NMDA-reseptori
N-metyyli-D-aspartaatti reseptorit eli NMDAR:ät ovat rakenteeltaan moninainen ryhmä glutamaattireseptoreihin kuuluvia ionikanavia, jotka aktivoituessaan päästävät lävitseen soluihin kationeja kuten Ca2+. Tyypillisten NMDAR:ien luonnollinen aktivoiva (agonistinen) ligandi on L-glutamaatti, jonka sitoutuminen reseptoriin avaa sen ionikanavan. NMDAR:ät vaativat myös aukeamiseen muista glutamaattireseptoreista poiketen D-seriinin tai L-glysiinin samanaikaisen sitoutumisen koagonistina ja solun depolarisaation, joka vapauttaa kanavaa normaalisti sulkevan Mg2+-ionin.[1] NMDAR:t ovat heterotetrameerejä, eli ne koostuvat 4:stä alayksiköstä, joista osa on keskenään erilaisia.[2] Keskushermostossa NMDAR:ät ovat keskeisessä roolissa sen kehittymisessä ja muotoutuvuudessa (plastisuudessa), sekä oppimisessa ja muistamisessa.[3] NMDAR:iä on muuallakin, kuten munuaisissa, sydämessä ja luustossa, joissa ne säätelevät niiden eri toimintoja.[4]
NMDAR-antagonisteja käytetään mm. anestesia-aineina, yskänlääkkeinä ja Alzheimerin taudin hidastamisessa. Esimerkkejä ovat vastaavasti ketamiini, dekstrometorfaani ja memantiini.[5] Tiettyjä antagonisteja kuten fensyklidiiniä (PCP), ketamiinia ja dekstrometorfaania (DXM) käytetään myös laajalti dissosiatiivisina päihteinä.[6]
Monet NMDAR:ien agonistit ovat eksitotoksisia ja NMDAR:ien liikatoiminnan on tutkittu liittyvän eksitotoksin mekanismein keskeisesti hermostoa rappeuttaviin sairauksiin kuten Alzheimerin ja Parkinsonin tautiin.[7] Antagonisteista osa on tiettävästi hermosoluille myrkyllisiä ja voivat aiheuttaa Olneyn leesioita.[8]
NMDAR:ät on nimetty nimetty niiden agonistina toimivan keinotekoisen NMDA:n mukaan, jonka avulla NMDAR:ät löydettiin 1970-luvulla.[9]
Ihmisten NMDAR:ät ovat heterotetrameerisiä proteiinikomplekseja eli ne koostuvat neljästä yhteen liittyneestä proteiinialayksiköstä, joista osa on keskenään erilaisia. Rakenteeltaan moninaiset NMDAR:ät koostuvat kahdesta GluN1-alayksiköstä ja kahdesta GluN2- tai GluN3-alayksiköstä – GluN1-3 jaetaan kukin vielä eri alaryhmiin (alaotsikot alla).[2]
NMDAR:ssä on 4 osaa:
Aminoterminaalidomeeni (ATD) on 400–450 aminohappoa pitkä solun ulkoinen alue, joita ei tarvita ionikanavan toimintaan, mutta ne osallistuvat NMDAR:n lääkinnällisiin ja kineettisiin ominaisuuksiin. Esimerkiksi GluN2A voi sitoa NMDAR:n toimintaa hidastavia Zn2+-ioneita, ja GluN2B:ssä on ifenprodiilin ja sen kaltaisten aineiden sitoutumisalue.[10] Ligandia sitova domeeni (eng. ligand binding domain, LBD) on välttämätön solun ulkoinen alue, johon normaalisti glysiini, D-seriini tai seriini sitoutuu (sitoutuva aine riippuu alayksikön tyypistä) aktivoiden siten reseptorin.[10] Solukalvon läpäisevä domeeni (eng. transmembrane domain, TMD) pitää NMDAR:ää kiinni solukalvossa, ja on upottautuneena kalvoon. TMD koostuu edelleen M1-, M2-, M3- ja M4-proteiiniyksiköistä. M2-yksiköt ovat kanavan sisällä ja vuorovaikuttavat normaalisti Mg2+ kanssa, tai tiettyjen aineiden kuten ketamiinin kanssa.[10] Solukalvon sisäinen karboksiterminaalidomeeni (eng. carboxyl terminal domain, CTD).[10]
