Glutamat und Neurotoxizit

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Glutamat und Neurotoxizität

• Julia Radzwill
• WS 07/08

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Gliederung

• Teil 1
• Glutamat als Botenstoff Synthese
• Glutamat-Rezeptoren Aufbau Funktion
• Signalübertragung
• Teil 2
• Bedeutung als Geschmacksverstärker
• Glutamat-Neurotoxizität
• Therapieansätze
• Zusammenfassung

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Teil 1 SyntheseRezeptorenSignalwege
4
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)
5
Glutamat-Synthese

• Im Citratzyklus aus a-Ketoglutarat
• Enzym Glutamat-Synthase

GS
(3)
(2)
a-Ketoglutarat
Glutaminsäure
6
GABA-Synthese aus Glutamat

• ?-Aminobuttersäure
• Glutamat-Decarboxylase

• z.T. von Gliazellen benötigt
• Bei Bedarf in Glutamin umgewandelt

GDC
Glutamat
GABA
(4)
Wichigster erregender Neurotransmitter
wichtigster hemmender Neurotransmitter!
7
Glutamat-Glutamin-Zyklus
Glutamin-Transporter
Glutamin-Synthetase
EAAT-Transporter
(5)
EAATExzitatorischer Amino Acid Transporter
8
Ionotrope Glutamat-Rezeptoren

• AMPA
• NMDA
• Kainat

Liganden-Bindedomäne

• Rezeptor an Ionenkanal gekoppelt
• Membran von Neuronen
• Unterschiede in ihren Eigenschaften

Allgemeine Struktur
(6)
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AMPA-Rezeptoren

• a-Amino-3-hydroxy-
• 5-methyl-4-Isoxazolpropionacid
• Tetramere
• Permeabel für Na und K
• Je nach UE-Kombination permeabel für Ca2
• Agonisten AMPA, Glutamat

(7)
10
NMDA-Rezeptoren

• N-Methyl-D-Asparaginsäure
• Tetramere, nicht selektiv
• liganden- spannungsabhängig
• Öffnung ? Entfernung des Mg2-Ion durch
  Depolarisation
• Agonisten NMDA, Glutamat und Glycin

(8)
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Kainat-Rezeptoren

• Pentamere
• leitfähig für Na und K, geringfügig
  für Ca2
• Agonisten Kainat, Glutamat
• wenig erforscht

(9)
12
Signaltransduktion durch inotrope Rezeptoren
(10)
13
Metabotrope Glutamat-Rezeptoren

• G-Protein-gekoppelt
• 8 Rezeptoren mGlu1-8, Aufteilung in 3 Gruppen
• Glutamat-Bindung an großer N-terminalen Domäne

Liganden-Bindedomäne
Protein-Binde-stelle
(6)
14
Klassen metabotroper Glutamat-Rezeptoren

• Klasse 1 aktiviert Phospholipase C
• ? Inositoltriphosphat (IP3)
  Diacylgylcerol
• Klasse 2 reguliert Adenylatcyclase negativ
• Klasse 3 hemmen ebenfalls die
  Adenylatcyclase

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Signaltransduktion durch metabotrope Rezeptoren
Phospholipase C spaltet PIP2 zu IP3 DAG IP3
bindet an seinen Rezeptor am ER ? Ca2 wird
freigesetzt
(11)
ER
Ca2 Efflux
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Teil 2 NeurotoxizitätTherapie
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Glutamat als Geschmacksverstärker

• 5. Geschmack umami
• nur freies Glutamat
• Wirkung Sensibilisierung der
  Mundpapillen appetitanregend
• Vermittlung metabotrope Rezeptoren

• natürliches Vorkommen Tomaten, Käse, Mais,
  Sojasauce

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Chinarestaurant-Syndrom

• Mundtrockenheit
• Juckreiz im Hals
• Kopfschmerzen
• Gesichtsmuskelstarre
• Übelkeit
• Würzen mit Glutamat-Pulver
• Gentechnische Herstellung
• Corynebacterium glutamicum
• E620 E625

KEINE Allergie!
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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

!
20
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

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• Diese Defekte bzw. ihre Konsequenzen führen zu
  neurodegenerativen Erkrankungen
• Alzheimer
• Parkinson
• Huntington
• Amyotrophe Lateralsklerose
• Multiple Sklerose
• Epilepsie
• Schädel-Hirn-Trauma
• Schlaganfall

(12)
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Biochemische Ursachen der Glutamat-Neurotoxizität
Ionotrope Rezeptoren
Metabotrope Rezeptoren
G
Ca2
Ca2
IP3
Na Cl
ER
Ca2
Na- Cl- Aufnahme lässt die Zelle anschwellen ?
Stress Ca2- overload führt zur Exzitotoxizität
(13)
23
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

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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
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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)
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Folgen der Exzitotoxizität Enzyme

• Phospholipase A aktiviert Arachnidonsäure
• ? ROS
• Ca2 /Calmodulin aktiviert NO-Synthase
• ? bildet Peroxinitrit (ONOO- )
• ?verändert Aminosäuren, LipideDNA
• Proteasen Calpain zerstört Cytoskelett
• Caspase ? Apoptose
• Endonucleasen zerstören DNA

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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

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Übersicht Neurotoxizität Enzyme
(15)
29
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

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Verteidigungsmechanismen der Zelle

• Aktivierung von Antioxidantien
• Superoxid-Dismutase, Mannitol, a-Tocopherol,
  Vitamin C
• Allopurinol inhibiert Xanthin-Oxidase
• Cytochrom c-Freisetzung aus Mitochondrien (frühe
  Phase)
• Rezeptoren negative Rückkopplung durch CaM/Ca2

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Therapieansätze

• Rezeptor-Antagonisten wie MK801
• Antioxidantien ? fangen ROS ab
• EGTA ? bindet Ca2 (umstritten)
• Vermeidung der Aufnahme von freiem Glutamat

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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 ?

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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

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Quellen

• Anna Atlante, Pietro Calissano, Antonella Bobba,
  Sergio Giannattasio, Ersilia Marra, Salvatore
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  Biochemical Societies, 2001
• Arundine, Tymianski Glutamate toxicity in
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  and Molecular Life Sciences, 2003
• Sattler, Tymianski Molecular mechanisms of
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• Kandel, Schartz, Jessel Neurowissenschaften,
  Spektrum, 1996
• Nicholls, Martin, Wallace, Fuchs From Neuron to
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• 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/
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• 3) http//www.uni-koeln.de/med-fak/biochemie/biome
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• 4) http//www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/BiochSc
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• 5)http//www.molecularpain.com/content/1/1/30h64
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  N (Glutamin-Glutamat-Zyklus)

35
Quellen

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• 7) http//www.pharmazie.uni-frankfurt.de/PharmChem
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• 9) http//en.wikipedia.org/wiki/GRIK1 (Kainat-UE)
• 10) www.sinnesphysiologie.de
• 11) http//media.wiley.com/Lux/27/24327.nfg001.jpg
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• 12) http//www.bio-pro.de/imperia/md/images/artike
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  (Neuron)
• 13) http//www.innovations-report.de/bilder_neu/57
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  al26sa3DG (mitochondrium)
• http//homepage.hamburg.de/hellemastering/Bilder3/
  pages/So20fett20wird20kein20Schwein.htm
  (Schwein)
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