Glutamat und Neurotoxizität

1. Glutamat und Neurotoxizität Julia Radzwill WS 07/08

2. Gliederung Teil 1 Glutamat als Botenstoff; Synthese Glutamat-Rezeptoren: Aufbau & Funktion Signalübertragung Teil 2 Bedeutung als Geschmacksverstärker Glutamat-Neurotoxizität Therapieansätze Zusammenfassung

3. Teil 1 :SyntheseRezeptorenSignalwege

4. 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)

5. Glutamat-Synthese • Im Citratzyklus aus α-Ketoglutarat • Enzym: Glutamat-Synthase GS (3) (2) α-Ketoglutarat Glutaminsäure

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

7. Glutamat-Glutamin-Zyklus Glutamin-Transporter Glutamin-Synthetase EAAT-Transporter (5) EAAT=Exzitatorischer Amino Acid Transporter

8. Ionotrope Glutamat-Rezeptoren Liganden-Bindedomäne AMPA NMDA Kainat • Rezeptor an Ionenkanal gekoppelt • Membran von Neuronen • Unterschiede in ihren Eigenschaften Allgemeine Struktur (6)

9. 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)

10. NMDA-Rezeptoren • N-Methyl-D-Asparaginsäure • Tetramere, nicht selektiv • liganden-& spannungsabhängig • Öffnung  Entfernung des Mg2+-Ion durch Depolarisation • Agonisten: NMDA, Glutamat und Glycin (8)

11. Kainat-Rezeptoren • Pentamere • leitfähig für Na+ und K+, geringfügig für Ca2+ • Agonisten: Kainat, Glutamat • wenig erforscht (9)

12. Signaltransduktion durch inotrope Rezeptoren (10)

13. 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)

14. Klassen metabotroper Glutamat-Rezeptoren • Klasse 1: aktiviert Phospholipase C  Inositoltriphosphat (IP3) & Diacylgylcerol • Klasse 2: reguliert Adenylatcyclase negativ • Klasse 3: hemmen ebenfalls die Adenylatcyclase

15. Signaltransduktion durch metabotrope Rezeptoren Phospholipase C spaltet PIP2 zu IP3 & DAG IP3 bindet an seinen Rezeptor am ER  Ca2+wird freigesetzt (11) ER Ca2+ Efflux

16. Teil 2 :NeurotoxizitätTherapie

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

18. Chinarestaurant-Syndrom • Mundtrockenheit • Juckreiz im Hals • Kopfschmerzen • Gesichtsmuskelstarre • Übelkeit • Würzen mit Glutamat-Pulver • Gentechnische Herstellung: Corynebacterium glutamicum • E620 – E625 KEINE Allergie!

19. 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 !

20. 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

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

22. Biochemische Ursachen der Glutamat-Neurotoxizität Ionotrope Rezeptoren Metabotrope Rezeptoren G Ca2+ Ca2+ IP3 Na+ Cl– ER Ca2+ Na+-& Cl–- Aufnahme lässt die Zelle anschwellen  Stress Ca2+- „overload“ führt zur Exzitotoxizität (13)

23. 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

24. Reaktion der Mitochondrien • Akkumulieren Ca2+, Transport durch Protonengradient !  Ca2+erniedrigt elektrochemischen Gradientenreduziert 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

25. 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)

26. 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

27. 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

28. Übersicht Neurotoxizität: Enzyme (15)

29. 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

30. 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+

31. Therapieansätze • Rezeptor-Antagonisten wie MK801 • Antioxidantien  fangen ROS ab • EGTA  bindet Ca2+(umstritten) • Vermeidung der Aufnahme von freiem Glutamat

32. 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 

33. 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

34. 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)

35. 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) • Fertiggerichte etc: Google-Bildersuche