1.1 Serotonin
1.1.2 Vorkommen und Biochemie
Serotonin ist einer der wichtigsten Neurotransmitter von Säugetieren.
Ungefähr 90% des Serotonins befinden sich im Gastrointestinaltrakt. Der Großteil wird in Vesikeln der enterochromaffinen Zellen der Darmmukosa gespeichert. Auf verschiedene Reize kann Serotonin sowohl auf der luminalen als auch auf der basolateralen Seite abgegeben werden. Freigesetztes Serotonin kann in der Nähe befindliche afferente Nervenfasern stimulieren. Diese verlaufen im Nervus vagus zum Hirnstamm und spielen eine Rolle bei der Auslösung des Brechreizes. Basolateral freigesetztes Serotonin wird im Kapillarblut von Thrombozyten über ein
Transportprotein aufgenommen. Nur etwa ein Zehntel des intestinalen Serotonins kommt in den Neuronen des enterischen Nervensystems vor [12].
Die restlichen 10% des Serotonins kommen im ZNS vor bzw. sind in Thrombozyten, Mastzellen, peripheren Arterien und anderen inneren Organen verteilt [2]. Im ZNS finden sich serotonerge Neuronen vornehmlich in den Raphe-Kernen, der Area postrema und der Substantia nigra [13]. Von dort aus ist Serotonin an zahlreichen zentralnervösen Funktionen beteiligt und kann unterschiedliche physiologische Funktionen beeinflussen.
Abb. 1-2: Durch Serotonin induzierte Signalweiterleitung im Gehirn [14]
Die Biosynthese von Serotonin geht im Organismus von der essentiellen Aminosäure L-Tryptophan aus. Zunächst wird diese durch L-Tryptophan-Hydroxylase in 5-Stellung hydroxyliert. Anschließend erfolgt eine Decarboxylierung durch die aromatische L-Aminosäure-Decarboxylase [13].
NH
COOH NH2
NH
COOH NH2 HO
NH
NH2 HO
L-Tryptophan L-5-Hydroxytryptophan Serotonin, 5-HT Abb. 1-3: Serotoninbiosynthese
Der Abbau von Serotonin im Organismus beginnt mit einer oxidativen Desaminierung durch das Enzym Monoaminoxidase-A (MAO-A) und der Bildung von 5-Hydroxyindol-3-ylacetaldehyd. Der Aldehyd wird zum größten Teil im nächsten Schritt durch eine Aldehyddehydrogenase zu 5-Hydroxyindol-3-ylessigsäure oxidiert und über den Harn
ausgeschieden. Daneben kann der Aldehyd auch zu 5-Hydroxytryptophol reduziert werden oder gleich sulfatiert oder glucuronidiert werden [13]. Desweiteren dient Serotonin als Substrat für die Melatonin-Biosynthese [15].
NH
NH2 HO
Serotonin, 5HT
NH
CHO HO
NH HO
NH HO
OH O
OH 5-Hydroxyindol-3-ylacetaldehyd
5-Hydroxy-3-(2-hydroxyethyl)indol
(5-Hydroxytryptophol) 5-Hydroxyindol-3-ylessigsäure MAO-A
Aldehydreduktase Aldehyddehydrogenase
Abb. 1-4: Metabolismus von Serotonin
Wie bereits erwähnt gehört Serotonin zu den wichtigsten Neurotransmittern.
Physiologische Funktionen werden auf vielfältige Weise über Serotoninrezeptoren reguliert oder moduliert. Serotonin ist beispielsweise bei der Regulation der Schlaf-Wach-Rhythmik, Lokomotion, Nozizeption, Reizperzeption, Temperaturregulation, Nahrungsaufnahme, Sexualverhalten, Aggression, kardiovaskulären Steuerung, Blutdruckregulation oder neuroendokrinen Mechanismen beteiligt [11].
Bei Erkrankungen wie Schizophrenie, Depressionen, Migräne, Epilepsie oder Demenz konnten Störungen im Serotoninhaushalt festgestellt werden [11, 12]. Auch eine Beteiligung von Serotonin bei Motilitätsstörungen des Gastrointestinaltraktes ist gesichert [16]. Serotonin-Antagonisten werden unter anderem bei Chemotherapie-induzierter (chemotherapy induced nausea and vomiting, CINV) oder postoperativer Übelkeit und Erbrechen (postoperative nausea and vomiting, PONV) erfolgreich eingesetzt [2, 17, 18].
