Glutamaat

Glutamaat neurotransmitterina

Glutamaat on peamine erutusvirgatsaine selgroogsete organismide närvisüsteemis ning ühtlasi ka aju peamise pidurdusvirgatsaine GABA eelühend. Keemilistes sünapsides säilitatakse glutamaat vesiikulites. Närviimpulsid vallandavad glutamaadi vabanemise presünaptilisest rakust, mis omakorda, seondudes glutamaadi retseptoritega postsünaptilise raku pinnal, aktiveerivad viimase. Kuna glutamaat on oluline sünaptilises plastilisuses, mis tähendab, et sünaps saab tugevneda või nõrgeneda teatud ärrituste mõjul läbi retseptorite arvu kasvu või virgatsaine koguse suurenemise, siis on glutamaat seotud kognitiivsete protsessidega nagu õppimine ja mälu. Näiteks sünapsi pikaajaline erutuvus (long-term potentiation), üks plastilisuse vorme, leiab aset glutaminergilistes sünapsides, mis paiknevad suurajukoores, hipokampuses ning mitmes teises aju piirkonnas. Lisaks toimimisele virgatsainena kahe vahetus läheduses paikneva neuroni vahel, osaleb glutamaat ka ekstrasünaptilises signaliseerimises.

Glutamaadi metabolism

Kuigi on juba 75 aastat teada, et glutamaadil on mõju kesknärvisüsteemile, siis alles aastast 1984 tunnustatakse seda kui virgatsainet. Algselt arvati, et glutamaadil on kesknärvisüsteemis metaboolne funktsioon, sest seda leiti kõikidest kesknärvisüsteemi rakutüüpidest, paiknevana näiteks mitokondris ja tsütosoolis. Küll aga on praegu teada, et vaatamata selle laiale levikule on rakuvälise glutamaadi hulk rangelt reguleeritud, mis võimaldab tal seega käituda kui peamine erutusvirgatsaine imetaja kesknärvisüsteemis. Glutaminergilise süsteemi kontroll on iseenesest väga energiakulukas protsess, mis hõlmab  paljusid regulatoorseid protsesse ning suurt glükoosi ja hapniku tarvet.
Nii nagu kõigil aminohapetel on ka glutamaadil C-terminus ja N-terminus. C-terminus ja süsinikskelett on pärit glükoosilt. Glükoos läbib hematoentsefaalbarjääri läbi astrotsüütide jätkete. Kui glükoos on raku sees, siis see lagundatakse tsütosoolis glükolüüsi käigus püruvaadiks. Püruvaat siseneb  trikarboksüülhappe tsüklisse, mille käigus toodetakse α-ketoglutaraat, mis järgnevalt transamineeritakse. Aminorühm saadakse kas hargnenud ahelaga aminohappelt, näiteks leutsiinilt, isoleutsiinilt või valiinilt või mõnelt aminorühma doonorilt nagu aspartaat, GABA või alaniin. Lisaks virgatsainele funktsioneerib glutamaat ka kui GABA metaboolne prekursor ning kuulub mitmesugustesse ühenditesse, nagu näiteks glutatioon. Metaboolsed uuringud on näidanud, et peaaegu kogu glükoos, mis siseneb kesknärvisüsteemi konverteeritakse lõpuks glutamaadiks.

