Glutamat und Neurotoxizität
Stanislav Maksimov
Teil I
Glutamat und Glutamatrezeptoren
Glutamat
• Proteinogene Aminosäure
• Dominierender excitatorischer Neurotransmitter im
ZNS
• Glu ist die Vorstufe des inhibitorischen
Signalmoleküls GABA
Glutamat Synthese
GABA-Synthese aus Glu
Ionotrope Glu-Rezeptoren
Typen:
• Kommen im ZNS
• Tetra- und Pentamere
• Leiten K+, Na+, Ca2+
NMDA
• NR1, NR2A-D, NR3A
AMPA
• GluR1-4
Kainat
• GluR5-7, KA1,2
Topologie von GluR-Ionenkanällen
Membrantopologie
Natives Kanal
GluR-Zyklus
Journal of Neuroscience 2007
Ionotrope Glu-Rezeptoren
NMDAR
• Binden Glu und Gly (co-Agonist)
• Für die Aktivierung muss der Mg2+ block durch die
Depolarisation entfernt werden (durch schnelle non-NMDAR)
• Langsamere Kinetik als bei non-NMDAR
• Spielen eine dominierende Rolle bei der Glu-vermittelten
Neurotoxizität
• Besitzen feine Regulationsmechanismen
Teil II
Glutamat-vermittelete
Neurotoxizität (NT)
Historisches
• 1957: L-Glu-Injektionen zerstörten die innere
Retinaschicht bei Mäusen (Lucas & Newhouse)
• Glu-vermittelte NT wurde vom drastischen
Anschwellen der Retinazellen gefolgt
• Die Auswirkungen waren am stärksten bei den
Zellen ausgeprägt, die Glu-R exprimierten
• Die toxische Wirkung von GluR konnte durch die
entsprechenden Antagonisten reduziert werden
Komponenten der Glu-vernitteletn
NT
Frühe Phase:
• Anschwellen von Zellen durch den verstärkten Na+Einstrom
Spätere Phase:
• Verstärkter (unkontrollierter) Ca2+-Einstrom führt
zur Aktivierung zahlreicher zellulärer Antworten
Zellschäden und -tod
Ca2+ in einer Zelle
• Einer der wichtigsten sekundären Botenstoffe
• Reguliert zahlreiche Prozesse (Zellproliferation und
–wachstum, Genexpression, Energiemetabolismus,
Apoptose usw.)
• Sehr niedrige intrazelluläre Konzentration (~ 0,1 µM)
• Ca2+-Haushalt muss sehr streng kontrolliert werden
„Source-specifity“-Hypothese
• Toxische Wirkung von Ca2+ ist nicht unbedingt der
[Ca2+]i direkt proportional
• Ca2+-Einstrom über NMDAR führt zu einer stärkeren
Toxizität als der über non-NMDAR
• Der Weg des Ca2+-Eintritts ist wichtig
• NMDAR sind mit Ca2+-sensitiven Elementen
(Enzyme, Ca2+-bindende Proteine) assoziiert oder
befinden sich in ihrer Nähe
NMDAR und postsynaptische
Dichte (PSD)
• MAGUKs (Klasse der PSD-Proteine)
kommen in großen Mengen in
Hirnsynapsen vor und sind in das
Clustering der Membranrzeptoren
involviert
• NMDAR sind mit spezifischen PSDProteinen assoziiert (u.a. mit dem Factin)
• PDZ-Domänen von PSD-95, können
mit NMDAR und nNOS interagieren
(Scaffold-Funktion)
• NOS kann durch Ca2+ aktiviert werden
Auswirkung der Glu-NT auf
Mitochondrien
• Mitochondrien können viel Ca2+ aufnehmen
• Bei übermäßiger Ca-Aufnahme bricht das
elektrochemische H+-Potential über die innere
Mitochondrienmembran zusammen und die ATPSynthese wird runter reguliert
• Störungen in der Elektronentransportkette führen
zur erhöhten ROS-Produktion (z.B. O2-)
ROS in Glu-abhängigen NT
• O2- und NO reagieren zu ONOO- (Peroxynitrit)
• NO und ONOO- können Enzyme der Atmungskette
inhibieren
• ROS reagieren mit Lipiden, Proteinen und DNA
• Aktivierung von ATP-verbrauchenden DNAReparaturenzymen => rascher Verbrauch der
Energiereserven
• Wichtige Mediatoren der Glu-NT (direkte oder indirekte )
Glu-NT kann Apoptose induzieren
• Cytochrom c tritt aus Mitochondrien aus und wird von Apaf1(apoptosis protease-activating factor) gebunden
• Apaf-1 wird durch diese Bindung aktiviert und bildet Oligomere
• Apaf-1 Oligomere rekrutieren Initiator-Procaspase 9 die sich
gegenseitig aktivieren
• Apoptosom (Apaf-1/Caspase9-Komplex) aktiviert Effektor-Caspase
3
• Caspase 3 spaltet Zytoskelett-Proteine und aktiviert DNase
(DFF40/CAD), die ihrerseits DNA degradiert
Alternative Induktion des
programmierten Zelltods
• Gehirnverletzung und ONOO--Behandlung sind mit dem
Austritt von AIF (apoptosis inducing factor) aus den
Mitochondrien assoziiert (normalerweise in
Mitochondrienmatrix)
AIF
• ist in die Caspase-unabhängige Apoptose-Induktion
involviert
• ist mit DNA-Fragmentierung und ChromosomenKondensation assoziiert
• verändert die Permeabilität von Mitochondrienmembran
Ca2+-abhängige Toxizität
Wann tritt die Glu-vermittelte NT auf
• Bei mechanischen Schäden des Gehirns
• Bei Schlaganfall
• Bei Störungen der Gehirndurchblutung was u.a. zur
Hypoxie führt (Ischämie)
Therapieansätze
Blockieren der Glu-Rezeptoren
• inaktiviert Ionenkanäle => unterbindet Ca2+-Einstrom
• nur bei akuten Fällen
• kann nicht auf Dauer eingesetzt werden
Entkopplung der Glu-Rezeptoren von den abwärts
liegenden Signalelementen
• Ionenkanäle bleiben Funktionsfähig
• Ca2+-abhängige „dowstream signalling“ wird uneffizienter
• Ca2+ kann immer noch in die Zelle gelangen =>
Nebenwirkungen möglich
Offene Fragen
• Welche [Ca2+]i ist für die Zelle toxisch?
• Signalübertragungs-Komponente stromabwärts von
NMDAR und die Signalweiterleitung
• Beteiligung unterschiedlicher NMDAR an Glu-NT
• Mechanismen der toxischen Wirkung von ROS
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