1.2 5-HT-Rezeptoren – Nomenklatur und Klassifizierung
Bereits im Jahre 1957 postulierten GADDUM und PICARELLI zwei unterschiedliche Serotonin-Rezeptoren. Sie beobachteten, dass ein Teil der serotonininduzierten Kontraktion des isolierten Meerschweinchenileums durch Morphin (M) geblockt und die restliche Antwort durch Dibenamin (N,N-Dibenzyl-β-chloroethylamin) (D) oder LSD verhindert werden kann. Sie vermuteten das Vorhandensein von neuronalen M-Rezeptoren (Blockade durch Morphin) und D-M-Rezeptoren auf der glatten Muskulatur (Blockade durch Dibenamin) [19, 20].
Diese Einteilung wurde bereits Anfang der 60er Jahre hinterfragt [21, 22], als sich zeigte, dass die charakteristischen Liganden auch nichtspezifische Effekte auf andere Neurotransmitter-Systeme verursachten. Im Jahr 1976 vermuteten BENNETT und SNYDER im Rattenhirncortex aufgrund von Radioligand-Bindungsstudien die Existenz weiterer Serotonin-Rezeptoren [23] und PEROUTKA und SNYDER bewiesen aufgrund ihrer Bindungsstudien die Existenz von zwei verschiedenen Rezeptoren im Rattenhirncortex [24]. In den folgenden Jahren wurden weitere Subtypen der Rezeptoren gefunden und im Jahre 1986 führten BRADLEY et al. aufgrund von Bindungsstudien und pharmakologischen Experimenten ein neues Klassifizierungsschema ein [25]. Molekularbiologische Aspekte, die Entdeckung weiterer Rezeptorsubtypen, neue Erkenntnisse über den Mechanismus der Signaltransduktion und die Aufdeckung der Aminosäuresequenzen und der Genlokalisation veranlassten HOYER et al. im Jahre 2002 unter Einbindung des Vorschlags von HUMPHREY et al. [26] eine neue Klassifizierung einzuführen, die mit kleinen Abwandlungen und Ergänzungen auch heute noch gültig ist [27].
Abb. 1-5: Klassifizierungsschema von Serotoninrezeptoren nach HOYER et al. (2002) [27]
Phospholipase C (PLC), negativer (-VE) und positiver (+VE) Einfluss
Zum jetzigen Zeitpunkt werden die Subtypen der Serotonin-Rezeptoren nach ihrer molekularen Struktur, dem Profil der pharmakologischen Wirkung und den Prozessen der Signalweiterleitung durch Second-messenger-Systeme eingestuft. Als eigen-ständiger Rezeptor wird ein Rezeptor nur anerkannt, wenn Informationen zu allen drei Kriterien vorliegen und eine funktionelle Bedeutung in einem „nativen“ System nachgewiesen worden ist. Wenn keine funktionelle Bedeutung vorliegt, wird nach NC-IUPHAR die Verwendung von Kleinbuchstaben empfohlen [28].
5-HT1A 5-HT1B 5-HT1D 5-ht1e 5-HT1F
Vorkommen neuronal, vor allem ZNS
ZNS, periphere Nerven
vor allem ZNS ZNS vor allem ZNS Effektor Gi/o, cAMP Gi/o, cAMP Gi/o, cAMP Gi/o, cAMP Gi/o, cAMP
Gen HTR1A HTR1B HTR1D HTR1E HTR1F
Chromosom 5q11.2-q13 6q13 1p36.3-p34.3 6q14-q15 3p12
Anzahl AS 422 390 377 365 366
5-HT2A 5-HT2B 5-HT2C 5-HT3A 5-HT3B
Vorkommen GIT, Lunge glatte Gefäß-muskulatur
GIT, ZNS, kardiovaskulär
ZNS ZNS, periphere
Neurone
periphere Neurone, GIT Effektor Gq/11, IP3/DAG Gq/11, IP3/DAG Gq/11, IP3/DAG ligandengesteuerter
Ionenkanal
Gen HTR2A HTR2B HTR2C HTR3A HTR3B
Chromosom 13q14-q21 2q36.3-q37.1 Xq24 11q23.1 11q23.1
Anzahl AS 471 481 458 (a) 510
(b) 478
441
5-ht3C 5-ht3D 5-ht3E 5-ht3c2 5-ht3c4
Vorkommen ? ? ? ? ?
