18 Kobber på hjernen Metaller som kobber spiller en central rolle i udviklingen af sygdomme som Alzheimers og Parkinsons både som skurk og helt. En større indsigt i de kemiske mekanismer, kobber indgår i, kan derfor lede os på vej mod bedre behandlinger. Af Lene Stevner og Ole Farver De store fremskridt inden for sundhedsforskning og medicinsk behandling har på dramatisk vis øget levealderen. Men som en konsekvens er antallet af alderdomsrelaterede hjernelidelser som Alzheimers sygdom og Parkinsons sygdom steget voldsomt. Årsagerne til de frygtede sygdomme er ikke klarlagte, men mistanken om at frie radikaler spiller en aktiv rolle bliver stadig styrket. Metaller som kobber og jern indtager i denne forbindelse en nøgleposition, og derfor er det vigtigt at forstå sammenhængen mellem omsætning af metalioner i nerveceller, dannelse af frie radikaler og forbindelsen til de neurologiske sygdomme. Koncentrationen af kobber er unormalt høj i hjernen hos Alzheimer-patienter. Kobbers dobbelte rolle Alle former for liv afhænger af oxygen. Takket være biologiske forbrændingsprocesser frigøres store energimængder, der herefter udnyttes til opbygning af livsvigtige molekyler. Men ingenting er gratis. Der er stor risiko for at producere frie oxygen-radikaler, som beskadiger det biologiske materiale. Hjernen er det organ, der opkoncentrerer de største mængder kobber. Og hjernen har brug for oxygen. Selv i (tanke)tomgang omsættes der nok energi i hjernen til at holde en 20 watt pære lysende. Under energiomsætningen dannes uundgåeligt hydrogenperoxid (H 2 ). Hvis der samtidig findes frie kobberioner, Cu +, kan der dannes hydroxyl-radikaler, OH som indeholder en uparret elektron. Et andet eksempel på et radikal der stammer fra oxygen, og kan dannes i hjernen, er superoxid,. Disse radikaler er ekstremt farlige, da de kan forårsage forandringer i de molekyler, som er afgørende for overførsel af signaler mellem de enkelte nerveceller. Heldigvis findes der kemiske forbindelser, som scanner nervecellerne og fjerner de uønskede radikaler. Et eksempel er superoxid dismutase (SOD), der ironisk nok også indeholder kobber. Så på den ene side kan kobber som frie ioner danne radikaler; og på den anden side sørger Foto: Colourbox
19 Molekylære hovedpersoner SOD Molekylet SOD (Super Oxid Dismutase) katalyserer nedbrydningen af superoxidradikalet,. Enzymet indeholder to metalioner, kobber og zink, som sidder bundet til sidekæder af aminosyren histidin i det aktive center kaldet sådan fordi det er her, radikalet forankres og nedbrydes. Resten af proteinet tjener til stabilisering og kontrol. Kun skelettet er vist her som et bredt violet bånd. Denne opbygning kaldes en beta-sandwichstruktur. Alzheimer-peptidet Alzheimer-peptidet ses som et grønt bånd, og kun sidekæden af aminosyren tyrosin på plads nummer 10 (kaldet Tyr10) og de to kobberbindende sidekæder af histidin er vist. Radikaler som OH eller angriber oxygenatomet (vist med rødt) på Tyr10, der hermed omdannes til et radikal, og nu kan reagere med andre Alzheimer-peptider og starte en kædereaktion. Læg mærke til peptidets spiralopbygning en såkaldt alfa-helixstruktur. Metallothionein Metallothionein er et svovlholdigt protein, der fi ndes i cellerne, hvor det både fungerer som antioxidant og kan binde kobber og andre tungmetaller. Svovlatomerne (9, gule) fra cystein-sidekæder og kobberatomerne (7, mørkerøde) er vist. Proteinskelettet er vist som et blågrønt bånd. Parkinson-proteinet Parkinson-proteinet består af tre sektioner. Når de første to (vist i rødt og grønt) forankres i membranen, dannes den karakteristiske alfa-helixstruktur. Én kobberion bindes til histidin-sidekæden øverst tv. Den tredje sektion (halen af proteinet; blå) har ingen fast struktur. Her fi ndes tre tyrosin-sidekæder samt et bindingscenter for den anden kobberion. Klippes halen af, kan molekyler af Parkinson-protein ikke længere vokse sammen. Det viser, at tyrosin er lidt af en skurk i vor fortælling samtidigt med at det er udgangspunkt for dannelse af signalstoffet dopamin.
