Glutamat und Neurotoxizität Claudia Bernards Mareike Weimann

Definition Neurotoxizität Die Neurotoxizität beinhaltet die schädliche Veränderung der Struktur oder Funktion des Nervensystems, die infolge der Exposition gegenüber einem chemischen, biologischen oder physikalischen Agens entsteht. Definition Exitoxizität Neuroretinale Degeneration, die einer Hyperaktivierung ionotroper Glutamatrezeptoren folgt

Glutamat Glutamat ist in vielen Stoffwechselkreisläufen vertreten Citratzyklus Harnstoff Transaminierung ...

Glutamat im ZNS Im Gehirn wichtigster exitatorischer Neurotransmitter Kreislauf des Glutamat an der Synapse:

Verstoffwechselung von Glutamat zu GABA

Gutamatrezeptoren Ionotrope Rezeptoren

Direkte Steuerung der Ionenkanäle Ionotrope Rezeptoren Direkte Steuerung der Ionenkanäle

Gutamatrezeptoren Iontrope Rezeptoren Metabotrope Rezeptoren

Metabotrope Rezeptoren Indirekte Steuerung über second-messenger Moleküle

Gutamatrezeptoren Iontrope Rezeptoren Metabotrope Rezeptoren NMDA-Rezeptoren AMPA-Rezeptoren Kainat-Rezeptoren Metabotrope Rezeptoren Gruppe I Gruppe II Gruppe III

NMDA Rezeptor

Spannungs- und Liganden-stimulierter Rezeptor NMDA Rezeptor Spannungs- und Liganden-stimulierter Rezeptor Bindestelle für Agonisten (Glutamat) Na+ und Ca²+ Kanal Mg²+-Ionen-Blockade Co-Aktivator-Bindestelle (Glycin) Inhibitorische Bindestelle (Zn²+) Polyamin-Bindestelle Kanalblocker PCP

NMDA Rezeptor 4 oder 5 Untereinheiten 1x NR1 1x NR2a-c/d extrazellulärer N- Terminus intrazellulärer C-Terminus 4 Transmembrandomänen NR1: Liganden- und Spannungsabhängiger Bereich NR1: 8 funktionelle + 1 nicht-funktionelle Splicevarianten Durch Splicen: unterschiedliche Ligandenaffinitäten möglich 2

NMDA Rezeptor Splice Variation 2 Ligand Binding Site Splice Variation

Ursachen der Glutamatüberflutung Nicht ausreichend Energie in Form von Sauerstoff und Glukose vorhanden Keine ATP-Synthese Der Ionengradient kann nicht aufrecht erhalten werden Depolarisierung der Zelle Spannungsabhängige Kanäle werden aktiviert und Glutamat in extrazellulären Raum sezerniert  [Glu] im synaptischen Spalt

Ursachen der Glutamatüberflutung Nicht ausreichend Energie in Form von Sauerstoff und Glukose Keine ATP Synthese Der Ionengradient kann nicht aufrecht erhalten werden Depolarisierung der Zelle Spannungsabhängige Kanäle werden aktiviert und Glutamat in extrazellulären Raum sezerniert  [Glu] im synaptischen Spalt Defekte der Glutamattransporter Glutamat wird nicht aus dem synaptischen Spalt entfernt und in die Begleitzellen transportiert

Ursachen der Glutamatüberflutung Nicht ausreichend Energie in Form von Sauerstoff und Glukose Keine ATP Synthese Der Ionengradient kann nicht aufrecht erhalten werden Depolarisierung der Zelle Spannungsabhängige Kanäle werden aktiviert und Glutamat in extrazellulären Raum sezerniert  [Glu] im synaptischen Spalt Defekte der Glutamattransporter Glutamat wird nicht aus dem synaptischen Spalt entfernt und in die Begleitzellen transportiert Gliäre Narben infolge von mechanischen Verletzungen keine Glutamataufnahme aus dem synaptischen Spalt möglich

Source-Specifity-Hypothese „Über die PSD-Proteine erhalten die NMDA-Rezeptor-vermittelten Ca2+ -Signale ihre Spezifität“ NR2 und verschiedene Splicevarianten Hochspezifische Bindungen mit PSD-Proteine Linker zwischen Rezeptor und Downstreamsignalen

Source-Specifity-Hypothese z.B.: PSD interagiert mit nNOS (neuronal nitric oxide sythase) Synthase und Ca2+ werden zusammen gebracht Ca2+ aktiviert die Synthase

Folgen des Ca2+-Anstieges für die Zelle

Aktivierung von Phospholipase A2 Oxidase verarbeitet Arachninsäure zu freien Sauerstoffradikalen (ROS) Hohe Reaktivität mit DNA, Proteinen und Lipiden Zerstörung der Mitochondrien ATP-Haushalt sinkt pH-Wert sinkt

