Glutamat und Neurotoxizität

Julia Radzwill WS 07/08

Gliederung

Teil 1

Glutamat als Botenstoff; Synthese Glutamat-Rezeptoren: Aufbau & Funktion Signalübertragung

Teil 2

Bedeutung als Geschmacksverstärker Glutamat-Neurotoxizität Therapieansätze Zusammenfassung

Teil 1

: Synthese Rezeptoren Signalwege

Glutamat

• Wichtigster exzitatorischer Neurotransmitter im ZNS der Wirbeltiere • Synaptische Freisetzung aus Vesikeln • Salze der Glutaminsäure • Synthese  Gedächtnis NH 4 -Entgiftung • Kognitive Prozesse (Lernen, • 2 Rezeptortypen: ionotrope & metabotrope

Glutaminsäure

(1)

Glutamat-Synthese

• Im Citratzyklus aus α-Ketoglutarat • Enzym: Glutamat-Synthase GS

α-Ketoglutarat Glutaminsäure

(2) (3)

GABA-Synthese aus Glutamat

• γ-Aminobuttersäure • Glutamat-Decarboxylase Glutamat GDC Wichigster erregender Neurotransmitter  z.T. von Gliazellen benötigt GABA  Bei Bedarf in Glutamin umgewandelt (4) wichtigster hemmender Neurotransmitter !

(5)

Glutamat-Glutamin-Zyklus

Glutamin-Transporter Glutamin-Synthetase EAAT Transporter EAAT=Exzitatorischer Amino Acid Transporter

Ionotrope Glutamat-Rezeptoren

AMPA NMDA Kainat  Rezeptor an Ionenkanal gekoppelt  Membran von Neuronen  Unterschiede in ihren Eigenschaften Liganden Bindedomäne Allgemeine Struktur (6)

AMPA-Rezeptoren

α-Amino-3-hydroxy 5-methyl-4-Isoxazolpropionacid • Tetramere • Permeabel für Na + und K + • Je nach UE-Kombination permeabel für Ca 2+ • Agonisten: AMPA, Glutamat (7)

NMDA-Rezeptoren

N-Methyl-D-Asparaginsäure • Tetramere, nicht selektiv • liganden-& spannungsabhängig • Öffnung  Entfernung des Mg 2+ Ion durch Depolarisation • Agonisten: NMDA, Glutamat und Glycin (8)

• Pentamere

Kainat-Rezeptoren

• leitfähig für Na + und K + , geringfügig für Ca 2+ • Agonisten: Kainat, Glutamat • wenig erforscht (9)

Signaltransduktion durch inotrope Rezeptoren

(10)

Metabotrope Glutamat Rezeptoren

• G-Protein-gekoppelt

Liganden Bindedomäne

• 8 Rezeptoren mGlu1-8, Aufteilung in 3 Gruppen • Glutamat-Bindung an großer N-terminalen Domäne

Protein Binde stelle

(6)

Klassen metabotroper Glutamat Rezeptoren

• Klasse 1: aktiviert Phospholipase C  Inositoltriphosphat (IP3) & Diacylgylcerol • Klasse 2: reguliert Adenylatcyclase negativ • Klasse 3: hemmen ebenfalls die Adenylatcyclase

Signaltransduktion durch metabotrope Rezeptoren

Phospholipase C spaltet PIP2 zu IP3 & DAG IP3 bindet an seinen Rezeptor am ER  Ca 2+ wird freigesetzt ER Ca2+ Efflux (11)

Teil 2

: Neurotoxizität Therapie

Glutamat als Geschmacksverstärker

• 5. Geschmack: „umami“ • nur freies Glutamat • Wirkung: Sensibilisierung der Mundpapillen & appetitanregend • Vermittlung: metabotrope Rezeptoren • natürliches Vorkommen: Tomaten, Käse, Mais, Sojasauce

Chinarestaurant-Syndrom

• Mundtrockenheit • Juckreiz im Hals • Kopfschmerzen • Gesichtsmuskelstarre • Übelkeit KEINE Allergie!

 Würzen mit Glutamat-Pulver • Gentechnische Herstellung:

Corynebacterium glutamicum

• E620 – E625

Studien: Hohe Glutamataufnahme

• Kontrovers • Passiert nicht die intakte Blut-Hirn-Schranke • Gabe von Glutamat führt im Tierversuch zu verfetteten & deformierten Mäusen • Neurotoxische Effekte

in vitro

&

in vivo

• Keine erhöhte Glutamat-Konzentration im menschlichen Gehirn nachweisbar

!