Effektor ligandengesteuerter Ionenkanal
Gen HTR3C HTR3D HTR3E HT3c4 HT3c2
Chromosom 3q27-q28 3q27-q29 3q27-q30 3q27-q28 3q27-q28
Anzahl AS 447 279 471
5-HT4 5-ht5a 5-ht5b 5-HT6 5-HT7
Vorkommen GIT, ZNS, Herz, Harnblase
ZNS ZNS ZNS ZNS
Effektor Gs, cAMP Gi/o, cAMP unbekannt Gs, cAMP Gs, cAMP
Gen HTR4 HTR5A HTR5B HTR6 HTR7
Chromosom 5q31-q33 7q36.1 2q11-q13 1p36-p35 10q21-q24
Anzahl AS 387 357 440 479
Tab. 1-1: Klassifizierung von 5-HT-Rezeptoren (Anzahl AS beim Menschen)
Zum jetzigen Zeitpunkt werden je nach Autor bis zu 20 verschiedene 5-HT-Rezeptoren beschrieben, die in 7 Subtypen unterteilt sind (5-HT1, 5-HT2, 5-HT3, 5-HT4, 5-ht5, 5-HT6,
5-HT7). Mit Ausnahme des 5-HT3-Rezeptors gehören alle Serotonin-Rezeptoren zur Gruppe der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCR, G-Protein-coupled receptors).
Der 5-HT3-Rezeptor dagegen gehört zur Gruppe der Liganden-gesteuerten Ionenkanäle, die auch als ionotrope Rezeptoren bezeichnet werden [26-32]. Aufgrund ihrer Struktur gehören G-Protein-gekoppelte Rezeptoren der Superfamilie der heptahelikalen Transmembranproteine an. Sie bestehen aus Untereinheiten mit sieben (griechisch „hepta“) die Zellmembran durchspannenden (transmembranären) Helixstrukturen, die durch drei intrazelluläre und drei extrazelluläre Schleifen miteinander verbunden sind. G-Protein-gekoppelte Rezeptoren besitzen eine extrazelluläre Bindungsdomäne für einen Liganden. Die intrazelluläre Seite des Rezeptors ist mit Bindungsstellen für G-Proteine und andere Signalmoleküle ausgestattet. Aktivierte Rezeptoren interagieren mit den heterotrimeren (α-, β- und γ-Untereinheit) G-Proteinen (Guaninnukleotid-bindende Proteine), die für die Signal-weiterleitung verantwortlich sind. G-Proteine werden in Abhängigkeit der α-Untereinheit in die Subfamilien Gs (Aktivierung der Adenylylcyclase Æ cAMP ), Gi/o (Hemmung der Adenylylcyclase Æ cAMP ) und Gq/11 (Aktivierung der Phospholipase C Æ Inositol-1,4,5-trisphosphat (IP3) , 1,2-Diacylglycerol (DAG) ) unterteilt [33, 34].
1.3 5-HT
3-Rezeptorfamilie
Wie bereits erwähnt nimmt der 5-HT3-Rezeptor innerhalb der Serotonin-Rezeptorfamilien eine Sonderstellung ein. Der 5-HT3-Rezeptor gehört neben den Nicotin-, Glycin-, GABAA- sowie GABAC-Rezeptoren zur Gruppe der ionophoren Rezeptoren [35]. Er wurde erstmals im Jahre 1957 von GADDUM und PICARELLI als M-Rezeptor beschrieben [19]. Zuerst nahm man an, dass der 5-HT3-Rezeptor nur auf peripheren Neuronen vorkommt [36]. Erst durch die Existenz selektiver Liganden konnte im Jahre 1987 KILPATRICK mit Hilfe von Radioligandenbindungsstudien den 5-HT3-Rezeptor auch im Gehirn nachweisen [37].