen niet met elkaar. Daarom zitten in de bilaag de hydrofobe staarten tegenover elkaar, terwijl de hydrofiele koppen in het water steken dat zich rond de cel bevindt.

Figuur 1: Schematische representatie van een celmembraan. Het membraan bestaat uit een bilaag van lipiden, die elk uit een hydrofiele (waterminnende) kop en twee hydrofobe (waterafstotende) staarten bestaan.

In het celmembraan zijn tevens zogenaamde membraaneiwitten verankerd. Deze eiwitten spelen een belangrijke rol bij het transport van moleculen van de ene naar de andere kant van het membraan. Sommige van deze membraaneiwitten hebben een porie (opening). Als de porie open is, kunnen bepaalde moleculen door de porie getransporteerd worden.

Geneesmiddelen

Biologen hebben ontdekt dat geneesmiddelen een grote invloed kunnen hebben op het functioneren van eiwitten in een membraan. Deze geneesmiddelen kunnen we grofweg in twee groepen verdelen (figuur 2). Grote moleculen, waaruit specifieke geneesmiddelen zijn opgebouwd, blokkeren de porie van een membraaneiwit. Ze verhinderen het transport van moleculen door de porie. Van kleine anestheticamoleculen (verdovende middelen zoals valium, morfine en codeïne) weten we eigenlijk niet goed of ze de porie van het membraaneiwit blokkeren. Het kan ook zijn dat ze in de bilaag gaan zitten en zo de lokale structuur van de bilaag veranderen. Zeker is dat deze moleculen ook bestaan uit een hydrofiel en een hydrofoob gedeelte, maar ze zijn veel kleiner dan een lipide.

Figuur 2: Invloed van geneesmiddelen op een celmembraan. Van grote moleculen weten we dat ze een porie in een membraaneiwit kunnen blokkeren. Van kleine moleculen is het onbekend of ze de porie blokkeren of in de bilaag gaan zitten.

Men denkt dat de lipiden invloed hebben op het openen en sluiten van een eiwitporie. Als de structuur van de bilaag verandert, kan de werking van de eiwitporie dus verstoord worden.

Model van een lipide

Om de invloed van deze anesthetica op de cel te begrijpen, maken we gebruik van de computer. Hiervoor zullen we eerst een model moeten bouwen dat de eigenschappen van een bilaag goed kan beschrijven. We maken een simpel model dat toch alle essentiële informatie bevat. In ons model werken we met bolletjes en veertjes. Een bolletje stelt een cluster van atomen voor (zie figuur 3).

Figuur 3: Model van een lipide in water. Een cluster van drie watermoleculen wordt vervangen door een waterbolletje. De lipide wordt opgedeeld in een hydrofobe staart en een hydrofiele kopgroep die met veertjes aan elkaar zit. Op deze manier wordt het model een stuk minder complex, terwijl toch de essentiële informatie behouden blijft.

De bolletjes krijgen de volgende eigenschappen mee:

  • hydrofiele deeltjes trekken elkaar en water aan.
  • de hydrofobe bolletjes trekken elkaar aan en stoten water af.
  • hydrofiele en hydrofobe deeltjes stoten elkaar af.
  • een blauw bolletje stelt drie watermoleculen voor.

Willen we een langere keten maken - zoals een lipide - dan zetten we bolletjes aan elkaar vast met een veertje. Een lipide bestaat in ons model uit een kop met drie hydrofiele bolletjes en twee staarten met ieder vijf hydrofobe bolletjes. Met behulp van deze lipide kunnen we een bilaag beschrijven.
Wanneer we nu dit model van water en lipiden op de computer simuleren, krijgen we een configuratie zoals in figuur 4. Duidelijk is te zien dat de hydrofobe staarten elkaar opzoeken en dat de hydrofiele kopgroepen aan de buitenkant zitten (het water waarin de koppen steken is niet getekend).

Figuur 4: Bilaag zonder anesthetica. De staarten van de lipiden staan onder een hoek met het oppervlak van de bilaag. De uiteinden van de staarten liggen tegenover elkaar. Voor de duidelijkheid is het water waarin de koppen steken niet getekend.

Model van anestheticum

De volgende stap is het modelleren van een anestheticum-molecuul. Zo'n molecuul bestaat uit een hydrofiel en een hydrofoob gedeelte, maar is veel kleiner dan een lipide. Daarom nemen we als model van een anestheticum een "molecuul" dat uit een hydrofiele kopgroep en twee hydrofobe deeltjes bestaat, zie figuur 5.

Figuur 5: Model voor een anestheticummolecuul, bestaande uit een hydrofiele kopgroep en een hydrofobe staart

Wat laat dit model zien?

Het numerieke model van een bilaag met anestheticum laat het volgende zien. Het anestheticum gaat precies tussen de lipiden zitten. De hydrofiele kop van het anestheticum zit tussen de koppen van de lipiden in. Het hydrofobe gedeelte van het anestheticum steekt in het hydrofobe gedeelte van de bilaag (zie figuur 6).

Figuur 6. Hoge concentratie anesthetica. Voor de eenvoud zijn de waterbolletjes weggelaten. De hydrofobe en hydrofiele bolletjes van het anestheticum zijn respectievelijk grijs en oranje gekleurd, zie figuur 5. Duidelijk is te zien dat de structuur van de bilaag volledig veranderd is ten opzichte van figuur 4. Bij een hoge concentratie anesthetica is de hoek tussen de gele staarten en het oppervlak overal verdwenen. Er is interdigitatie opgetreden: de staarten van de lipiden schuiven in elkaar, zie ook figuur 7.

Het hydrofobe gedeelte van het anestheticum is veel kleiner dan de lipiden. Daardoor komt er extra ruimte tussen de staarten van de lipiden, wat energetisch ongunstig is. Het systeem lost dit op door de ruimte op te vullen met de staarten van de lipiden uit de tegenoverliggende laag. Dit effect heet interdigitatie en staat kort uitgelegd in figuur 7.

Figuur 7: Interdigitatie van een bilaag. Doordat de lipiden in elkaar doordringen wordt het systeem zeer stijf. Het anestheticum (paars) vult de ruimte tussen de lipiden op.

Een dergelijk model wordt ook gebruikt bij de ontwikkeling van pleisters die via de huid medicijnen toedienen. Rob Groot verteld meer over zijn werk bij een bij een Nedrlandse multinational in het interview Rob Groot in sneltreinvaart.

Conclusie

Ons model laat dus zien dat een anestheticum een grote invloed kan hebben op de structuur van het celmembraan. De verandering van de structuur van de bilaag kan grote consequenties hebben voor membraaneiwitten. In de bilaag zonder anestheticum kan het eiwit openen of sluiten. Door het toevoegen van een anestheticum treedt interdigitatie op en wordt het membraan veel stijver. Hierdoor zal het eiwit niet (goed) meer kunnen openen en sluiten. Zo verandert de opname van voedingsstoffen door het membraan. Het gevolg hiervan is dat het milieu in de cel verandert. Vervolgens zal de hele cel niet goed meer kunnen functioneren.