Unter bestimmten Umständen möglich

Ursachen der erhöhten Glutamat Konzentration

• Hypoglykämie • Epilepsie • Hypoxie (  Schlaganfall) • Glutamattransporter-Inaktivierung • Veränderung der Rezeptor-Funktion • Lädierte Blut-Hirn-Schranke durch Infektion mit

Vibrio cholerae

, Schädel-Hirn-Trauma  Glutamat-Überflutung im synaptischen Spalt

Diese Defekte bzw. ihre Konsequenzen führen zu neurodegenerativen Erkrankungen  Alzheimer  Parkinson   Huntington Amyotrophe Lateralsklerose     Multiple Sklerose Epilepsie Schädel-Hirn-Trauma Schlaganfall (12)

Biochemische Ursachen der Glutamat-Neurotoxizität

Ionotrope Rezeptoren Metabotrope Rezeptoren Ca 2+

Na + Cl –

Ca 2+ Ca 2+ IP 3 G ER Na + -& Cl – - Aufnahme lässt die Zelle anschwellen  Stress Ca 2+ - „overload“ führt zur Exzitotoxizität (13)

Exzitotoxizität

= endogene exzitatorische Transmitter (Glutamat) wirken durch hohe Dosen/Aktivität neurotoxisch  Einfluss auf

:

• Mitochondrien • Enzyme (Lipasen, Proteasen, Endonucleasen) • Ionenströme (starker Na + -& Cl – - Einstrom) • Beruht v.a. auf Ca 2+ -Einstrom

Reaktion der Mitochondrien

• Akkumulieren Ca 2+ , Transport durch Protonengradient !  Ca 2+ erniedrigt elektrochemischen Gradienten reduziert ATP-Synthese • ATP wichtig, um überschüssiges Ca 2+ Zelle zu befördern aus der Mitochondriale Ca 2+ -Akkumulation, reduzierte ATP-Synthese & dabei erhöhter ATP-Verbrauch wohl primärer Grund zur Apoptose

Weitere Folgen für Mitochondrien

• Geschädigt, obwohl Neuron noch gesund scheint • ROS (reactive oxygen species)-Produktion bei Stress  „electron leaking“ • Zuviel Ca 2+ : Transition Pore öffnet sich  Schwellung • Setzen Cytochrom c frei (14)

Folgen der Exzitotoxizität: Enzyme

•

Phospholipase A:

aktiviert Arachnidonsäure  ROS • Ca 2+ /Calmodulin: aktiviert

NO-Synthase

 bildet

Peroxinitrit

(ONOO )  verändert Aminosäuren, Lipide&DNA •

Proteasen: Calpain Caspase

zerstört Cytoskelett  Apoptose •

Endonucleasen

: zerstören DNA

Weitere Folgen der Exzitotoxizität

•

Genexpression

  MAPK-Signalweg Apoptose • Aktivierung der Levels  ROS

Xanthin-Oxidase:

erhöht O 2 • Neuron schwillt an: zu viel

Na + / Cl -Influx

 Depolarisation der Membran öffnet weitere Ca 2+ -Kanäle

Übersicht Neurotoxizität: Enzyme

(15)

Source-specificity Hypothese

• Neurotoxizität von Ca 2+ hängt nicht von der Menge, sondern von der Eintrittsstelle in die Zelle ab!

 Ca 2+ Influx durch

L-Typ kein Effekt

Ionenkanäle:  Ca 2+ Influx durch

NMDA

-Rezeptoren:

neurotoxisch

! Ca 2+  Konzentration ist identisch !

Enge Kopplung NMDAR - Exzitotoxizität

Verteidigungsmechanismen der Zelle

• Aktivierung von

Antioxidantien

: Superoxid-Dismutase, Mannitol, α-Tocopherol, Vitamin C •

Allopurinol

: inhibiert Xanthin-Oxidase •

Cytochrom c

-Freisetzung aus Mitochondrien (frühe Phase) • Rezeptoren: negative Rückkopplung durch CaM/Ca 2+

Therapieansätze

• Rezeptor-Antagonisten wie MK801 • Antioxidantien  fangen ROS ab • EGTA  bindet Ca 2+ (umstritten) • Vermeidung der Aufnahme von freiem Glutamat