Glutamaadi transporterid

Glutamaadi transportereid on leitud neuronite ja gliiarakkude membraanidest. Nende eesmärk on glutamaadi tagasihaarde tagamine ehk selle kiire eemaldamine rakuvälisest ruumist. Ajukahjustuse või -haiguse mõjul võivad transporterid töötada vastupidi, põhjustades glutamaadi akumuleerumist rakust välja. See võimaldab kaltsiumi ioonidel siseneda rakkudesse tänu NMDA retseptorite kanalite. Kaltsiumi ioonide kuhjumine raku sisse põhjustab neuronite kahjustusi ning võib lõppeda raku surmaga.
Imetaja genoomis paikneb viis glutamaadi transporteri geeni. Need on: GLAST (EAAT1; slc1a3), GLT1 (EAAT2; slc1a2), EAAC1 (EAAT3; slc1a1), EAAT4 (slc1a6) ja EAAT5 (slc1a7).
EAAT2/GLT1 on kõige olulisem alatüüp täiskasvanud ajus, moodustades 1% kõigist ajus olevatest valkudest. Antud tüüpi transporterid on vastutavad 95% glutamaadi tagasihaarde eest otsajus. GLT1 on peamiselt ekspresseeritud astrotsüütides, kuid on seotud ka glutamaadi tagasihaardes glutaminergilistes närvilõpmetes, vähemasti hipokampuses. Umbes 10% GLT1 noore täiskasvanud roti hipokampuses on lokaliseerunud aksonite terminalidesse, kus see vastutab glutaminergilistes närvilõpmetes kogu tagasihaaratud glutamaadi eest. Dendriitides GLT1 leitud ei ole. Selle tagasihaarde läbiviija on levinud splaissitud isovorm GLT1a. GLT1b-d ei ole märgatud neuronites, kuid on olemas astrogliias koos GLT1a-ga.  GLT1 ja GLAST-i jaotused inimestes ja närilistes on sarnased ning vastuolud kirjanduses on eeldatavasti tekkinud surmajärgse proteolüüsi tõttu. GLT1 on otsajus väikestes kogustes ekspresseeritud sünnimomendil ja kasvab 21. päevaks 50%-ni täiskasvanu tasemest. GLT1 tähtsus rõhutab ka asjuolu, et GLT1 puudulikel hiirtel tekivad epileptilised tunnused umbes 21. sünnijärgseks päevaks ning 50% neist surevad epilepsia tõttu enne 30. päeva.
EAAT1/GLAST on selektiivselt ekspresseeritud astrotsüütides. Kõrgemaid tasemeid on leitud väikeajust, kuid ka otsajus leidub neid oluliselt. Võrkkestas ja sisekõrvas on GLAST- tüüpi transporterid levinumad kui GLT1. Nii nagu GLT1 puhul, suureneb ka GLAST-i ekspressioon otsajus 21. päevaks 50%-ni täiskasvanu tasemest, kuid kasv ei ole nii järsk, sest ka sünnimomendil on GLAST lihtsasti avastatav. GLAST puudulikel hiirtel on täheldatud mõningaid koordinatsioonihäireid ning nad on altimad väikeaju vigastustele, kuid nad on elujõulised ning elavad kõrge eani. Küll aga esineb neil kuulmiskahjustusi, mis on kooskõlas GLAST-i geeni avaldumisega sisekõrvas.
EAAT3/EAAC1 avaldumist on olnud raske lokaliseerida, sest vastavaid antikehi on raske saada. Teine põhjus, miks neid on raske märgata, on nende madal tase, mis on 100 korda väiksem kui GLT1-l. EAAC1 paikneb ainult rakukehades või dendriitides. Seda ei ole tuvastatud aksoni terminalides ega ka astrotsüüdides. EAAC1 puudulikel hiirtel areneb dikarboksüülne aminoatsiduuria, mis on kooskõlas EAAC1 rolliga neerudes. Esimesel kaheteistkümnel kuul neurodegeneratsiooni ei esine, küll aga on võimalik hilisem esinemine, sest EAAC1 vahendab ka neuronite tsüsteiini tagasihaaret.
EAAT4 paikneb valdavalt väikeaju Purkinje rakkudes, kuid seda on leitud ka otsajust. EAAT4 puudulikkus hiirte fenotüübile on tagasihoidlikum.

