Glutamat und Neurotoxizität

Claudia Bernards

Mareike Weimann

Definition NeurotoxizitätDie Neurotoxizität beinhaltet die schädliche Veränderung der Struktur oder Funktion des

Nervensystems, die infolge der Exposition gegenüber einem chemischen, biologischen oder physikalischen Agens entsteht.

Definition ExitoxizitätNeuroretinale Degeneration, die einer Hyperaktivierung ionotroper Glutamatrezeptoren folgt

GlutamatGlutamat 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 second-messenger Moleküle

Gutamatrezeptoren

Iontrope Rezeptoren

NMDA-Rezeptoren AMPA-RezeptorenKainat-Rezeptoren

Metabotrope Rezeptoren

Gruppe IGruppe IIGruppe III

NMDA Rezeptor

NMDA Rezeptor

• Bindestelle für Agonisten (Glutamat)

• Na+ und Ca²+ Kanal• Mg²+-Ionen-Blockade• Co-Aktivator-

Bindestelle (Glycin)• Inhibitorische

Bindestelle (Zn²+)• Polyamin-Bindestelle• Kanalblocker PCP

Spannungs- und Liganden-stimulierter Rezeptor

2

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

Ligand Binding Site

Splice Variation

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

• NR2 und verschiedene Splicevarianten

• Hochspezifische Bindungen mit PSD-ProteineLinker zwischen Rezeptor und Downstreamsignalen

„Über die PSD-Proteine erhalten die NMDA-Rezeptor-vermittelten Ca2+ -Signale ihre Spezifität“

Source-Specifity-Hypothese

z.B.:PSD interagiert mit nNOS (neuronal nitric oxide sythase)Synthase und Ca2+ werden zusammen gebrachtCa2+ 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 ErkrankungenDurch 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 bindenzB 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 bindenzB 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