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Der Einfluss von Polyphenolen auf die Alzheimer-Krankheit

Masterarbeit 2009 93 Seiten

Ernährungswissenschaft / Ökotrophologie

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einleitung

2 Demenzen

3 Die Alzheimer-Krankheit
3.1 Geschichte der Alzheimer-Krankheit
3.2 Verlauf und Symptome
3.3 Molekularbiologie der Alzheimer-Krankheit
3.3.1 Das β-Amyloid Vorläuferprotein
3.3.2 Die Prozessierung von APP
3.3.2.1 Der amyloidogene Weg
3.3.2.2 Der nicht-amyloidogene Weg
3.3.3 γ-Sekretase
3.3.4 Das Aβ42 und die Amyloid-Hypothese
3.3.5 Neurofibrillenbündel
3.3.6 Oxidativer Stress
3.3.6.1 Reaktive Sauerstoffspezies
3.3.6.2 Abwehrmechanismen
3.3.6.3 Oxidativer Stress in der Alzheimer-Krankheit
3.4 Heutige Behandlungsmöglichkeiten

4 Polyphenole in der Alzheimer-Krankheit
4.1 Polyphenole
4.1.1 Klassifizierung und Struktur
4.1.2 Vorkommen
4.1.3 Bioverfügbarkeit und Metabolismus
4.2 Catechine aus grünem Tee
4.2.1 ROS und Chelatierung von Metallionen
4.2.2 Aβ
4.2.3 Signaltransduktionswege
4.2.3.1 Proteinkinase C
4.2.3.2 Apoptose
4.2.3.3 Mitogen-aktivierte Proteinkinase und Inflammation
4.3 Curcumin aus Curcuma
4.3.1 ROS und Chelatierung von Metallionen
4.3.2 Aβ
4.3.3 Inflammation
4.3.4 Apoptose

5 Zusammenfassung und Schlussfolgerung

6 Literaturverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: a. Alois Alzheimer. b. Patientin Auguste D

Abb. 2: Extrazelluläre Plaques und intrazelluläre NFT im cerebralen Cortex

Abb. 3: Das APP

Abb. 5: Die Prozessierung von APP

Abb. 6: Der γ-Sekretase Komplex

Abb. 7: Mögliches intramembranes Schnittmodell der γ-Sekretase

Abb. 8: Schritte der Amyloid-Hypothese

Abb. 9: Mögliche Konformationen von Aβ42

Abb. 10: Mögliche Bildung von NFT

Abb. 11: Mikroglia-vermittelte Neuronenschädigung

Abb. 12: Klassifizierung der Polyphenole

Abb. 13: Schematische Darstellung der Absorption von Flavonoiden

Abb. 14: Strukturen der Catechin-Hauptvetreter in grünem Tee

Abb. 15: Postuliere Struktur des Catechin-Kupfer-Komplexes

Abb. 16: Postuliertes Schema zur neuroprotektiven Wirkung und der Regulation der APP-Prozessierung durch EGCG

Abb. 17: Postulierte Mechanismen von EGCG-vermittelten anti-inflammatorischen Effekten in IL-1β und Aβ25-35 stimulierten humanen Astrozyten

Abb. 18: Postulierte neuroprotektive Wirkungen von EGCG

Abb. 19: Strukturformel von Curcumin

Abb. 20: Struktur des Cu2+-Curcumin Komplexes

Tabellenverzeichnis

Tab. 1: Catechingehalt von aufgebrühtem grünen und schwarzen Tee in mg/l

1 Einleitung

Heute leben wir in einer alternden Gesellschaft. Steigende Lebenserwartungen und die Zunahme älterer Menschen in der Gesellschaft führen zu einem enormen Anstieg altersabhängiger Erkrankungen wie Demenzen und deren häufigsten Vertreter, der Alzheimer-Krankheit (AD). Der Demographische Wandel und die damit steigenden Krankheitsraten stellen uns vor ein großes soziales und ökonomisches Problem. Das Statistische Bundesamt erwartet für Deutschland einen Bevölkerungsrückgang von heute bis im Jahr 2050 auf 69 - 74 Mio. Einwohner, bei gleichzeitiger einer fast Verdreifachung der 80-Jährigen und Älteren von heute ca. 4 Mio. auf geschätzte 10 Mio. Menschen (Statistisches Bundesamt 2006a). Allein in West-Europa wird von einer Verdopplung der Demenzerkrankungen bis zum Jahre 2040 ausgegangen (vgl. Kap. 2). Die Folge dieser Entwicklung stellt eine enorme Kostenexplosion im Gesundheitssystem dar. Zudem ist die AD ist eine tödliche Erkrankung und Patienten stehen unter einem sehr hohen Leidensdruck. Aus diesen Gründen ist es erforderlich, die Forschungen in der Alzheimerprävention und Behandlung voranzutreiben. Besonders wichtig erscheint es dabei vor allem neben der medikamentösen Entwicklung Wege zu ergründen, mit denen es gelingt auf natürliche Weise die AD zu bekämpfen.

Einige Studien geben Hinweise darauf, dass sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe wie Polyphenole protektiv auf Neuronen wirken können. Könnte durch Polyphenole ein Voranschreiten der Erkrankung verlangsamt oder deren Ausbruch verzögert werden, stünden polyphenolreiche Lebensmittel in einem anderen Licht. Eine gesunde Ernährung würde nicht nur den Körper, sondern auch das Gehirn länger fit halten. Eventuell könnten die natürlichen Polyphenole auch pharmakologisch genutzt werden und so das Auftreten der AD verringern.

