10163 (Обоняние. Вкус)

Реферат на тему:

«Обоняние. Вкус»

Обоняние

Механотрансдукция в ухе достигает высокой чувствительности благодаря тесной связи энергии стимула и мембранного потенциала волосковой клетки. В противоположность этому, большая чувствительность обоняния, зрения и некоторых форм вкусовых ощущений достигается благодаря химическому усилению - то есть механизму вторичных посредников, в котором ферментативные каскады производят большое количество промежуточных продуктов, тысячекратно увеличивая тем самым эффект единственной активированной рецепторной молекулы.

Обоняние слабо развито у человека по сравнению с собаками, свиньями и бабочками. Но в то же время значительными усилиями (и рекламным временем) создается то, что можно рассматривать как обонятельное поведение человека (если принять во внимание количество сортов мыла, деодорантов, духов, которые призваны обеспечить социально приемлемый личный букет запахов). Обонятельные сигналы существенно важны для человеческого выживания, стимуляции питания, воспроизведения и связи «мать - дитя». Кроме того, обонятельные стимулы имеют сильную способность пробуждать эмоции и извлекать давно хранимые воспоминания (возможно, как наследие эволюции, от использования обонятельных меток для нахождения дома, как у других видов). Навязчивый характер обонятельной памяти был описан Марселем Прустом в «Воспоминании о прошлом»:

Когда от отдаленных воспоминаний ничего не остается;

Когда уже люди мертвы;

Когда вещи разбиты и потеряны;

Все же остаются еще, более хрупкие.

Но гораздо более живые.

Более невещественные.

Но более постоянные, более верные.

Запах и вкус остаются в воздухе навсегда,

Как призраки, готовые напомнить нам...

Выявление и различение уникальной смеси индивидуальных запахов, связанной с этими воспоминаниями, начинается с семейства молекулярных рецепторов в обонятельных рецепторных нейронах.

Обонятельные рецепторы

У позвоночных животных запахи выявляются структурой, содержащей примерно 100000 обонятельных рецепторных нейронов, аксоны которых проецируются через тонкий участок фронтального черепа (ситовидную пластинку) в обонятельную луковицуДлинные реснички обонятельных рецепторов достигают носовой полости, где они лежат в слизистом слое (mucus), толщиной у человека около 50 мкм, который полностью замещается каждые 10 минут. Слизистый слой защищает сенсорный эпителий, вымывая потенциально токсичные летучие соединения, и все одоранты должны просачиваться через него, чтобы достигнуть сенсорных ресничек. Одоранто-связывающий белок помогает концентрировать гидрофобные одоранты в этом насыщенном водой слое. Обонятельные рецепторы необычны тем, что они постоянно сменяются на протяжении жизни животного. Каждый рецептор живет один или два месяца, и новые рецепторы переходят из слоя базальных клеток в обонятельный эпителий.

Обонятельный ответ

Первые отведения обонятельных ответов были сделаны Эдрианом и Оттосоном. Позже были получены доказательства того, что молекулы одоранта взаимодействуют с рецепторами в мембране реснички, вызывая увеличение проводимости, приводящее к деполяризации. Затем потенциалы действия передаются по аксону обонятельной рецепторной клетки в центральную нервную систему. Методом пэтч-клампа были зарегистрированы одорант--индуцированные токи изолированных обонятельных клеток и изучены точный временной ход и место возникновения обонятельного ответа.

Пример такого эксперимента на клетке, изолированной из обонятельной слизистой оболочки саламандры. Потенциал мембраны клетки фиксирован на -65 мВ, и раствор, содержащий смесь молекул одоранта (примерно 0,1 ммоль) в 100 ммоль KCl, подается из второй пипетки короткими (35 мс) импульсами давления - сначала на сому, потом на дистальную часть дендритов и ресничек. Раствор, подаваемый из пипетки на сому, вызывает быстрый входящий ток, благодаря локальному увеличению концентрации калия. Временной ход калиевого ответа обусловлен соотношением скоростей аппликации и последующего разведения раствора за счет диффузии внутри ванночки. Второй, меньший и более медленный входящий ток появляется, когда одорант достигает апикального дендрита.

Раствор, подаваемый на апикальный дендрит и реснички, производит лишь незначительный калиевый ответ, поскольку, предположительно, в этой части клетки меньше калиевых каналов. Однако сам одорант вызывает большой входящий ток, который превышает время аппликации на несколько секунд. Эксперимент ясно показывает, что область чувствительности к одоранту - это дистальный дендрит и реснички, и пролонгированный временной ход дендритного ответа согласуется с идеей, что изменение проводимости обусловлено системой вторичных посредников.