GRIN1-geenin vaihtoehtoinen silmukointi voi ihmisillä johtaa 8:n eri GluN1-alayksikön muodostumiseen (taulukko).[11]
GluN2-alayksiköt ovat GluN2A, GluN2B, GluN2C ja GluN2D. Näitä koodaavat vastaavasti geenit GRIN2A, GRIN2B, GRIN2C ja GRIN2D. Alayksiköiden pituudet ihmisillä ovat vastaavasti 1442, 1456, 1220 ja 1296 aminohappoa.[11]
GluN3-alayksiköt ovat GluN3A ja GluN3B. Näitä koodaavat vastaavasti geenit GRIN3A ja GRIN3B. Alayksiköiden pituudet ovat ihmisillä vastaavasti 1089 ja 985 aminohappoa. GluN3-yksiköt GlunN1- tai GluN2-yksiköiden kanssa tetrameerin muodostaessaan hillitsevät NMDAR:n kationien läpäisyä.[11]
Tetrameerisessä NMDAR:ssä tulee olla sen muodostumiseksi vähintään 2 GluN1-yksikköä (mikä tahansa 8:sta silmukointimuunnelmasta). Loput 2 voivat olla jokin 4:stä GluN2-yksiköstä ja/tai 2:sta GluN3-yksiköstä.[12] Ihmisten keskushermoston yhdistelmiä ovat esimerkiksi diheteromeerit 1/2A, 1/2B, 1/2C, 1/2D ja 1/3A. Ainakin seuraavat triheteromeeriset yhdistelmät ovat myös mahdollisia: 1/2A/2B, 1/2A/2C, 1/2B/2D ja 1/2B/3A.[13]
Eri alayksikköyhdistelmistä koostuvilla NMDAR:illä on eri perusominaisuuksia kuten niiden eriävä Ca2+ läpäisykyky, Mg2+ salpauskyky ja agonistien affiniteetit eli sitoutumisherkkyydet (taulukko).[2] Yhdistelmien ilmeneminen esimerkiksi keskushermostossa vaihtelee eliöissä niiden kehitysvaiheiden (lapsuuden, aikuisuuden) aikana, mutta yhdistelmien sijainti keskittyy myös eri alueille esimerkiksi aivoissa. GluN1-yksikköjä on niiden välttämättömyyden vuoksi laajalti keskushermoston NMDAR:issä.[12]
Kehon tuottama NMDAR:iä aktivoiva välittäjäaine on L-glutamaatti, joka sitoutuu GluN2-alayksikön LBD:hen. Aktivointi vaatii L-glysiinin tai D-seriinin samanaikaisen sitoutumisen "koagonistina" GluN1- ja GluN3-alayksiköiden LBD:eihin. NMDAR:ien ionikanavan sisään kiinnittynyt Mg2+-ioni salpaa reseptorin kiinni. Solun sisällä on negatiivinen, noin -70 mV, jännite-ero suhteessa solun ulkopuoleen, jonka vuoksi kanavaan mahtuva positiivisesti varautunut Mg2+ pitää kanavaa kiinni.[10] Hermosolujen ulkoinen Mg2+-pitoisuus on lisäksi millimolaarisuusluokkaa ja sisäinen mikromolaarisuusluokkaa. Mg2+ poistuminen kanavasta vaatii solun voimakkaan depolarisaation. Depolarisaatio poistaa Mg2+:n, jolloin agonistia ja koagonistia sitovan NMDAR:n ionikanava aukeaa. Monimutkaisen aktivaationsa vuoksi NMDAR:t aktivoituvat hitaammin kuin muut glutaminergiset ionikanavareseptorit (AMPA- ja kainaattireseptorit).[3] NMDAR:ien toimintaan vaikuttavat normaalisti myös mm. pH-arvo ja sinkki-ionit ja tietyt polyamiinit kuten spermidiini, spermiini.[14]