In dieser Arbeit sollen die protektiven Wirkungen von Polyphenolen aus grünem Tee und Curcuma auf die AD bezogen dargestellt werden. Beides sind Lebensmittel, die im internationalen Vergleich in Deutschland recht wenig verzehrt werden, doch gibt es Hinweise darauf, dass beispielsweise die Prävalenz im Alter zwischen 70 und 79 Jahren an AD zu erkranken in Indien um ein 4,4-faches niedriger ist als in Nordamerika (Ganguki et al. 2002).

In dem bereits beschriebenen Problembereich, möchte ich zunächst auf den wissenschaftlichen Stand der Alzheimerforschung eingehen und die Molekularbiologie der AD vorstellen. Daraufhin wird der Einfluss von Polyphenolen auf die AD dargestellt. Der Schwerpunkt liegt hier auf den Polyphenolen des grünen Tees und Curcuma, der Hauptzutat von Curry.

2 Demenzen

Die AD ist die am häufigsten auftretende Form der Demenzen. Demenz ist keine einzelne Erkrankung, sondern stellt ein Syndrom dar. Trotz vollen Bewusstseins sind die geistigen Leistungen wie Gedächtnisfunktionen, Denken, Orientierung, Auffassung, Rechnen, Lernfähigkeit, Sprache und Urteilsvermögen mehr oder weniger eingeschränkt. Zusätzlich können Emotionen nicht mehr adäquat kontrolliert werden, und es kommt zu Veränderungen der Motivation und des Sozialverhaltens. Die Konsequenz daraus sind Beeinträchtigungen der Lebensqualität, im beruflichen wie auch im privaten Leben (Deutsches Institut für Medizinische Dokumentation und Information (web 1), Schmidtke 2005).

Nach einer Delphi-Studie von Ferri et al. (2005) leiden Ende 2005 ca. 5 Millionen Menschen in West-Europa an Demenz, 2040 sollen es ca. 10 Millionen sein. In der Gruppe der über 85-Jährigen ist jeder vierte an Demenz erkrankt. Durch die steigende Lebenserwartung wird in Entwicklungsländern bzw. in Schwellenländern wie China und Indien ein rasanter Anstieg an Demenzerkrankungen erwartet. Weltweit lag nach Ferri et al. 2005 die Anzahl der Erkrankten bei ca. 25 Millionen Menschen.Es wird vermutet, dass sich die Zahl der erkrankten Personen im Jahre 2020 von 42 Millionen bis 2050 auf 81 Millionen verdoppeln wird (Ferri et al. 2005).

Aufgrund der alternden Gesellschaft könnten diese enorm steigenden Zahlen in Zukunft ein erhebliches Problem für unser Gesundheitswesen darstellen. Bereits 2004 standen die Ausgaben für psychische Erkrankungen und Verhaltensstörungen mit 22,8 Mrd. Euro (10,1%) an vierter Stelle der Gesamtausgaben. In dieser Sparte stellt die Demenz mit 2,7% die kostenintensivste Erkrankung dar (Statistisches Bundesamt 2006b).

3 Die Alzheimer-Krankheit

Die Alzheimer-Krankheit, auch Alzheimer Demenz oder lat. Morbus Alzheimer genannt, wurde erstmals 1906 von Alois Alzheimer bei einer Patientin beobachtet und beschrieben. Meist sind ältere Menschen betroffen, die mit zunehmendem Alter fortlaufend an geistig-mentaler Gehirnfunktion verlieren (Eckert 2002, Förstl and Kurz 1999).

Die AD wird als eine idiopathische, neurodegenerative Erkrankung beschrieben, die hauptsächlich das Großhirn betrifft. Ferner können auch das Zwischenhirn sowie der Hirnstamm beeinträchtig sein (Schmidtke 2005). Charakteristisch sind neuropathologische und neurochemische Merkmale. Der Entwicklungszeitraum der Krankheit beträgt mehrere Jahre und erfolgt schleichend, wobei die Äthiologie noch nicht genau bekannt ist (Deutsches Institut für Medizinische Dokumentation und Information, web 1). AD stellt die häufigste aller Demenzerkrankungen dar.

Bekannte Risikofaktoren an einer neurodegenerativen Störung zu erkranken sind steigendes Lebensalter, genetische Polymorphismen und Trisomie 21. Andere Faktoren wie das Geschlecht, oxidativer Stress, Inflammation, Rauchen, aber auch Krankheiten wie Bluthochdruck, Diabetes mellitus, Tumore, Schlaganfälle oder Schädel-Hirn-Traumata, Depressionen, Infektionen, Vitaminmangel oder Chemikalien können Auslöser für eine Erkrankung an AD sein. Nicht außer Acht zu lassen sind auch soziale Faktoren wie eine geringe Bildung (Brown et al. 2005).

Der bedeutendste aller Risikofaktoren ist jedoch das steigende Alter. Ab einem Alter von 85 Jahren scheinen Frauen ein höheres Risiko zu haben an AD zu erkranken als Männer. Im Alter zwischen 65 und 100 Jahren haben Frauen ein Risiko von 45% an AD zu erkranken, Männer hingegen zu 33% (Jellinger 2006b).

Andersen et al. (1999) zeigten ebenso ein erhöhtes Risiko für Frauen auf. Dies wurde anhand von Auswertungen mehrerer harmonisierter Studien der European Community Concerted Action on the Epidemiology and Prevention of Dementia Group (EURODEM) belegt (Andersen et al. 1999).