Каналы обонятельных рецепторов, управляемые циклическими нуклеотидами

Деполяризация, вызываемая молекулами пахучих веществ, обусловлена открыванием неселективных катионных каналов и дополнительным протеканием тока через кальций-активируемые хлорные каналы. Неселективные катионные каналы в обонятельных рецепторах открываются внутриклеточным цАМФ, и эти каналы тесно связаны с катионными каналами, открываемыми цГМФ (циклическим гуанозин-монофосфатом) в палочковых фоторецепторах. Как и фоторецепторный канал папочек обонятельный рецепторный канал не способен ни активироваться, ни инактивироваться изменениями потенциала мембраны. Эти каналы проницаемы для ионов Na+, K+ и Ca2+. Вход кальция может способствовать процессам адаптации. Благодаря очень высокому входному сопротивлению обонятельных рецепторов, для возникновения потенциала действия в них достаточно всего нескольких открытых катионных каналов. Это позволяет предположить, что даже одна молекула одоранта может быть распознана рецептором.

Сопряжение рецептора с ионными каналами

Как связывание одоранта с рецептором сопрягается с открыванием цАМФ-зависимых катионных каналов? Существует предположение, что одорант предпочтительно связывается с теми молекулярными рецепторами, которые сопряжены с G-протеином. Активированный G-протеин высвобождает субъединицу, которая стимулирует аденилил-циклазу, синтезирующую цАМФ. Идентифицировано обширное семейство претендентов на роль генов обонятельного рецепторакоторые кодируют трансмембранные белки, сопряженные с G-протеином, сходные по структуре с метаботропными нейрональными рецепторами. Величайшее разнообразие кодируемых белков возникает за счет последовательности трех трансмембранных доменов, которые формируют лиганд-связующий карман. Был идентифицирован G-протеин, специфично экспрессируемый в обонятельном эпителии (Golf). Высвобождение Golf при связывании одорантов вызывает повышение активности обонятельной аденилил-циклазы, которая содержится в большом количестве в обонятельных ресничках.

Об эффективности этих путей трансдукции свидетельствует быстрое появление цАМФ. Брир и его коллеги, используя метод stop-flow, показали, что за 50 мс аппликации одоранта в препарате изолированной обонятельной реснички происходит 10-кратное увеличение концентрации цАМФ. Существуют также подтверждения того, что обонятельные нейроны используют в процессе трансдукции G-протеиновую активацию фосфолипазы С и продуцируют IР3 (инозитол трифосфат). В этом случае IР3 может напрямую открывать кальциевые каналы в плазматической мембране. IР3 особенно важен для обоняния у беспозвоночных. Роль 1Р3 в обонянии млекопитающих менее ясна, о чем можно судить на том основании, что у трансгенных мышей, лишенных цАМФ-регулируемых каналов, полностью отсутствует способность различать запахи.

Специфичность одорантов

Люди могут различать очень большое число запахов, и существование сотен, а возможно, и тысяч обонятельных рецепторных молекул может служить предпосылкой этой способности. Проблема лишь в отсутствии одорантной специфичности индивидуальных обонятельных рецепторньгх нейронов, каждый из которых распознает определенный спектр запахов, а не является высоко избирательным. Один из подходов к пониманию этого вопроса состоит в том, чтобы методом in situ гибридизации определить паттерн экспрессии рецепторных молекул, клонируемых обонятельными рецепторными нейронами. Рецептор каждого конкретного одоранта локализован в строго ограниченной области обонятельного эпителия. Различные семейства рецепторных генов оказались экспрессированными в зонах, вытянутых по длине эпителия, при этом каждый конкретный ген экспрессировался ограниченным числом обонятельных рецепторных нейронов.

В дополнение к основному обонятельному эпителию, млекопитающие обладают сошниково-носовым (vomeronasal) органом, который участвует в различении феромонов, стимулирующих спаривание и другие виды поведения. Вомероназальные рецепторные нейроны проецируются в дополнительную обонятельную луковицу, нейроны которой, в свою очередь, проецируются в лимбическую систему. Вомероназальные нейроны экспрессируют два дополнительных семейства обонятельных рецепторов. В них имеются также G-протеин-сопряженные рецепторы, но они отличаются от тех, которые экспрессируются в основном обонятельном эпителии. Каждый вомероназальный нейрон может экспрессировать лишь один тип молекулярного рецептора, при этом паттерн экспрессии у самок и самцов крыс различен.