GluN3-NMDAR:illä ei ole sitoumispaikkaa glutamaatille ja ne aktivoituvat pelkän glysiinin tai D-seriinin vaikutuksesta. NMDAR:illä ei siis ole ensisijaista agonistia, mutta glutamaatista ja glysiinistä/seriinistä käytetään usein silti vastaavasti termejä agonisti ja koagonisti.[15]
Kanavan auetessa solun ulkoiset Ca2+-ionit virtaavat sisälle soluun – samalla K+ ja Na+ voivat läpäistä kanavan. Ionien virtaussuunta riippuu niiden solupitoisuuksista.[10] Normaalisti K+ virtaavat ulos solusta ja Na+ sisään.[16] Hallittu Ca2+ virtaus solun sisään pitää osaltaan solun elossa, mutta liika virtaus voi johtaa solukuolemaan johtavaan eksitotoksisuuteen.[10] Solun sisällä Ca2+-ionit voivat vaikuttaa mm. kalsiumista riippuviin entsyymeihin, toisiolähetteihin (proteiinikinaaseihin, fosfataaseihin), telineproteiineihin (eng. scaffold protein), solun tukirangan elementteihin, GTP:tä sitoviin proteiineihin ja adheesiomolekyyleihin. Vaikutukset ovat pitkäaikaisia ja laajoja.[17]
NMDAR:iä löytyy eliöiltä keskushermostosta synapseista ja niiden ulkoisilta (ekstrasynaptisilta) alueilta. Toimivia NMDAR:iä on eri eliöiltä löydetty muistakin kudoksista, mm. munuaisista, luista, sydämestä, lisäkilpirauhasista, imusoluista, haimasta, kateenkorvasta, ihosoluista, munasarjoista, vatsalaukusta ja alemmista virtsatiehyeistä.[4]
Hermosolujen pintojen NMDAR:istä noin 30–40% kuitenkin vaihtaa paikkaa synaptisilta alueilta ekstrasynaptisille (ja päinvastoin) lateraalidiffuusiolla – keskimäärin nopeus on 0.05 μm2/s, eli vaihdos voi tapahtua minuuteissa. Liike riippuu NMDAR:än alayksiköistä. Esimerkiksi hippokampuksen hermosolujen GluN2B-NMDAR:t vaihtavat paikkaa synaptisille alueille, mutta GluN2A-NDAR:ien liike rajoittuu vain ekstrasynaptisille alueille. Ei tiedetä vaikuttaako hermosolujen NMDAR:ien aktiivisuus tai toiminnan estyminen agonistien/antagonistien vaikutuksesta niiden liikkeeseen.[12]
Munuaisissa NMDAR:ät ylläpitävät niiden normaalia toimintaa osallistumalla mm. niiden verisuoniston laajentumiseen/supistumiseen, Na+ takaisin ottoon ja virtsan erityksen säätelyyn vaikuttamalla mm. munuaiskerästen suodatusnopeuteen eli GFR-arvoon. Jatkuvan munuais-NMDAR:ien aktivaation on ehdotettu voivan johtaa munuaisten vajaatoimintaan ja kohonneeseen verenpaineeseen paikallisesti munuaisissa tai laajemmaltikin. Sydämessä NMDAR:illä on keskeinen rooli sen sähkötoiminnan säätelyssä.[4]
pienoiskuva|350px|A: NMDAR. B: GluN1-yksikköön sitoutuva kilpaileva antagonisti. C: GluN2-yksikköön sitoutuva kilpaileva antagonisti. D: allosteerinen ei-kilpaileva antagonisti. E: kanavaa salpaava ei-kilpaileva antagonisti.