Empfehlung bezüglich Glutamat

• Keine Schädigung an Menschen  Kann Blut-Hirn-Schranke nicht passieren • Kein gesetzlicher Grenzwert ABER: • Wirkt neurotoxisch

in vitro

&

in vivo

• Stark appetitanregend 

Zusammenfassung

• Glutamat: wichtigster erregender Neurotransmitter • Erhöhung der Ca 2+ -Konzentration in postsynaptischen Neuronen nach Bindung an ionotrope und metabotrope Rezeptoren • Neurotoxische Glutamat-Konzentrationen im synaptischen Spalt bei nicht intakter Blut-Hirn Schranke • Exzitotoxizität durch Ca 2+ -overload führt zur Apoptose des Neurons • Nur freies Glutamat wirkt als Geschmacksverstärker • Keine toxischen Effekte bei gesunden Menschen bei erhöhter Aufnahme

Quellen

• • • • • • • • • • • • • Anna Atlante, Pietro Calissano, Antonella Bobba, Sergio Giannattasio, Ersilia Marra, Salvatore Passarella: „Glutamate neurotoxicity, oxidative stress and mitochondria“, Federation of European Biochemical Societies, 2001 Arundine, Tymianski: „Glutamate toxicity in ischemia and traumatic brain injury“, Cellular and Molecular Life Sciences, 2003 Sattler, Tymianski: „Molecular mechanisms of calcium-dependent excitotoxicity“, Springer 2000 Kandel, Schartz, Jessel: „Neurowissenschaften“, Spektrum, 1996 Nicholls, Martin, Wallace, Fuchs: „From Neuron to brain“, 4. Auflage Alberts: „The Cell“, Garland Science, 4. Auflage www.wikipeda.de

(Glutamat) www.dge.de

(Deutsche Gesellschaft für Ernährung) 1) http://www.fosar-bludorf.com/cfids/glutamin.jpg

(Glutaminsäure) 2) http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/thumb/5/57/Aminations.png/400px-Aminations.png

3) http://www.uni-koeln.de/med-fak/biochemie/biomed/wisspro/martin_kuder_files/image019.gif

(Citratzyklus) 4) http://www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/BiochSci/sbello/glu_gaba.gif

5)http://www.molecularpain.com/content/1/1/30&h=64&w=100&sz=3&hl=de&start=13&um=1&tbn id=Zwz4ZaUdtq6N2M:&tbnh=52&tbnw=82&prev=/images%3Fq%3DEAAT%2BTransporter%26sv num%3D10%26um%3D1%26hl%3Dde%26client%3Dfirefox a%26rls%3Dorg.mozilla:de:official%26sa%3DN (Glutamin-Glutamat-Zyklus)

Quellen

• • • • • 6) http://www.bris.ac.uk/Depts/Synaptic/info/glutamate.html

(Rezeptor-Bilder) 7) http://www.pharmazie.uni-frankfurt.de/PharmChem/Prof_Stark/bilder/nmda.jpg

(AMPA-Rezeptor) 8) http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/66/NMDA_receptor.jpg/607px NMDA_receptor.jpg

(NMDA-Rezeptor) 9) http://en.wikipedia.org/wiki/GRIK1 (Kainat-UE) 10) www.sinnesphysiologie.de

• • • • 11) http://media.wiley.com/Lux/27/24327.nfg001.jpg

(G-Protein-signalling) 12) http://www.bio-pro.de/imperia/md/images/artikelgebunden/freiburg/neuron_egert_kl_338x231.jpg

(Neuron) 13) http://www.innovations-report.de/bilder_neu/57998_mitochondrien.jpg

(Mitochondrium) 14)http://images.google.de/imgres?imgurl=http://www.scheffel.og.bw.schule.de/faecher/science/biologie/ Cytologie/6mitochondrium/das_mi1.gif&imgrefurl=http://www.scheffel.og.bw.schule.de/faecher/science/b iologie/Cytologie/6mitochondrium/das_mitochondrium.htm&h=508&w=688&sz=49&hl=de&start=11&u m=1&tbnid=6b E2sVh5N9N2M:&tbnh=103&tbnw=139&prev=/images%3Fq%3Dmitochondrium%26svnum%3D10%26 um%3D1%26hl%3Dde%26client%3Dfirefox-a%26rls%3Dorg.mozilla:de:official%26sa%3DG (mitochondrium) • http://homepage.hamburg.de/hellemastering/Bilder3/pages/So%20fett%20wird%20kein%20Schwein.htm

(Schwein) Fertiggerichte etc: Google-Bildersuche