Механизмы вкуса

Описание механизмов вкуса и запаха часто объединяют, потому что оба ощущения активируются химическими стимулами, приходящими из внешнего мира. Действительно, некоторые вкусовые стимулы действуют на G-протеин сопряженные рецепторы способами, весьма схожими с теми, которые описаны в случае обоняния. Однако другие вкусовые стимулы, в основном соли и кислоты, действуют непосредственно на проводимость мембраны. Кроме того, вкусовые рецепторные клетки анатомически отличаются от обонятельных рецепторных нейронов.

Вкусовые рецепторные клетки

Вкусовые рецепторные клетки являются волосковыми нейроэпителиальными клетками, расположенными во вкусовых сосочках на поверхности языка. Как и обонятельные рецепторы, вкусовые клетки регенерируют на протяжении жизни. В отличие от обонятельных рецепторов, вкусовые клетки не имеют аксонов, но формируют химические синапсы с афферентными нейронами во вкусовых сосочках. Микроворсинки направляются от апикального полюса вкусовой клетки в открытую пору вкусового сосочка, где они вступают в контакт с вкусовыми стимулами, растворенными в слюне на поверхности языка.

Вкусовые стимулы обычно подразделяются на пять категорий: соленые, кислые, горькие, сладкие и «умами» - последняя категория обозначается японским словом, обозначающим вкус глутамата натрия, или, в более общем виде, вкус аминокислот. Это многообразие молекул вкусовых стимулов, от простых ионов до сложных карбогидратов и протеинов, сопряжено с широким многообразием механизмов трансдукции. Последние подразделяются на две обширные категории: прямое действие на ионные каналы и опосредованная рецепция вкусовых стимулов, вовлекающая систему вторичных посредников, включая G-протеины.

Соленый и кислый вкус

Общепринято, что соленый вкус передается непосредственным током натрия (или других одновалентных катионов) по каналам в апикальной мембране вкусовой клетки, открытым в состоянии покоя. Натрий присутствует в более высокой концентрации в соленой пище (> 100 ммоль), чем в слюне, поэтому он просто диффундирует внутрь вкусовых клеток по своему электрохимическому градиенту. Возникающая в результате этого деполяризация приводит к выбросу нейромедиатора в химических синапсах, образованных вкусовыми клетками на отростках афферентных нейронов. Натриевые каналы вкусовых клеток не являются потенциалзависимыми, они сходны с эпителиальными натриевыми каналами, расположенными в коже и почках лягушки. Эти натриевые каналы блокируются диуретиком амилоридом (amiloride), и состоят из трех гомологичных субъединиц. Субъединица а была обнаружена в эпителии языка.

Кислый вкус вызывается высокой концентрацией протонов в кислых продуктах, которые могут проникать во вкусовые клетки через амилорид-блокируемые каналы. Другой механизм, ведущий к деполяризации, является следствием блокады K+ каналов протонами. Вкусовые клетки лягушки имеют катионные каналы, которые открываются протонами и также вызывают деполяризацию.

В дополнение к воздействию на реснички вкусовых клеток, соли и протоны могут проникать через вкусовые поры (околоклеточный путь) к базолатеральным участкам мембраны рецепторной клетки, действуя там на те же или другие ионные каналы (включая и такие, которые являются амилорид-нечувствительными).

Этот механизм, вероятно, является общим принципом вкусового восприятия: для каждого отдельного класса вкусовых веществ имеется несколько параллельных путей трансдукции.

Сладкий и горький вкус

Сладкие вещества (сахар) и горькие вещества (часто это растительные алкалоиды, прототипом которых является хинин) обычно представляют собой крупные молекулы, которые связываются с макромолекулярными рецепторами с высокой степенью специфичности. За немногими исключениями, сладкие и горькие вещества активируют систему вторичных посредников путем взаимодействия с G-протеин сопряженными рецепторами.

Только немногие из этих макромолекулярных вкусовых рецепторов были идентифицированы (см. следующий раздел), но G-протеин, специфичный для вкусовой клетки, густдуцин (gustducin), был клонирован и оказался гомологичен трансдуцину - фоторецепторному G-протеину.

Во вкусовых клетках обнаружен широкий спектр молекул, участвующих в последующих каскадах, включая цАМФ фосфодиестеразу, фосфолипазу С и другие компоненты путей, ведущих к синтезу циклических нуклеотидов и IР3.

G-протеиновая гипотеза горького и сладкого вкуса подтверждается наблюдением, что трансгенные мыши, лишенные гена густдуцина, могли ощущать соленое и кислое, но не горькое и сладкое 101).