20 Redoxkemi og frie radikaler I den simpleste af alle kemiske processer udveksles én eller fl ere elektroner mellem molekylerne. Denne type kemisk reaktion kaldes en redoxproces. De to vigtigste biologiske redoxprocesser er fotosyntese og respiration dvs. dannelse og udnyttelse af oxygen (ilt). I den første proces benyttes solenergien til at fjerne elektroner fra vandmolekylet (oxidation): 2H 2 O + 4e + 4H + I den omvendte reaktion vil oxygen under respirationen modtage fi re elektroner (samt fi re protoner) og danne vand (reduktion). Men prisen for at leve i en oxygenrig atmosfære er risikoen for, at processen ikke løber helt til ende, og der dannes frie radikaler; oxygenforbindelser som indeholder en uparret elektron. De frie radikaler reagerer aggressivt med organisk materiale og kan forårsage en lang række skader som f.eks. celleforandringer eller angreb på proteiner. Hydroxylradikalet kan dannes ved fl g. reaktion: Aminosyrer og proteiner kobber- eller jernholdige enzymer for at fjerne dem. Hvorfor skal det hele nu være så indviklet? Hvorfor skal metalionerne bindes til komplicerede kæmpemolekyler for at være nyttige? Balanceakt Hemmeligheden er, at f.eks. kobber skal pakkes ind, så det ikke forårsager ulykker, men ikke så tæt at det mister sin nyttige virkning. Det er kunsten at Cu + + H 2 Cu 2+ + OH + OH Kobberionen kan også producere det andet radikal, superoxid: Cu + + Cu 2+ + Bemærk, at i begge radikaler symboliseres den uparrede elektron med en prik. De stærkt oxiderende molekyler, hydrogenperoxid og de to nævnte radikaler, benævnes ofte ROS (Reaktive Oxiderende Specier). Proteiner er lange kæder af aminosyrer og deltager i alle cellulære processer, bl.a. i form af enzymer, der katalyserer de livsvigtige biologiske processer. Kortere aminosyre-sekvenser kaldes peptider. Der fi ndes omkring 20 naturligt forekommende aminosyrer i den menneskelige organisme. En bestemt sekvens af aminosyrer vil næsten altid føre til én ganske bestemt opbygning af proteinet, men hvis blot en enkelt aminosyre ændres (en mutation), risikerer proteinet at folde på en anden måde. Det går ofte ud over dets naturlige funktion, og proteinet siges at være denatureret. En Strukturen af aminosyren tyrosin. Det oxygenatom, der er årsagen til alle ulykkerne, er bundet som OH gruppe til den seksledede ring, og er vist med rødt. aminosyre af særlig interesse for vores historie er tyrosin (Tyr). Det er værd at bemærke, at det også er udgangspunkt for produktionen af dopamin, finde den rette balance. Og det er her, det kan gå forfærdeligt galt og føre til Alzheimers og Parkinsons. Mange metalioner stabiliserer proteinernes specielle foldning, samtidig med, at de kan indgå i de aktive centre i enzymer. Under uheldige omstændigheder kan processerne gå galt i byen, så defekte proteiner aflejres i hjernen. De kaldes generelt amyloid-proteiner. som spiller en afgørende rolle for signaloverførsel i hjernen. Det er i øvrigt et kobberholdigt enzym, som katalyserer denne reaktion. Årsagen til mange aldersbetingede nervesygdomme skyldes altså en anormal vekselvirkning mellem metalioner og biologisk materiale. Især kobber spiller en meget vigtig rolle i både Alzheimers og Parkinsons. Kobber og Alzheimers Der er et overvældende antal undersøgelser, der viser, at koncentrationen af kobber er unormalt høj i hjernen hos Alzheimer-patienter. Desuden er det bemærkelsesværdigt, at disse patienter også har et forhøjet indhold af kobber i blodet. Det betyder, at balancen af metalioner generelt er påvirket. Ved Alzheimers sygdom aflejres klumper af defekt protein i hjernen. Dette protein stammer fra sammenvoksede peptider (her kaldet Alzheimer-peptidet), som bliver klippet ud af et større protein, APP. Sidstnævnte spiller en vigtig rolle i metaliontransport ind og ud af cellerne. Man kender endnu ikke alle de mekanismer, som fører til Alzheimers, men der ses en klar forbindelse til aflejring af Alzheimer-peptidet i hjernebarken. Arveligt betingede mutationer af APP øger desuden produktion af Alzheimer-peptidet. Både længden og sammensætningen af peptidet anses for at være af stor betydning for sygdomsudviklingen. Kobber kompleksbindes stærkt til Alzheimer-peptidet. Ved normal ph er komplekset letopløseligt, men ved ph lavere end 6 sker der en sammenfiltring af de enkelte peptider. Molekyler, der binder kobber som f.eks. det