Glutamat und Neurotoxizität

Julia Radzwill

WS 07/08

GliederungTeil 1

Glutamat als Botenstoff; Synthese

Glutamat-Rezeptoren: Aufbau & Funktion

Signalübertragung

Teil 2

Bedeutung als Geschmacksverstärker

Glutamat-Neurotoxizität

Therapieansätze

Zusammenfassung

Teil 1 :

SyntheseRezeptorenSignalwege

Glutamat

• Wichtigster exzitatorischer Neurotransmitter im ZNS der Wirbeltiere

• Synaptische Freisetzung aus Vesikeln• Salze der Glutaminsäure

• Synthese NH4-Entgiftung

• Kognitive Prozesse (Lernen, Gedächtnis

• 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

z.T. von Gliazellen benötigt

Bei Bedarf in Glutamin umgewandelt

GDC

Glutamat GABA

Wichigster erregender Neurotransmitter

wichtigster hemmender Neurotransmitter!

(4)

Glutamat-Glutamin-Zyklus

EAAT-Transporter

Glutamin-Synthetase

Glutamin-Transporter

EAAT=Exzitatorischer Amino Acid Transporter

(5)

Ionotrope Glutamat-Rezeptoren

AMPA

NMDA

Kainat

Liganden-Bindedomäne

Allgemeine Struktur

Rezeptor an Ionenkanal gekoppelt

Membran von Neuronen

Unterschiede in ihren Eigenschaften (6)

AMPA-Rezeptoren

α-Amino-3-hydroxy-5-methyl-4-Isoxazolpropionacid

• Tetramere

• Permeabel für Na+ und K+

• Je nach UE-Kombination permeabel für Ca2+

• Agonisten: AMPA, Glutamat

(7)

NMDA-Rezeptoren N-Methyl-D-Asparaginsäure

• Tetramere, nicht selektiv

• liganden-& spannungsabhängig

• Öffnung Entfernung des Mg2+-Ion durch Depolarisation

• Agonisten: NMDA, Glutamat und Glycin

(8)

Kainat-Rezeptoren

• Pentamere

• leitfähig für Na+ und K+, geringfügig für Ca2+

• Agonisten: Kainat, Glutamat

• wenig erforscht

(9)

Signaltransduktion durch inotrope Rezeptoren

(10)

Metabotrope Glutamat-Rezeptoren

• G-Protein-gekoppelt

• 8 Rezeptoren mGlu1-8, Aufteilung in 3 Gruppen

• Glutamat-Bindung an großer N-terminalen Domäne

Liganden-Bindedomäne

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

Ca2+ Efflux

Signaltransduktion durch metabotrope Rezeptoren

Phospholipase C spaltet PIP2 zu IP3 & DAG

IP3 bindet an seinen Rezeptor am ER

Ca2+ wird freigesetzt

ER(11)

Teil 2 :

NeurotoxizitätTherapie

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

Würzen mit Glutamat-Pulver

• Gentechnische Herstellung: Corynebacterium glutamicum

• E620 – E625

KEINE Allergie!

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

G

ER

IP3

Ca2+Ca2+

Na+ Cl–

Ca2+

Na+-& Cl–- Aufnahme lässt die Zelle anschwellen Stress

Ca2+- „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 Ca2+-Einstrom

Reaktion der Mitochondrien

• Akkumulieren Ca2+, Transport durch Protonengradient! Ca2+ erniedrigt elektrochemischen Gradienten reduziert ATP-Synthese

• ATP wichtig, um überschüssiges Ca2+ aus der Zelle zu befördern

Mitochondriale Ca2+ -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 Ca2+: Transition Pore öffnet sich Schwellung

• Setzen Cytochrom c frei

(14)

Folgen der Exzitotoxizität: Enzyme

• Phospholipase A: aktiviert Arachnidonsäure ROS

• Ca2+ /Calmodulin: aktiviert NO-Synthase bildet Peroxinitrit (ONOO- ) verändert Aminosäuren, Lipide&DNA

• Proteasen: Calpain zerstört Cytoskelett Caspase Apoptose

• Endonucleasen: zerstören DNA

Weitere Folgen der Exzitotoxizität

• Genexpression MAPK-Signalweg Apoptose

• Aktivierung der Xanthin-Oxidase: erhöht O2- Levels ROS

• Neuron schwillt an: zu viel Na+/ Cl--Influx Depolarisation der Membran

öffnet weitere Ca2+-Kanäle

Übersicht Neurotoxizität: Enzyme

(15)

Source-specificity Hypothese

• Neurotoxizität von Ca2+ hängt nicht von der Menge, sondern von der Eintrittsstelle in die Zelle ab!

Ca2+ Influx durch L-Typ- Ionenkanäle: kein Effekt

Ca2+ Influx durch NMDA-Rezeptoren: neurotoxisch

! Ca2+ 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/Ca2+

Therapieansätze

• Rezeptor-Antagonisten wie MK801

• Antioxidantien fangen ROS ab

• EGTA bindet Ca2+ (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 Ca2+-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 Ca2+-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&tbnid=Zwz4ZaUdtq6N2M:&tbnh=52&tbnw=82&prev=/images%3Fq%3DEAAT%2BTransporter%26svnum%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/biologie/Cytologie/6mitochondrium/das_mitochondrium.htm&h=508&w=688&sz=49&hl=de&start=11&um=1&tbnid=6b-E2sVh5N9N2M:&tbnh=103&tbnw=139&prev=/images%3Fq%3Dmitochondrium%26svnum%3D10%26um%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)

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