Stickstoffmonoxid und ROS bilden Peroxynitrit PARS wird aktiviert => braucht Energievorräte auf Stickstoffmonoxid und Peroxynitrit inhibieren Enzyme der mitoch. Atmungskette Depolarisation der Mitochondrien => Cytochrom c-Freisetzung, welches mit AIF und APAF1 interagiert

Calpain zerstört Bestandteile des Cytoskeletts

Aktivierung der Endonukleasen durch hohe Ca2+-Konzentrationen und niedrigen pH => Zerstörung von DNA

Krankheiten im Zusammenhang mit Glutamatneurotoxizität Hypoxie Hyperoxie Epilepsie Ischämie Huntington Alzheimer Parkinson Inflammation Trauma Apoplex (Schlaganfall) Degenerative Erkrankungen Durch andauernde höhere Glutamat-konzentrationen im synayptischen Spalt können Signale nicht mehr richtig erkannt und weitergeleitet werden, bis die Zellen schließlich absterben.

Therapieansätze Inhibition der Glutamat-Rezeptoren : Unmöglich, da NMDA-R auch essentiell für „normale“ Reizweiterleitung sind und für „normale“ physiologische ZNS-Funktionen

Therapieansätze Inhibition der Glutamat-Rezeptoren : Unmöglich, da NMDA-R auch essentiell für „normale“ Reizweiterleitung sind und für „normale“ physiolpgische ZNS-Funktionen Angriffspunkt: Interaktion PSD/ NMDA: Supression von PSD ist nicht möglich für Schlaganfall und im Nachhinein nicht mehr möglich

Therapieansätze Inhibition der Glutamat-Rezeptoren : Unmöglich, da NMDA-R auch essentiell für „normale“ Reizweiterleitung sind und für „normale“ physiolpgische ZNS-Funktionen Angriffspunkt: Interaktion PSD/ NMDA: Supression von PSD ist nicht möglich für Schlaganfall und im Nachhinein nicht mehr möglich Interaktion hindern ohne NMAD-R zu blocken: Peptide, die an Bindedomäne von PSD/NMDA-R binden zB neun c-term Reste von NR2b werden an zusätzliches Peptid gebunden, welches an Membran bindet schützt Zellen vor Neurotoxizität und reduziert drastisch den Hirnschlag während neuronale Funktionen ausgeübt werden können

Therapieansätze Inhibition der Glutamat-Rezeptoren : Unmöglich, da NMDA-R auch essentiell für „normale“ Reizweiterleitung sind und für „normale“ physiolpgische ZNS-Funktionen Angriffspunkt: Interaktion PSD/ NMDA: Supression von PSD ist nicht möglich für Schlaganfall und im Nachhinein nicht mehr möglich Interaktion hindern ohne NMAD-R zu blocken: Peptide, die an Bindedomäne von PSD/NMDA-R binden zB neun c-term Reste von NR2b werden an zusätzliches Peptid gebunden, welches an Membran bindet schützt Zellen vor Neurotoxizität und reduziert drastisch den Hirnschlag während neuronale Funktionen ausgeübt werden können Verhinderung der Bildung freier Radikale

Zusammenfassung Glutamat kann als Neurotoxin wirken, indem es zur Dauererregung führt, welche den Zelltod auslöst. Viele Krankheiten stehen mit Glutamat im Zusammenhang. Es gibt verschiedene Therapieansätze.

Quellen T.H. Murphy, M. Miyamoto, A. Sastre, R.L. Schnaar, J.T. Coyle (1989) – Glutamate toxicity in a neural cell line involves inhibition of cystine transport leading to oxidative stress Rita Sattler, Michael Tymiansky (2000) – Molecular mechanisms of calcium-dependent excitotoxicity A. Atlante, P.Calissano, A. Bobba, S. Giannattasio, E. Marra, S. Passarella (2001) – Glutamate neurotoxicity, oxidatve stress and mitochondria M. Arundine, M. Thymiansky (2003) – Molecular mechanisms of glutamate- dependent neurodegeneration in ischemia and traumatic brain injury www.bris.ac.uk/synaptic/info/glutamate.html http://pharma1.med.osaka-u.ac.jp/textbook/receptors/glutamate-receptor.html www.synapsis.mcg/edu/lab/harris/lecture13/sld026.htm www.fz-juelich.de/ibi/ibi-1/datapool/page/214/Neurotransmitter%20Synthese%20SS2005.ppt http://homepage.psy.utexas.edu/HomePage/class/Psy308/salinas/Neurotransmission/metabotropic.gif http://webvision.med.utah.edu/imageswv/GLU6.jpeg http://www.opus-bayern.de/uni-regensburg/volltexte/2003/210/pdf/Diss%20korrigiert.pdf http://www.diss.fu-berlin.de/2004/24/kap1.pdf