Im Durchschnitt tritt die Krankheit mit ca. 80 Jahren auf, dabei wird die AD je nach Erkrankungsalter in verschiedene Formen unterteilt. Sind Patienten unter 65 Jahren betroffen, wird von einer präsenilen AD gesprochen, die sich physiologisch von der senilen Form bei über 65-Jährigen nicht unterscheidet. (Schmidtke 2005, Schmidtke und Hüll 2005).

Bevor die pathophysiologische Entstehung der AD beschrieben wird, soll zunächst ein Überblick über die Geschichte der AD gegeben werden.

3.1 Geschichte der Alzheimer-Krankheit

Alois Alzheimer (1864 - 1915) (Abb.1a), ein deutscher Psychiater, untersuchte im Jahr 1901 eine Patientin, Auguste D. (Abb.1b), die sich nur noch an ihren Vornamen erinnern konnte. Altersdemenzen waren Alois Alzheimer bereits bekannt, allerdings bei deutlich älteren Patienten - Auguste D. war erst 51 Jahre alt. Aus diesem Grund untersuchte er anhand des Krankheitsverlaufes dieser Patienten, ob auch wesentlich jüngere Menschen dement werden können. Durch sein großes Interesse an dieser Erkrankung verfolgte er den Verlauf ihrer Krankheit bis zu deren Tod über viereinhalb Jahre (Eckert 2002).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: a. Alois Alzheimer. b. Patientin Auguste D. (Jellinger 2006a)

Nach dem Tod der Patientin im Jahre 1906 untersuchte er mikroskopisch ihr Gehirn und entdeckte atrophische Veränderungen der Hirnrinde. Er beschrieb als erster die Fibrillenbildung innerhalb der Nervenzellen und Plaque-Ablagerungen in der gesamten Hirnrinde (Jellinger 2006b) (s. Kap. 3.3)

Zu damaliger Zeit wurden psychische Erkrankungen nicht mit Veränderungen des Gehirns in Zusammenhang gebracht, sondern auf traumatische Erlebnisse in der Kindheit zurückgeführt. So stieß sein Vortrag über die Erkrankung der Patientin Auguste D. im Jahre 1906 bei einer Versammlung der Süddeutschen Irrenärzte auf Desinteresse. Doch schon 1907 erschien sein Vortrag in dem Artikel „Über eine eigenartige Erkrankung der Hirnrinde“ in der Allgemeinen Zeitschrift für Psychiatrie und Psychisch-Gerichtliche Medizin (Jellinger 2006b). Bereits wenig später wurde der Erkrankung mehr Beachtung geschenkt und sie wird 1910 in Kraepelins Lehrbuch der Psychiatrie erstmals aufgeführt.

Die erstmalige Beschreibung dieser Erkrankung durch Alzheimer legte vor mehr als 100 Jahren den Grundbaustein zur Untersuchung der Alzheimer-Krankheit, von der heute weltweit Millionen Menschen betroffen sind (Eckert 2002). Wie sich die Symptomatik erkennbar macht und welchen Verlauf diese nimmt, soll im folgenden Kapitel dargestellt werden.

3.2 Verlauf und Symptome

Die Einteilung des Verlaufs der Krankheit erfolgt in drei Stadien: ein frühes, ein mittleres und ein spätes Stadium. Der Verlauf der AD ist kontinuierlich progredient und schließlich letal. Es sind große individuelle Unterschiede zu verzeichnen, die in erster Linie durch begleitende psychiatrische Symptome auszumachen sind (Schmidtke 2005). Die Stadien lassen sich je nach auftretenden Symptomen folgendermaßen einteilen:

Frühes Stadium der AD

Zu Beginn der Erkrankung leiden die Patienten in erster Linie an einer verminderten Lern- und Gedächtnisleistung, wobei vorwiegend das Kurzzeitgedächtnis betroffen ist. Ereignisse die lange zurück liegen, sind jedoch in ihrer Abrufung nicht beeinträchtigt. Zusätzlich können auch Wortfindungsstörungen oder visuokonstruktive Defizite vorliegen. Der Begriff visuokonstruktive Defizite bedeutet, dass die Fähigkeit komplexe Formen oder Muster zu erkennen, verloren geht. Ebenfalls ist die Kommunikation durch Nachlassen der Konzentrationsfähigkeit, dem vermindertem Wortschatz und Wortfluss erschwert, doch sind sie bei zufälligen Begegnungen auffallend eloquent. Aufgrund gelegentlicher räumlicher Desorientierung und verminderten Fähigkeiten Distanzen und Geschwindigkeiten einschätzen zu können, was das Unfallrisiko im Straßenverkehr deutlich erhöht, sollten Patienten mit AD auf das Autofahren verzichten. Wie weit die Wortfindungsstörungen, das schrumpfende Vokabular und Visuokonstruktion vorangeschritten sind kann durch neuropsychologische und Zeichentests z.B. durch den Uhren-Zeichen-Test ermittelt werden (Förstl and Kurz 1999). Im alltäglichen Leben beurteilen betroffene Patienten Situationen häufig falsch, ohne einschätzen zu können wie sich die Folgen auf ihren Alltag auswirken. Betroffenen merken, dass sie sich verändern und versuchen dies zu überspielen. In dieser frühen Phase der Erkrankung sind die Patienten noch in der Lage ihr Leben größtenteils selbst zu bewerkstelligen und bedürfen keiner Pflege. Bei organisatorischen Dingen benötigen sie jedoch Unterstützung von Außenstehenden.