svovlholdige protein metallothionein, der findes i alle celler kan hjælpe til at genopløse de aflejrede depoter af Alzheimer-peptidet. Så der er næppe tvivl om, at kobber spiller en væsentlig rolle for sammenkobling af Alzheimer-peptiderne. Men det drejer sig ikke kun om opløselighed. Komplekset af kobber og Alzheimer-peptid er redoxaktivt og katalyserer produktion af hydrogenperoxid (H 2 ) ud fra. Hydrogenperoxid angriber nu en tyrosinsidekæde på peptidet under dannelse af et radikal. Det starter en kædeproces som fører til den nævnte sammenvoksning af Alzheimer-peptiderne Oxidative skader Meget tyder på, at hydrogenperoxid spiller en rolle som skadevolder ved Alzheimers sygdom; både fordi det i sig selv er stærkt oxiderende og fordi det let omdannes til OH radikalet. Det viser sig nemlig, at de
21 skadelige virkninger af ophobninger af Alzheimer-peptidet, kan begrænses af et enzym, der netop katalyserer nedbrydning af hydrogenperoxid til oxygen og vand. Man ser også inflammatoriske (betændelseslignende) forandringer i hjernen ved Alzheimers sygdom, der antyder oxidative angreb. Man ved ikke med sikkerhed hvilket molekyle, der medvirker til dannelsen af hydrogenperoxid sammen med komplekset af kobber og Alzheimer-peptid. En oplagt kandidat er dog kolesterol, som findes i alt humant væv, men i særlig stor koncentration i hjernen. Kolesterol binder til komplekset og katalyserer reduktionen af til hydrogenperoxid. Det er derfor vigtigt at prøve at forstå kemien bag disse funktioner, idet de sandsynligvis er årsag til andre sygdomme som skyldes oxidative skader i vævet. Der er ingen tvivl om, at opklaringen af den detaljerede mekanisme for, hvordan kobber og Alzheimer-peptid katalyserer sammenbinding af peptiderne er helt afgørende for forståelsen af Alzheimers-sygdommens dybere årsag. I forhold til behandling af sygdommen vil det være centralt at udvikle molekyler, der kan binde kobber, og som kan modvirke den skadelige redoxkemi. Næst efter Alzheimers er Parkinsons sygdom den mest udbredte neurodegenerative sygdom. Parkinsons er karakteriseret ved muskelstivhed og rysten samt nedsatte og langsomme bevægelser. Hjernens effektive udsmider Naturen har sørget for, at vi er udstyret med en såkaldt blod-hjerne-barriere, der beskytter og opretholder det kemiske miljø omkring hjernecellerne. Det betyder, at hjernen er ekstremt selektiv i forhold til, hvilke stoffer den slipper ind kun udvalgte kemiske forbindelser får lov til at passere. Barrieren består af blodkar. Men blodkarrerne adskiller sig fra kroppens øvrige, fordi cellerne er bundet så fast sammen, at der ikke er den mindste pore eller sprække i mellem dem. En særlig udfordring i forbindelse med udvikling af Alzheimers sygdom, og andre lidelser med rod i centralnervesystemet, er således at fi nde effektive lægemiddelstoffer, der kan passere barrieren uhindret. Tegningerne viser et udsnit fra hjernen: Blod-hjerne barrieren består af et normalt blodkar, omgivet af et tæt endothelcellelag og uden på igen støtteceller, såkaldte gliaceller. Tyrosin igen på spil Næst efter Alzheimers er Parkinsons sygdom den mest udbredte neurodegenerative sygdom. Parkinsons er karakteriseret ved muskelstivhed og rysten samt nedsatte og langsomme bevægelser. Sygdommen kan ikke helbredes, men den kan effektivt holdes nede i mange år med medicin. Parkinsons sygdom skyldes mangel på et signalstof (dopamin) i hjernen. Dopamin dannes ud fra aminosyren tyrosin (som vi allerede har mødt) i nogle dybtliggende centre kaldet basale ganglier, som er knuder indeholdende nerveceller med deres udløbere. Hjernen skal hele tiden bruge dopamin til kontrol af bevægelse det dannes og nedbrydes derfor konstant. Ved Parkinsons sygdom nedsættes produktionen, mens nedbrydningen fortsætter som normalt, hvorfor der efter et stykke tid skabes et underskud af signalstoffet. Nye undersøgelser peger på, at udbrud af Parkinsons skyldes nedbrydning af de ovennævnte Gliacelle Blodkar Endothelcelle basale ganglier, på grund af ophobning af et defekt protein, som vi her kan kalde Parkinson-proteinet. Kobberioner er i stand til at accelerere sammenklumpning af dette protein med det resultat, at cellerne mister evnen til at producere dopamin. Parkinson-protei- Gliacelleudløbere Blodkar Blodlegeme net består af 140 aminosyrer, og normalt kan det indtage en række forskellige former uden en veldefineret opbygning. Men ved vekselvirkning med membraner og kobberioner undergår det en dramatisk strukturændring og former højt organiserede amyloid-agtige Foto: Colourbox
