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  NH4-Entgiftung Kognitive Prozesse (Lernen, Gedächtnis 2 Rezeptortypen: ionotrope & metabotrope Glutamin: statt OH-Gruppe unten links NH2-Gruppe Glutaminsäure (1)

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

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!

Glutamat-Glutamin-Zyklus Glutamin-Transporter Glutamin-Synthetase Glutamin  Glutaminsäure per Glutaminase ATP-Verbrauch durch Transporter EAAT-Transporter (5) EAAT=Exzitatorischer Amino Acid Transporter

Ionotrope Glutamat-Rezeptoren AMPA NMDA Kainat Liganden-Bindedomäne Rezeptor an Ionenkanal gekoppelt Membran von Neuronen Unterschiede in ihren Eigenschaften Unterschiede Eigenschaften: Aufbau, Sequenz der UE und spezifische Aktivierungs- Bindungs- und Leuistungeingenschaften Allgemeine Struktur (6)

AMPA-Rezeptoren Tetramere Permeabel für Na+ und K+ α-Amino-3-hydroxy- 5-methyl-4-Isoxazolpropionacid Tetramere Permeabel für Na+ und K+ Je nach UE-Kombination permeabel für Ca2+ Agonisten: AMPA, Glutamat Ob die Ca2+ durchlässig sind, entscheidet allein ein Asp in der NR1-subunit (7)

NMDA-Rezeptoren Tetramere, nicht selektiv liganden-& spannungsabhängig 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 Enzyme: Phopholipasen, Endonuclease, Proteasen (10)

Metabotrope Glutamat-Rezeptoren G-Protein-gekoppelt 8 Rezeptoren mGlu1-8, Aufteilung in 3 Gruppen Glutamat-Bindung an großer N-terminalen Domäne Liganden-Bindedomäne 7 TM 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 IP3: Inositoltriphosphat

Signaltransduktion durch metabotrope Rezeptoren Phospholipase C spaltet PIP2 zu IP3 & DAG IP3 bindet an seinen Rezeptor am ER  Ca2+ wird freigesetzt Phospholipase C: spaltet Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (PIP2). Second messenger Inositoltrisphosphat (IP3) und Diacylglycerin (DAG) gebildet. Proteinkinase C: wichtig für Signaltransduktion (11) ER Ca2+ Efflux

Teil 2 : Neurotoxizität Therapie

Glutamat als Geschmacksverstärker 5. Geschmack: „umami“ nur freies Glutamat Wirkung: Sensibilisierung der Mundpapillen & appetitanregend Vermittlung: metabotrope Rezeptoren Umami-Geschmack metabotrop vermittelt! 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 Mechanical deformation of cells can alter the properties of glutamate receptors! Hypoglycämie: Neurone setzen Glu frei

Diese Defekte bzw. ihre Konsequenzen führen zu neurodegenerativen Erkrankungen Alzheimer Parkinson Huntington Amyotrophe Lateralsklerose Multiple Sklerose Epilepsie Schädel-Hirn-Trauma Schlaganfall Epilepsie und Schädel-Hirn-Trauma sowohl Gründe als auch Folgen! Huntington: Caspase-Mutation, Gehirnzellen sterben ab ALS: Motorneurone sterben ab (12)

Biochemische Ursachen der Glutamat-Neurotoxizität Ionotrope Rezeptoren Metabotrope Rezeptoren G Ca2+ Ca2+ IP3 Na+ Cl– ER Ca2+ Glutamat bindet an NMDA-Rezeptor  zu viel Glutamat: acute neuronal swelling by utake of Na+ and Cl-, this causes depolarization of membrane, therefore Ca2+ strömt in die Zelle+aus ER zusätzlich  cell death Na+-& Cl–- Aufnahme lässt die Zelle anschwellen  Stress Ca2+- „overload“ führt zur Exzitotoxizität (13)

Exzitotoxizität Einfluss auf: = 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 Calpain: Ca2+ als Cofactor, Proteasen, die mit dem Cytoskelett assoziiert sind Caspasen: wichtigste Enyzme der Apoptose. Chorea Huntington: Caspase-Mutation. Gestörter Glucose-Stoffwechsel, damit höhrere Empfindlichkeit ggü. Glutamat

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 Citratzyklus, Atmungskette, Apoptose, Fe-S-Cluster Zuviel Ca2+  permeability transition pore öffnet, mt schwellen an 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 O2-. = Superoxid Anion (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 MAPK = Mitogen activated Protein Kinase

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 L-Typ: Ionenkanäle, die für Ca2+ leitfähig sind Durch Ca2+aktivierte Rezeptoren NMDA müssen eng gekoppelt sein mit Aktivierung von Proteinen, die Exzitotoxizität auslösen

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+ Mice overexpressing superoxide dismutase: resistant to GNT. Can remove superoxide anions O2-. Mannitol: binds Hydroxylradikale XO: produziert ROS

Therapieansätze Rezeptor-Antagonisten wie MK801 Antioxidantien  fangen ROS ab EGTA  bindet Ca2+ (umstritten) Vermeidung der Aufnahme von freiem Glutamat EGTA  Ca2+ EDTA  Mg2+

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) Fertiggerichte etc: Google-Bildersuche