Aufgrund der angespannte Situation, die Patienten bemerken dass ihre kognitiven Fähigkeiten nachlassen und sie hin und wieder Hilfe benötigen, beginnt bei vielen Patienten der Leistungsdruck. Ca. 30% der Patienten weisen eine Depression auf, die in der Regel vorübergehend ist, jedoch die Lebensqualität stark einschränkt (Robert-Koch-Institut 2005, Schmidtke 2005).

Die Patienten reagieren empfindlich auf Veränderungen, äußere wie innere, und es kann zu plötzlichen Verwirrtheitszuständen kommen. Innere Veränderung können z.B. durch die Einnahme ungeeigneter Medikamente oder mangelnde Flüssigkeitszufuhr entstehen, während äußere Veränderungen durch Krankenhausaufnahmen, Operationen oder zusätzliche Erkrankungen gefördert werden.

Mittleres Stadium der AD

Patienten im mittleren Stadium der AD neigen dazu in der Vergangenheit zu leben (Beatty et al. 1988). Die kognitiven Funktionen wie Planung, Organisation und logisches Denken verschlechtern sich stetig. Es bleibt nicht allein bei Wortfindungsstörungen, auch das Vermögen gelesene Texte zu verstehen sinkt kontinuierlich in diesem Stadium der Erkrankung (Cummings et al. 1986). Des Weiteren sind die Patienten leicht ablenkbar und sie verlieren die Fähigkeit den eigenen Haushalt zu führen und ihr Leben selbstständig zu gestalten. Sie benötigen ständige Hilfe im Alltag, beim Essen, in der persönlichen Hygiene und dem Haushalt. Desorientierung und Inkontinenz sind darüber hinaus weit verbreitet. Ebenfalls kann es bereits zur Prosopagnosie, das heißt die Unfähigkeit bekannte Gesichter zu erkennen, kommen.

Neben diesen kognitiven Verlusten kommt es auch zu Störungen der Motorik, der Koordination und zu einer Persönlichkeitsveränderung. Patienten verlieren häufig die emotionale Kontrolle. Diese sind durch Wutausbrüche mit physischer oder verbaler Aggression gekennzeichnet. Für Pflegende und Angehörige ist dieses Stadium eine außerordentliche Belastung, da der Patient unter ständiger Aufsicht stehen muss. Elektrische Geräte und andere alltägliche Gebrauchsgegenstände stellen diesbezüglich eine ständige Gefahrenquelle dar (Förstl and Kurz 1999).

Spätes Stadium der AD

Im späten Stadium sind kognitive Fähigkeiten auf ein Minimum geschrumpft. So führt das Endstadium der Erkrankung zu einem Verlust des eigenen Herkunftswissen s und des Namens. Die Patienten sind nicht mehr fähig sich zu artikulieren und damit deutlich zu machen, was ihnen fehlt. Emotionale Reaktionen sind jedoch noch möglich. Während der Pflege kommt es häufig zu durch Interventionen der Pflegenden zu Missverständen bei den Betroffenen, sodass diese oft aggressiv reagieren oder ihren Missmut durch Geschrei äußern, welches aber auch der Ausdruck von Schmerzen sein kann. Viele Patienten sind apathisch und ausgezehrt, benötigen bei allen motorischen Bewegungen Hilfe und das Kauen und Schlucken fällt ihnen sehr schwer. Eine zweifache Inkontinenz ist ebenfalls häufig zu beobachten (Förstl and Kurz 1999).

Nach dem Diagnosezeitpunkt der AD haben die Betroffenen im Durchschnitt noch fünf bis acht Jahre zu leben.

Aufgrund der Unscheinbarkeit der Erkrankung im präklinischen Stadium und der fehlenden verlässlichen Symptome ist eine Diagnose vor manifestierten irreparablen Schäden nicht möglich (Förstl and Kurz 1999). Eine Demenzerkrankung beginnt bereits fünf Jahre bevor eine klinische Diagnose nach heutigen Kenntnissen möglich ist (Jost and Grossberg 1995).

In den letzten Jahren gewann die AD-Forschung durch zunehmende molekularbiologische Kenntnisse an Bedeutung. Das folgende Kapitel stellt den aktuellen Stand der AD aus molekularbiologischer Sicht dar. Anhand der Mechanismen kann anschließend der Einfluss von Polyphenolen auf die Erkrankung aufgezeigt werden.

3.3 Molekularbiologie der Alzheimer-Krankheit

AD ist die häufigste neurodegenerative Erkrankung, deren Entstehung sehr komplex und noch nicht exakt geklärt ist.

Heute werden in erster Linie lösliche Aggregate des β-Amyloid Peptids (Aβ) als molekulare Ursache der AD angesehen. Dieses neurotoxische Aβ wird aus dem β-Amyloid Vorläuferprotein (APP, β-amyloid precursor protein) von zwei Sekretasen herausgetrennt (vgl. Kapitel 3.3.2) und führt zu massiven Schädigung des Gehirns - es bilden sich extrazelluläre senile Plaques im Neutrophil. Eine weitere Ursache der AD können Neurofibrillenbündel (NFT, neurofibrillary tangle), intrazelluläre Aggregate des Tau-Proteins sein (vgl. Abb.2). Die Bildung und Ablagerung dieser beiden pathologischen Eiweißprodukte ist folglich für den Funktionsverlust der Nervenzellen, dem Verlust von Synapsen, der Rarefizierung von Dendriten und schließlich dem Absterben von Nervenzellen verantwortlich (Fassbender et al. 2001a, Blennow 2006, Kang et al. 1987, Schmidtke 2005).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Extrazelluläre Plaques und intrazelluläre NFT (Tangles) im cerebralen Cortex (Blennow 2006)

