Glutamat und Neurotoxizitt Julia Radzwill WS 0708 Gliederung

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 NH 4 -Entgiftung • Kognitive Prozesse (Lernen, Gedächtnis • 2 Rezeptortypen: ionotrope & metabotrope 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 Øz. T. von Gliazellen benötigt ØBei Bedarf in Glutamin umgewandelt GDC Glutamat GABA (4) Wichigster erregender Neurotransmitter wichtigster hemmender Neurotransmitter!

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

Ionotrope Glutamat-Rezeptoren AMPA NMDA Kainat Liganden. Bindedomäne Ø Rezeptor an Ionenkanal gekoppelt Ø Membran von Neuronen ØUnterschiede in ihren Eigenschaften 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)

Kainat-Rezeptoren • Pentamere • 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 m. Glu 1 -8, Aufteilung in 3 Gruppen • Glutamat-Bindung an großer N-terminalen Domäne Protein. Bindestelle (6)

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

Signaltransduktion durch metabotrope Rezeptoren Phospholipase C spaltet PIP 2 zu IP 3 & DAG IP 3 bindet an seinen Rezeptor am ER Ca 2+ wird freigesetzt ER (11) Ca 2+ Efflux

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 Würzen mit Glutamat-Pulver • Gentechnische Herstellung: Corynebacterium glutamicum • E 620 – E 625 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 Ø Alzheimer Ø Parkinson Ø Huntington Ø Amyotrophe Lateralsklerose Ø Multiple Sklerose Ø Epilepsie Ø Schädel-Hirn-Trauma Ø Schlaganfall (12)

Biochemische Ursachen der Glutamat-Neurotoxizität Ionotrope Rezeptoren G Ca 2+ Na+ Cl– Ca 2+ Metabotrope Rezeptoren IP 3 ER Ca 2+ 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+ aus der Zelle zu befördern 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 zerstört Cytoskelett Caspase Apoptose • Endonucleasen: zerstören DNA

Weitere Folgen der Exzitotoxizität • Genexpression MAPK-Signalweg Apoptose • Aktivierung der Xanthin-Oxidase: erhöht O 2 Levels ROS • 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- Ionenkanäle: kein Effekt 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 Ca. M/Ca 2+

Therapieansätze • Rezeptor-Antagonisten wie MK 801 • 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/400 px-Aminations. png 3) http: //www. uni-koeln. de/med-fak/biochemie/biomed/wisspro/martin_kuder_files/image 019. gif (Citratzyklus) 4) http: //www. rpi. edu/dept/bcbp/molbiochem/Bioch. Sci/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=Zwz 4 Za. Udtq 6 N 2 M: &tbnh=52&tbnw=82&prev=/images%3 Fq%3 DEAAT%2 BTransporter%26 sv num%3 D 10%26 um%3 D 1%26 hl%3 Dde%26 client%3 Dfirefoxa%26 rls%3 Dorg. mozilla: de: official%26 sa%3 DN (Glutamin-Glutamat-Zyklus)

Quellen • • 6) http: //www. bris. ac. uk/Depts/Synaptic/info/glutamate. html (Rezeptor-Bilder) 7) http: //www. pharmazie. uni-frankfurt. de/Pharm. Chem/Prof_Stark/bilder/nmda. jpg (AMPA-Rezeptor) 8) http: //upload. wikimedia. org/wikipedia/commons/thumb/6/66/NMDA_receptor. jpg/607 px. NMDA_receptor. jpg (NMDA-Rezeptor) 9) http: //en. wikipedia. org/wiki/GRIK 1 (Kainat-UE) 10) www. sinnesphysiologie. de 11) http: //media. wiley. com/Lux/27/24327. nfg 001. jpg (G-Protein-signalling) 12) http: //www. bio-pro. de/imperia/md/images/artikelgebunden/freiburg/neuron_egert_kl_338 x 231. 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/6 mitochondrium/das_mi 1. gif&imgrefurl=http: //www. scheffel. og. bw. schule. de/faecher/science/ biologie/Cytologie/6 mitochondrium/das_mitochondrium. htm&h=508&w=688&sz=49&hl=de&start=11& um=1&tbnid=6 b. E 2 s. Vh 5 N 9 N 2 M: &tbnh=103&tbnw=139&prev=/images%3 Fq%3 Dmitochondrium%26 svnum%3 D 10%26 um%3 D 1%26 hl%3 Dde%26 client%3 Dfirefox-a%26 rls%3 Dorg. mozilla: de: official%26 sa%3 DG (mitochondrium) http: //homepage. hamburg. de/hellemastering/Bilder 3/pages/So%20 fett%20 wird%20 kein%20 Schwein. htm (Schwein) • Fertiggerichte etc: Google-Bildersuche