Mm. nämä aineet sitoutuvat kilpailevasti GluN1-alayksikön glysiiniä tai D-seriiniä sitovalle alueelle estäen niiden sitoutumisen, ja sitten joko aktivoiden tai inaktivoiden reseptorin.
Agonisteja: (R)-HA-966, ACBC, ACPC, D-seriini, L-687,414.[14]
Antagonisteja: 5,7-diklorokynureenihappo, ACEA-1021, CGP 61594, CNQX, DNQX, GV 150526, GV 196771A, kynureenihappo, L-683,344, L-683,560, L-701,324,[14] ACPR (1-aminosyklopropaanikarboksyylihappo).[6]
Mm. nämä aineet sitoutuvat kilpailevasti GluN2-alayksikön glutamaattia sitovalle alueelle estäen sen sitoutumisen, ja sitten joko aktivoiden tai inaktivoiden reseptorin.
Agonisteja: (1R, 3R)-ACPD, (2S, 1'R, 2'S)-CCG, L-glutamiinihappo, NMDA, homokinoliinihappo, tetratsolyyliglysiini, trans-ABCD.[14]
Antagonisteja: ACPEB, CGP 37849, CGS 19755, CPP, CPP-eeni, D-AP7, LY235959, NPC 17742, NVP-AAM077, PBPD, PMPA, PPDA, SCZ-EAB-515, UBP141.[14]
Eri NMDAR:ien ionikanavien sisälle voi Mg2+:n kaltaisesti kiinnittyä molekyylejä. Nämä ovat ei-kilpailevia antagonisteja eli ne estävät Ca2+ virtausta soluun reseptorin lähialueen antagonistien pitoisuudesta riippuen. Näitä ovat mm. ditsosilpiini, fensyklidiini (PCP), ketamiini, memantiini,[14] amantadiini,[6] dekstrometorfaani (DXM), dekstrorfaani (DXO),[18] efenidiini.[19]
Nämä aineet ovat allosteerisia säätelijöitä, sillä ne sitoutuvat NMDAR:iin eri alueille kuin glutamaatti, glysiini tai D-seriini. Tiettyä, vain GluN2B:ssä, olevaa sitoutumisaluetta kutsutaan ifenprodiilin tai polyamiinien sitoutumisalueeksi, johon sitoutuvat antagonistisesti mm. CP-101,606, nylindriini, Ro 25-6981, spermidiini, spermiini, haloperidoli, ifenprodiili,[14] eliprodiili.[6]
Sinkki-ionit (Zn2+) salpaavat ei-kilpailevasti GluN2A- ja GluN2B-NMDAR:iä sitoutumalla näiden ATD:ihin.[14]
Nämä ovat tarkemmin luokittelemattomia tai sitoutumispaikaltaan tuntemattomia ligandeja.