Prinzipiell sind genetisch bedingte Auslöser (Familiäre AD), und die sporadische Form zu unterscheiden. Die familiäre AD wird autosomal dominant vererbt, manifestiert sich stets in der präsenilen Form, tritt aber mit einer Prävalenz von unter 0,1% sehr selten auf. Hierfür können Mutationen auf Chromosom 21, 14 und 1 sowie das Vorhandensein des Apo (Apolipoprotein) E4-Allels verantwortlich sein (Blennow et al. 2006, Jellinger 2006a). Das Chromosom 21 codiert das APP und das Chromosom 14 das Presenilin 1 (stellt einen Teil des Komplexes, der für die Bildung des Aβ verantwortlich ist, dar). Homolog zu Presenilin 1 existiert Presenilin 2, dessen genetische Information auf Chromosom 1 liegt (Bird 2008). Vorwiegend ist AD aber eine sporadisch auftretende Erkrankung mit den in Kapitel 3 zu Anfang beschriebenen Risikofaktoren.

In den folgenden Kapiteln wird die Entstehung des Aβ und die Prozessierung des APP und der NFT erläutert sowie auf die Rolle von Oxidativen Stress bezüglich der Entstehung der AD eingegangen.

3.3.1 Das β-Amyloid Vorläuferprotein

APP ist ein membrangebundenes Peptid, welches ubiquitär in allen Zellen des Organismus exprimiert wird und gehört zur Gruppe der Zelladhäsionsmoleküle (CAM, cell adhesion molecule). CAM vermitteln intrazelluläre Signalleitung und Adhäsion (Cotman et al. 1998, Tanzi et al. 1988). 1987 identifizierten Kang et al. das APP und belegten, dass Aβ von APP abgespalten wird (Kang et al. 1987). APP stellt ein Typ I Transmembranes-Glycoprotein dar, mit einer Länge von 695 - 770 Aminosäuren (AS) (Price et al. 1998, Walsh 2007). Lokalisiert ist es auf dem langen Arm von Chromosom 21q und wird von insgesamt 19 Exons codiert. Das Gen erstreckt sich auf der DNA (Desoxyribonukleinsäure) über ca. 400 kb (Kilobasen) (Walsh et al. 2007, Lamb et al. 1993).

APP besitzt ein NH2-terminales Signalpeptid, eine große extrazelluläre Ektodomäne, eine Transmembrandomäne (TMD) und eine kurze cytoplamatische carboxyterminale Domäne (CTD) (Price and Sisodia 1998) (s. Abb. 3).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Das APP. Zu sehen sind das N-terminale Signalpeptid (SP), die Ektodomäne, die Transmembrandomäne (TMD) und die cytosolische Domäne (CD) (modifiziert nach Chen and Schubert 2002)

Des Weiteren sind in Abbildung 3 posttranslationale Modifikationen, N- und O-Glycolysierungen, Phosphorylierungen und Sulphatierungen dargestellt. Zusätzlich enthält die extrazelluläre Domäne ein Metall- (Kupfer und Zink) Bindemotiv, eine Heparin- und Collagen-bindende Domäne sowie neurotrophische und Adhäsionsdomänen (Thinakaran and Koo 2008).

APP gelangt über den sekretorischen Weg zur Zellmembran und unterliegt im endoplasmatischen Reticulum (ER) sowie im Golgi-Apparat den genannten posttranslationalen Modifikationen (Weidemann et al. 1989). Nach Internalisierung wird APP durch Endozytose aufgenommen, teilweise recycelt und entweder wieder zur Zellmembran transportiert oder durch Endosomen zum Golgi-Apparat oder in proteinabbauende Lysosomen befördert (vgl. Abb 4) (Vetrivel and Thinakaran 2006, Thinakaran and Koo 2008).

An der Zellmembran befindet sich nur ein kleiner Teil der entstandenen APPMoleküle (in Zellversuchen mit Überexpression von APP ca. 10%), während der größte Teil im steady state zwischen Golgi-Apparat und trans-Golgi network (TGN) anzutreffen ist (Thinakaran and Koo 2008).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4: Wege der Reifung und des Abbaus von APP. 1: Reifende APP Moleküle gelangen nach posttranslationalen Modifizierungen im ER und Golgi Apparat an die Zellmembran. 2: Nach Internalisierung wird APP durch Endozytose aufgenommen. 3: APP wird recycelt und wieder an die Zelloberfläche gebracht oder in Lysosomen degradiert. Die schwarzen Balken stellen APP dar (Thinakaran and Koo 2008).

Ferner sind noch zwei weitere APP-ähnliche Proteine bekannt, das Amyloid Precursor-like Protein (APLP)1 (Wasco et al. 1992) und APLP2 (Wasco et al. 1993). Während diese ebenfalls wie das APP eine hoch konservierte cytoplasmatische Domäne aufweisen, fehlt ihnen jedoch die Aβ-Sequenz. Wonach zu schlussfolgern ist, dass ausschließlich APP für die Entstehung der charakteristischen senilen Plaques der AD verantwortlich ist (Wasco et al. 1992, Wasco et al. 1993, Walsh et al. 2007).

