Glutamat und Neurotoxizität

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
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
(5)
EAATTransporter
EAAT=Exzitatorischer Amino
Acid Transporter
Ionotrope Glutamat-Rezeptoren
AMPA
NMDA
Kainat
LigandenBindedomäne
 Rezeptor an
Ionenkanal gekoppelt
 Membran von
Neuronen
Unterschiede in
ihren Eigenschaften
Allgemeine Struktur
(6)
AMPA-Rezeptoren
α-Amino-3-hydroxy5-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
Glycin
und
(8)
Kainat-Rezeptoren
• Pentamere
• leitfähig für Na+ und K+,
geringfügig für Ca2+
• Agonisten: Kainat, Glutamat
• wenig erforscht
(9)
Signaltransduktion durch
inotrope Rezeptoren
(10)
Metabotrope GlutamatRezeptoren
• G-Protein-gekoppelt
LigandenBindedomäne
• 8 Rezeptoren mGlu1-8,
Aufteilung in 3 Gruppen
• Glutamat-Bindung an
großer N-terminalen
Domäne
ProteinBindestelle
(6)
Klassen metabotroper GlutamatRezeptoren
• Klasse 1: aktiviert Phospholipase C
 Inositoltriphosphat (IP3) &
Diacylgylcerol
• Klasse 2: reguliert Adenylatcyclase negativ
• Klasse 3: hemmen ebenfalls die
Adenylatcyclase
Signaltransduktion durch
metabotrope Rezeptoren
Phospholipase C
spaltet PIP2 zu IP3 &
DAG
IP3 bindet an seinen
Rezeptor am ER
(11)
 Ca2+ wird
freigesetzt
ER
Ca2+ 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
• 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 GlutamatKonzentration
•
•
•
•
•
•
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
G
Ca2+
Na+
Cl–
Ca2+
Metabotrope
Rezeptoren
IP3
ER
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 O2Levels 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-HirnSchranke
• 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
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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&tbn
id=Zwz4ZaUdtq6N2M:&tbnh=52&tbnw=82&prev=/images%3Fq%3DEAAT%2BTransporter%26sv
num%3D10%26um%3D1%26hl%3Dde%26client%3Dfirefoxa%26rls%3Dorg.mozilla:de:official%26sa%3DN (Glutamin-Glutamat-Zyklus)
Quellen
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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/607pxNMDA_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)
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13) http://www.innovations-report.de/bilder_neu/57998_mitochondrien.jpg (Mitochondrium)
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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/b
iologie/Cytologie/6mitochondrium/das_mitochondrium.htm&h=508&w=688&sz=49&hl=de&start=11&u
m=1&tbnid=6bE2sVh5N9N2M:&tbnh=103&tbnw=139&prev=/images%3Fq%3Dmitochondrium%26svnum%3D10%26
um%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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