Antagonisteja: ilokaasu (sitoutumispaikka tuntematon, ilokaasu vaikuttaa muihinkin reseptoreihin kuin NMDAR:iin).[20]
Ei-kilpailevia antagonisteja: 2-MDP, 2-MeO-difenidiini, 2-MeO-ketamiini (2-MK), 2-okso-PCE, 3-HO-PCE, 3-HO-PCP, 3-MeO-PCP, 3-MeO-PCPr, 3-MeO-PCPy, 4'-Me-PCP, 4'-Me-PCP, BnCP, N-etyylinorketamiini (N-EK), NPS-1506, PCEEA, PCMEA, PCMPA, PCMo (PCM), PCPr (NPPCA), PCiP (NIPPCA), TCPy, aptiganeeli, deksoksadrooli, difenidiini, etisyklidiini (PCE), lanikamiini, lefetamiini, metoksetamiini (MXE), metoksietisyklidiini (3-MeO-PCP), metoksydiini (4-MeO-PCP), rolisyklidiini (PCPy), tenosyklidiini, tiletamiini,[6] etanoli (sitoutumispaikka tuntematon, etanoli vaikuttaa muihinkin reseptoreihin kuin NMDAR:iin).[21] Lyijy (Pb2+, sitoutuu ehkä samaan kohtaan ATD:ssä kuin sinkki).[22]
NMDAR-antagonisteja kuten ketamiinia käytetään kipua lievittävinä anestesia-aineina. Dekstrometorfaania käytetään yskänlääkkeenä.[5]
NMDAR:ien liiallinen aktivoituminen johtaa eksitotoksisuuteen, joka osallistuu hermosolujen kuoleman viimeisiin vaiheisiin halvauksissa, ja sairauksissa kuten Parkinsonin, Alzheimerin, Huntingtonin ja ALS-tauti. Alzheimerin tautia hidastavana hoitona käytetään usein memantiinia, joka on NMDAR-antagonisti.[7] Pääasiassa synapsien ulkoiset (ekstrasynaptiset) NMDAR:ät laukaisevat eksitotoksisen vaikutuksen monissa hermostoa rappeuttavissa sairauksissa. Synaptiset NMDAR:t suojaavat hermostoa ja niiden pieni määrä suhteessa ekstrasynaptisiin NMDAR:iin on hermostolle vahingollista.[23]
NMDAR:ien alitoiminta on yksi teorioista skitsofrenian oireiden taustalla mm. hermostossa esiintyvän liiallisen dopamiinin lisäksi. Mm. NMDAR:ien koagonisteina toimivaa glysiiniä ja D-seriiniä, ja osittaisagonistina toimivaa D-sykloseriiniä on siksi kokeiltu hoitona skitsofrenian oireiden lievittämiseen lupaavin tuloksin.[7]
NMDAR-antagonistien on esitetty toimivan lupaavana ja nopeavaikutteisena hoitona masennukseen ja kaksisuuntaisen mielialahäiriön masennnusjaksoihin. Antagonistit kuten ketamiini vaikuttavat suun kautta otettuna muutamassa tunnissa. Taas nykyisin käytetyt SSRI-masennuslääkkeet kuten fluoksetiini tehoavat vasta useiden viikkojen kuluttua säännöllisen käytön aloittamisesta.[7]
Antagonistit vähentävät sydämen lyöntiheyttä ja rytmihäiriön riskiä, ollen siten mahdollinen hoitokeino NMDAR:iin liittyviin sydänsairauksiin. NMDAR-agonistit taas lisäävät kammiovärinäkohtauksen riskiä, sydämen oksidatiivista stressiä ja sydänlihassolujen autofagosytoosia.[24]
NMDAR-agonistit ovat mahdollinen osteoporoosia hoitava ja ennalta ehkäisevä hoitokeino. Glutamaatin intraperitoniaaliset pistokset hiirillä ovat osoittaneet pistosten ylläpitävän luiden mineraalitiheyttä NMDAR välitteisesti.[25]
Keho voi muodostaa vasta-aineita keskushermostonsa NMDAR:iä vastaan. Tätä autoimmuunisairautta kutsutaan NMDAR-vasta-aine aivotulehdukseksi. Sairaudessa vasta-aineet sitoutuvat NMDAR:iin solujen pinnoilla. Solut ottavat toimimattomat reseptorit sisäänsä ja seurauksena on NMDAR:ien vajaus. Noin 75% sairastuneista paranee, mutta 25% saa pysyviä oireita tai kuolee. Oireet ovat hermostollisia ja niihin voivat kuulua mm. vapina, hallusinaatiot ja kooma.[26]
Citation error, replace with{{cite book| author = K Hashimoto| title = The NMDA receptors| publisher = Humana Press| year = 2017| isbn = 9783319497952| id = LCCN: 2016962311}} Citation error, replace with{{cite book| author = AM VanDongen| title = Biology of the NMDA receptor| publisher = CRC Press| year = 2009| isbn = 9781420044140| format = [ online version]}}