Durch alternatives Spleißen der Exons 2, 7, 8 und 15 entstehen neun mögliche APP mRNA (messenger Ribonukleinsäure), deren Translationsprodukte von unterschiedlicher Länge sind. Im Gehirn sind am häufigsten drei APP-Isoformen zu finden: APP 695, APP751 und APP770. Die Isoformen sind nach der Anzahl der mRNA-Aminosäurestruktur benannt (Golde et al. 1990, Wilson et al. 1999, Price and Sisodia 1998, Tang et al. 2003). APP751 und APP770 sind glialen und peripheren Ursprungs. Sie weisen eine auf Exon 7 lokalisierte Domäne mit 56 AS-Resten auf, welche eine Kunitz-Typ-Protease-Inhibitor (KPI) Sequenz codiert und vor Proteolyse schützt (vgl. Abb. 3). Dem in erster Linie neuronal gebildeten APP695 fehlt diese KPI Sequenz (Kataguchi et al. 1988, Ponte et al. 1988, Wilson et al. 1999, Weidemann et al. 1989). Aufgrund der unterschiedlichen Längen und nach den posttranslationalen Modifikationen weisen die oben genannten drei APP nach Durchführung eines Immunoblottings Banden im Bereich von 110 -130 kDa (Kilo Dalton) auf (Weidemann 1989).

Seit der Entdeckung von APP wurden viele mögliche physiologische Rollen von APP und dessen Spaltprodukte postuliert, doch die genaue Funktion ist noch unklar. 1989 zeigten Saitoh et al. die Beteiligung von APP am Wachstum von Fibroblasten. Durch Unterdrückung von APP wuchsen diese Zellen langsamer, mittels APP-Zugabe konnte diese Retardierung wieder rückgängig gemacht werden (Saitoh et al. 1989). Dies ist allerdings nicht auf Fibroblasen beschränkt, auch die Synapsendichte und Gedächtnisleistungen in Tierversuchen verbesserten sich (Roch et al. 1994). Anhand dieser Erkenntnisse geht die Wissenschaft von einer autokrinen und parakrinen Funktion des APP in der Wachstumsregulation aus. Neben der Stimulation des Neuritenwachstums und der Synaptogenese ist APP ebenfalls wichtig für die Zelladhäsion (Thinakaran and Koo 2008). Möglich wären Interaktionen zwischen APP und benachbarten Integrinen an der Adhäsionsseite von Neuriten. Integrine stellen Zelladhäsionsmoleküle dar und sind bei der Signalweiterleitung von Bedeutung (Storey et al. 1996, Yamazaki et al. 1997).

3.3.2 Die Prozessierung von APP

Wie bereits erwähnt wird das APP durch Sekretasen gespalten. Die Prozessierung erfolgt auf zwei verschiedenen Wegen durch Sekretasen, wovon drei bekannt sind: die α-, β- und γ-Sekretase. Zu unterscheiden ist der nicht-amyloidogene Weg, wobei es zur Trennung des Aβ in der Mitte der Domäne durch α-Sekretasen kommt. Bei der amyloidogenen Prozessierung trennt die β-Sekretase die Aβ-Domäne am Ende ab und es entsteht das toxische Aβ.

Im Folgenden wird näher auf die zwei Prozessierungswege, die Sekretasen und die daraus entstehenden Produkte eingegangen.

3.3.2.1 Der amyloidogene Weg

An diesem Prozessierungsweg entsteht das amyloidogen wirkende Aβ. Initiirendes Enzym ist die β-Sekretase, die 1999 von mehreren Wissenschaftlern nahezu zeitgleich identifiziert wurde. Hierbei handelt es sich um eine Typ 1 transmembrane Aspartatprotease, die folglich unter verschiedenen Namen bekannt wurde: Asp-2, Memapsin 2 und BACE (β-site APP-cleaving enzyme), welcher sich letztendlich durchsetzte (Vassar et al. 1999, Yan et al. 1999, Hussain et al. 1999, Sinha et al. 1999, Lin et al. 2000). Kurz darauf wurde ein weiteres Enzym dieser Gruppe entdeckt und somit sind zwei Isoformen bekannt, BACE-1 mit einer Länge von 501 AS und BACE-2 mit einer Länge von 518 AS (Saunders et al. 1999, Lin et al. 2000). Beide enthalten zwei aktive Sequenzmotive, die beide die hoch konservierte Sequenz der Aspartatproteasen beinhalten, und somit essentiell für die katalytische Aktivität der BACE sind (Vassar et al. 1999). BACE sind in nahezu allen Zellen und Geweben des Organismus zu finden (Haass et al 1992), wobei die Aktivität in neuronalen Zellen und Geweben am höchsten ist (Vassar et al. 1999). Lokalisiert sind BACE hauptsächlich in sauren Kompartimenten des sekretorischen Wegs, also dem TGN und Endosomen, bei einem pH-Optimum von pH 4,5 (Vassar et al. 1999, Thinakaran and Koo 2008).

BACE-1 schneidet am N-terminalen Ende der Aβ-Domäne zwischen den AS Methionin und Asparagin. Durch die Einwirkung des Enzyms entsteht das luminale abgesonderte aminoterminale APP-Derivat APPsβ (secreted APP amino terminal derivate, hier β), welches anschließend in die Extrazellulärflüssigkeit abgegeben wird und ein carboxyl-terminales Fragment (CTF) mit einer Länge von 99 AS, welches βCTF oder C99 genannt wird. Neben diesem Weg kann das Enzym BACE-1 auch innerhalb der Aβ-Sequenz zwischen Thyrosin und Glutamin spalten (β’-Schnittstelle), was jedoch seltener vorkommt (vgl. Abb 5A und B) (Haass and Selkoe 2007, Stockley and O’Neill 2008, Thinakaran and Koo 2008).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5: Die Prozessierung von APP. A: Die schematische Struktur mit der in rot dargestellten Aβ Region. Aufgezeigt sind die α-, β- und γ-Sekretasen-Schnittstellen mit der Nummer der N-terminalen AS. B: Amyloidogene Prozessierung des APP durch die β- und γ-Sekretase. Die β-Sekretase schneidet am N-terminalen Ende der Aβ-Domäne, im Anschluss trennt die γ-Sekretase Aβ aus der Membranregion und das neurotoxische Aβ wird gebildet. C: Nicht- amyloidogene Prozessierung des APP durch die α- und γ-Sekretasen. Die α-Sekretase schneidet innerhalb der Aβ-Domäne und nach Trennung der γ-Sekretase entsteht ein inaktives Aβ-Peptid (p3). CTF: C-terminales Fragment, AICD: APP intrazelluläre Domäne (modifiziert nach Tinakaharan and Koo 2008).