Glutamaadi retseptorid

Virgatsaine retseptor, mida nimetatakse ka neuroretseptoriks, on membraanne retseptorvalk, mida aktiveerib virgatsaine. Virgatsaine retseptorid jagunevad kaheks laiaks kategooriaks: ionotroopseks ja metabotroopseks. Glutamaadi retseptorid on sünaptilised retseptorid, mis paiknevad peamiselt neuronite membraanidel. Neid võib leida postsünaptiliste rakkude dendriitidelt, kuhu seondub presünaptilisest rakust väljutatud sünaptilises pilus paiknev glutamaat. Ionotroopseid ja metabotroopseid glutamaadi retseptoreid peale NMDA retseptorite on leitud kultiveeritud gliia rakkudelt. Lisaks on ajust tehtud lõigetel tuvastatud glutamaadi retseptorite laialdast levikut arenevates astrotsüütides ja oligodendrotsüütides. Seetõttu on arvatud, et glutamaadi retseptorid on eluliselt tähtsad gliiarakkude arenguks. Glutamaadi retseptorite peamiseks ülesandeks näib olevat siiski sünaptilise plastilisuse moduleerimine. Viimast peetakse eluliselt tähtsaks õppimise ja mälu jaoks. Imetajate glutamaadi retseptoreid klassifitseeritakse vastavalt nende farmakoloogiale.
Ionotroopsed glutamaadi retseptorid on ligandi-seoselised ioonkanalid. Nad moodustavad tetrameerseid komplekse üksikutest või heteromeersetest alaühikutest. Olles seondunud glutamaadiga, muudavad nad kanali katioonidele K⁺, Na⁺ ja vahel ka Ca²⁺ läbitavaks. Antud protsess depolariseerib rakku ning kui on piisavalt glutamaadi retseptoreid aktiveeritud, siis võib see vallandada aktsioonipotentsiaali postsünaptilises neuronis. Ionotroopsed glutamaadi retseptorid on jagatud kolme klassi ning neid on nimetatud vastavalt nende agonistidele: N-metüül-D-aspartaat (NMDA), α-amino-3-hüdroksü-5-metüül-4-isoksasool proprioonhape (AMPA) ja kainate (KA). Kõige suurema afiinsusega glutamaadile on NMDA retseptor.
Metabotroopsed glutamaadi retseptorid moduleerivad sünaptilist aktiivsust ja plastilisust. Nad avaldavad oma mõju läbi rakusisese trimeerse G-valgu värbamise ja aktiveerimise. Metabotroopsed glutamaadi retseptorid koosnevad kolmest kindlast regioonist: rakuvälisest, transmembraansest ja rakusisesest regioonist. Rakuvälisesse regiooni kuulub moodul, mis vastutab glutamaadiga seondumise eest ning tsüsteiinirikas domeen, mis edastab konformatsioonilise muutuse transmembraansele regioonile. Transmembraanne regioon ühendab rakuvälist osa rakusisesega ning sinna kuulub seitse transmembraanset domeeni rakuvälise N-terminusega ja rakusisese C-terminusega. Sarnaselt AMPA retseptoritega on neil pikk N-terminus. Glutamaadi seondumine mGluR rakuvälise regiooniga põhjustab rakusisese regiooniga seotud G-valkude fosforüleerimise, mõjutades sellega mitmeid raku biokeemilisi radu ja ioonkanaleid. Sellepärast saavad metabotroopsed glutamaadi retseptorid nii suurendada kui ka vähendada postsünaptilise raku erutuvust ning põhjustada mitmesuguseid füsioloogilisi ilminguid. Tänaseks on kindlaks tehtud kaheksa metabotroopset glutamaadi retseptorit (mGluR1-8), mis on järgnevalt jagatud kolme funktsionaalsesse rühma, vastavalt nende aminohapete homoloogiale, agonisti seondumisele ja signaaliülekande kaskaadile. I rühma kuuluvad mGluR1 ja mGluR5, II rühma kuuluvad mGluR2 ja mGluR3 ning III rühma mGluR4-8.

Glutamaadi retseptoritega seotud haigused

Glutamaadi retseptorid on laialt levinud kesknärvisüsteemis ning omavad keskset rolli erutuvustoksilisuses. Seepärast on neid seostatud mitmete neurodegeneratiivete haigustega, nagu näiteks: skisofreenia, autsim, Parkinsoni tõbi, hüperaktiivsus tähelepanu puudulikkusega (ADHD) ning polüskleroos (sclerosis multiplex).