22 Om forfatterne Foto: Eran Gilad Lene Stevner er B.Sc. og ansat som GCP-koordinator på Institut for Human Ernæring, Københavns Universitet. Tlf.: 3533 2371 E-mail: less@life.ku.dk Ole Farver foran acceleratoren, der bruges i forbindelse med et apparatur til såkaldt puls-radiolyse, hvor man er i stand til på brøkdele af et mikrosekund at producere frie radikaler og følge deres angreb på proteiner. fibre. Der er observeret høje koncentrationer af kobber i Parkinson-patienters hjernevæske. Parkinson-proteinet binder to kobberioner, og ved tilstedeværelse af hydrogenperoxid vokser molekylerne af Parkinson-protein sammen. Sandsynligvis er Alzheimer-peptidet ansvarligt for produktion af peroxid eller andre reaktive molekyler med oxygen. Spørgsmålet er nu, hvorfor kobberbinding til Parkinson-proteinet forstærker tendensen til sammenvoksning. Mekanismen er sandsynligvis en redoxproces, og der er stærk evidens for proteinsammenvoksning (igen) på grund af oxidativt angreb på tyrosin-sidekæder. Hermed synes Parkinsons nært beslægtet med Alzheimers. På vej mod mere effektiv behandling Der er en klar sammenhæng mellem metal-baserede redoxprocesser i hjernen og produktion af skadelige stoffer, som fører til de frygtede hjernesygdomme. Men ét er at forstå mekanismerne, noget andet er at kunne forhindre sygdommenes opståen eller egentlig helbredelse. Udvikling af metalbindende molekyler, der specifikt fjerner overskud af kobber uden at røre de livsnødvendige kobberholdige enzymer, synes lovende; bl.a. ved kobling til nanopartikler, som kan føre molekylerne over blod-hjernebarrieren. En anden mulig fremgangsmåde er at nedsætte det oxidative stress i hjernen ved hjælp af passende antioxidanter. Kliniske undersøgelser bliver allerede foretaget, men stadig mest i cellekulturer. Endelig udvikles molekyler, som skal forhindre misfoldning af proteinerne og dermed sammenklumpning. Alt i alt er vi med den stigende forståelse af de forskellige årsager til hjernesygdommenes udvikling på vej mod mere rationelle og effektive behandlingsformer. Hold metalbalancen med antioxidanter Selvom kobber optræder som lidt af en skurk i denne artikel, betyder det selvfølgelig ikke, at man bør undgå kobber. Vi skal indtage 1,5-3 mg kobber om dagen. Og det er normalt ikke noget problem, for der er kobber i alt, hvad vi spiser. En genetisk defekt hos nogle få personer bevirker, at der ikke optages tilstrækkeligt kobber Menkes sygdom. Den fører til stærk retardering og tidlig død. Omvendt kendes en anden lidelse, Wilsons sygdom, hvor et overskud af kobber ikke bliver udskilt. Så det gælder om at holde sig på den smalle sti mellem over- og underskud. I alle cellerne findes proteiner og andet godt, der binder kobber meget stærkt og sørger for den rette balance bl.a. det svovlholdige protein metallothionein. Men hvis svovlatomerne oxideres af frie radikaler, kan de ikke længere binde kobber. Tungmetaller vil også gå ind og binde til de molekyler, der ellers varetager kobberbalancen. Der er ingen tvivl om, at antioxidanter holder de frie radikaler nede. Foruden vitamin-c og -E findes en lang række naturligt forekommende stoffer, der fjerner oxiderende molekyler. Alle de røde farvestoffer (polyphenoler eller antho cyaniner), der findes i frugt, er effektive antioxidanter. Rødvin kan anbefales, og for nylig er det rapporteret at moderat indtagelse af kaffe (der også indeholder antioxidanter, samtidig med at koffein stabiliserer blod-hjerne barrieren) synes at mindske risikoen for at få Alzheimers. Ole Farver er dr. scient. og professor emeritus på Inst. for Farmaci og Analytisk Kemi, Københavns Universitet samt professor ved afdelingen for Immunologi, The Weizmann Institute of Science, Israel. E-mail: of@farma.ku.dk Videre læsning H.R. Hansen & O. Farver: Metals in Medicine: Inorganic Medicinal Chemistry, side 151-172. Textbook of Drug Design and Discovery. Taylor & Francis, 2009 O. Farver & I. Pecht: Elucidation of electron-transfer pathways in copper and iron proteins by pulse radiolysis experiments, side 1-78. Progress in Inorganic Chemistry. J. Wiley & Sons, 2007 R.R. Crichton & R.J. Ward: Metal-based neurodegeneration. J. Wiley & Sons, 2006