Ebenfalls aus Abbildung 5 A ist das nahezu homolog zu BACE-1 existierende BACE-2 zu erkennen, welches APP ebenfalls zwischen Methionin und Asparagin trennen kann, jedoch wesentlich häufiger in der Mitte der Aβ-Sequenz zwischen Phenylalanin und Phenylalanin oder Phenylalanin und Alanin ansetzt (Haass and Selkoe 2007, Stockley and O’Neill 2008, Thinakaran and Koo 2008). Aufgrund dieser hauptsächlichen α-Sekretase ähnlichen Aktivität ist es in der AD jedoch von sekundärem Interesse (Stockley and O’Neill 2008). Auch blieb eine BACE-2 Hochregulierung in einer BACE-1-/- knock-out Studie aus (Luo et al. 2003). Nach der Spaltung durch BACE folgt an C99 die intramembrane Proteolyse durch den γ-Sekretase-Komplex, welcher in Kapitel 3.3.3 genauer beschrieben wird. Dieser kann an verschiedenen Stellen der transmembranen Domäne ansetzten und bildet verschiedene Aβ, die in der Länge zwischen 37 - 43 AS variieren. Ebenfalls wird eine APP intrazelluläre Domäne (AICD) erzeugt (s. Abb. 5B) (Selkoe and Wolfe 2007, Bateman and Chakrabartty 2004, Gu et al. 2001, Steiner et al. 2008). In nahezu 90% der Fälle entsteht Aβ40, gefolgt von Aβ42 mit <10% (Vetrivel and Thinakaran 2006). Die Aβ-Spaltprodukte werden nach ihrer Prozessierung in den Extrazellulärraum sezerniert. Zu unterscheiden sind die Spaltprodukte in ihrer Schnelligkeit der Plaqubildung, wobei Aβ42 wesentlich schneller aggregiert als Aβ40 und ist somit hauptsächlich für die Plaquebildung verantwortlich ist (Thinakaran and Koo 2008, Hardy and Selkoe 2002).

Der oben erwähnten AICD ähnelt eine weitere TMD, welche ebenfalls von der γ-Sekretase prozessiert wird. Diese Notch-ICD ist an der Aktivierung von Signaltransduktionswegen beteiligt. Dementsprechend könnte auch eine Beteiligung an der Signaltransduktion eine mögliche Funktion des APP, bzw. der AICD sein. Genaues ist zum jetzigen Zeitpunkt jedoch nicht bekannt.

Für die AD ist BACE-1 das bedeutendste Enzym, da sie den limitierenden Schritt der Aβ-Produktion darstellt (Stockley and O’Neill 2008).

3.3.2.2 Der nicht-amyloidogene Weg

Dieser Weg wird von Zellen wesentlich häufiger eingeschlagen als die Spaltung durch die β-Sekretase. Hier wird APP von der α-Sekretase inmitten der Aβ-Region geschnitten. Es entsteht das sezernierbare APPsα und ein kurzer membrangebundener cytoplasmatischer Bereich CTFα mit einer Länge von 83 AS (auch C83 genannt). Aufgrund der Zerstörung der Aβ-Region ist nach der Spaltung der γ-Sekretase keine Amyloidbildung möglich, sondern es wird ein 3 kDa großes, nicht amyloidogenes Peptid p3 erzeugt. Die α-Sekretase ist eine Zink- und Metalloproteinase, der mehrere Enzyme der ADAMs (a disintegrin and metalloproteinase) Familie angehören. ADAMs (ADAM17, ADAM10 und ADAM9) gehören zur Gruppe der Typ I integralen Membranproteine, die APP innerhalb der Aβ-Domäne zwischen Lysin und Leucin schneiden (s. Abb. 5C). Sie sind nicht nur an der Prozessierung von APP, sondern auch an der vieler anderer integraler Membranproteine verantwortlich. ADAM17 beispielsweise wurde als diejenige Protease identifiziert, die Tumornekrosefaktors (TNF)-α von membrangebundenem pro-TNF abspaltet und ist auch unter dem Namen Tumornekrosefaktor-α-Konvertase (TACE, tumor necrosis factor-α converting enzyme) bekannt, die ebenfalls an der Bildung von dem Wachtumsfaktor α oder L-Selektin beteiligt ist (Allison et al. 2003). Aktiv ist die α-Sekretase haupsächlich an der Zelloberfläche und dem TGN (Skovronsky et al. 2000).

