Gutamatrezeptoren
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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 Ionotrope Rezeptoren Direkte Steuerung der Ionenkanäle Gutamatrezeptoren Iontrope Rezeptoren Metabotrope Rezeptoren Metabotrope Rezeptoren Indirekte Steuerung über secondmessenger Moleküle Gutamatrezeptoren Iontrope Rezeptoren Metabotrope Rezeptoren NMDA-Rezeptoren AMPA-Rezeptoren Kainat-Rezeptoren Gruppe I Gruppe II Gruppe III NMDA Rezeptor NMDA Rezeptor Spannungs- und Liganden-stimulierter Rezeptor • Bindestelle für Agonisten (Glutamat) • Na+ und Ca²+ Kanal • Mg²+-Ionen-Blockade • Co-AktivatorBindestelle (Glycin) • Inhibitorische Bindestelle (Zn²+) • Polyamin-Bindestelle • Kanalblocker PCP NMDA Rezeptor 2 • 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 nichtfunktionelle Splicevarianten Durch Splicen: unterschiedliche Ligandenaffinitäten möglich NMDA Rezeptor Splice Variation Ligand Binding Site 2 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-Rezeptorvermittelten Ca2+ -Signale ihre Spezifität“ • NR2 und verschiedene Splicevarianten • Hochspezifische Bindungen mit PSDProteine 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 cFreisetzung, 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 Glutamatkonzentrationen 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 ZNSFunktionen Therapieansätze • Inhibition der Glutamat-Rezeptoren : Unmöglich, da NMDA-R auch essentiell für „normale“ Reizweiterleitung sind und für „normale“ physiolpgische ZNSFunktionen • 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 ZNSFunktionen • 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 ZNSFunktionen • 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 calciumdependent 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 glutamatedependent neurodegeneration in ischemia and traumatic brain injury www.bris.ac.uk/synaptic/info/glutamate.html http://pharma1.med.osaka-u.ac.jp/textbook/receptors/glutamatereceptor.html www.synapsis.mcg/edu/lab/harris/lecture13/sld026.htm www.fz-juelich.de/ibi/ibi1/datapool/page/214/Neurotransmitter%20Synthese%20SS2005.ppt http://homepage.psy.utexas.edu/HomePage/class/Psy308/salinas/Neurotra nsmission/metabotropic.gif http://webvision.med.utah.edu/imageswv/GLU6.jpeg http://www.opus-bayern.de/uniregensburg/volltexte/2003/210/pdf/Diss%20korrigiert.pdf http://www.diss.fu-berlin.de/2004/24/kap1.pdf