3.3.3 γ-Sekretase

Die γ-Sekretase ist eine sehr komplexe Protease. Sie ist verantwortlich für die Prozessierung von APP an drei Schnittstellen innerhalb der transmembranen Domäne, der γ-Schnittstelle (Bildung von Aβ40 und Aβ42), der ζ-Schnittstelle (Bildung von Aβ45 und Aβ46) und der ε-Schnittstelle (Bildung von Aβ48 und Aβ49). Der Komplex setzt sich aus vier integralen Membranproteinen zusammen. Das Vorhandensein aller vier Untereinheiten, d.h. Präsenilin (PS), Nicastrin (Nct), Aph-1 (anterior pharynx-defective phenotype) und Pen-2 (Präsenilin-Enhancer), sind für die proteolytische Aktivität dieses Multiproteinkomplex zwingend erforderlich (De Strooper 2003, Lundkvist and Näslund 2007). Die genaue Struktur dieses Enzyms ist noch nicht geklärt. Mindestens sechs verschiedene γ-Sekretase Komplexe sind bekannt, die unterschiedliche Varianten des PS und Aph-1 vorweisen. Alle Varianten sind in der Lage pathologisches Aβ zu bilden. In Abbildung 6 sind die vier Proteine der visuokonstruktive Defizite-Sekretase dargestellt. Im Zentrum der proteolytischen Aktivität steht das Präsenilin von dem zwei Homologe bekannt sind, PS1 und PS2. Es umfasst 9 transmembrane Domänen und einen weiten cytosolischen Loop. Zwei katalytisch aktive Aspartatreste auf TMD-6 und 7 sind für die Aktivität unabdingbar. Der gesamte γ-Sekretase Komplex stellt somit eine transmembrane Aspartatprotease dar (Steiner et al. 2008, Wolfe et al. 1999). Die aktive Form der γ-Sekretase liegt erst vor, wenn Presenilin endoproteolytisch innerhalb des cytosolischen Loops in ein Heterodimer mit einem N- und C-teminalen Fragment gespalten wird (s. Abb. 6). Die Trennung des Aβ von C99 und des p3 von C83 erfolgt durch hydrolytische Spaltung innerhalb der TMDs. Dies ist erstaunlich, denn die Lipiddoppelschicht ist dagegen hydrophob. Diese Barriere wird überwunden, indem wassergefüllte Hohlräume geschaffen werden, welche Wassermoleküle zu Verfügung stellen (Spasic and Annaert 2008)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 6: Der γ-Sekretase Komplex. Bestehend aus Präsenilin (PS), Nicastrin (NCT), Pen-2 und APH-1. Innerhalb der Präsenilin Domänen liegen zwei katalytisch aktive Aspartatreste (gelben Punkte). Um die aktive Form des γ-Sekretase Komplexes zu erreichen wird der cytosolische Loop in ein Heterodimer gespalten (roter Pfeil).

Folgende Funktionen besitzen Nct, APH-1 und PS-2: Nct ist ein hochglycolysiertes Transmembranprotein, das in der Lage ist Substrate anhand des N-teminalen Endes zu erkennen (Shah et al. 2005). Als Strukturstabilisator und Gerüst während der Bildung im ER fungiert APH-1, wobei der Mechanismus noch nicht exakt geklärt ist (Niimura et al. 2005). Pen-2 ist für die Stabilisierung und endoproteolytische Spaltung von PS innerhalb des Komplexes verantwortlich (Steiner et al. 2008). Im Bildungsort der γ-Sekretase, dem ER, formen zunächst Nct und APH-1 ein initiales Zwischenprodukt, das das PS-Holoprotein stabilisiert. Darauf kommt PS- stabilisierendes Pen-2 hinzu, welches gleichzeitig der Auslöser der Endoproteolyse von PS ist. Die nun funktionsfähige γ-Sekretase wird in die aktiven Kompartimente, Zelloberfläche, TGN und Endosomen, transportiert (Steiner et al. 2008, Spasic and Annaert 2008). Zum Schnittmechanismus der γ- Sekretase ist zu sagen, dass nach der γ-Schnittstelle, die Aβ40 und Aβ42 bildet, noch zwei weitere Schnittstellen beschrieben wurden: die ε-Schnittstelle welche Aβ48 und Aβ49 prozessiert (s. Abb. 5 A) (Kakuda et al. 2006, Gu et al. 2001) und die ζ-Schnittstelle, deren Produkte Aβ45 und Aβ46 sind (Zhao et al. 2004). Allerdings werden diese beiden längeren Aβ innerhalb der Zelle in Aβ40 und Aβ42 umgewandelt (Funamoto et al. 2004). Aktuelle Modelle gehen jedoch davon aus, dass die Spaltung der APP Produkte zuerst an der ε-Schnittstelle und dann jeweils helical nach drei AS erfolgt, vorbei an der ζ-Schnittstelle bis hin zur γ-Schnittstelle. Qi-Takahara et al. (2005) untersuchten die Spaltung der γ-Sekretase und postulieren aufgrund ihrer Ergebnisse, dass zunächst an der ε-Schnittstelle Aβ49 produziert wird. Dieses wiederum dient als Substrat für eine Verkürzung zu Aβ46 (ζ-Schnittstelle), bis an der γ-Schnittstelle Aβ43 und schließlich Aβ40 entsteht. Aufgrund einer Spaltverschiebung gibt es eine zweite Aβ- Linie, beginnend mit Aβ48 über Aβ45 zu Aβ42 (s. Abb. 7). Die exakte Funktionsweise der γ-Sekretase ist jedoch noch nicht entschlüsselt.

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Details

Seiten
93
Jahr
2009
ISBN (eBook)
9783640506897
Dateigröße
1.2 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v141458
Institution / Hochschule
Justus-Liebig-Universität Gießen – Institut für Ernährungswissenschatfen
Note
1,3
Schlagworte
Einfluss Polyphenolen Alzheimer-Krankheit

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Titel: Der Einfluss von Polyphenolen auf die Alzheimer-Krankheit