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).
Молекулярные рецепторы для глутамата и чили
Свободный глутамат встречается во многих продуктах, включая мясо, сыр и некоторые овощи, и используется как пищевая приправа в форме глутамата натрия (ГН). Вкус глутамата передается G-протеин-сопряженным метаботропным глутаматным рецептором, который специфически экспрессируется во вкусовых сосочках, но не в окружающем нечувствительном языковом эпителии.
Методом условной вкусовой аверсии было показано, что как ГН, так и специфичный агонист mGluR4 рецепторов (метаботропных глутаматных рецепторов 4-го типа) L-AP4, вызывают сходные вкусовые ощущения у крыс.
В таких исследованиях используют тесную связь между вкусом продукта и вызванной им тошнотой, чтобы определить, подобны ли вкусовые ощущения. Крысы, у которых после вкусовых ощущений, обусловленных ГН, вызывали тошноту (внутрибрюшинной инъекцией LiCl), затем боялись вкуса mGIuR4-специфичного агониста L-AP4 (а также ГН), но не специфичных агонистов других глутаматных рецепторов.
Таким образом, молекулярный рецептор глутамата является специфическим вкусовым рецептором на языке. «Жгучий» вкус перцев чили представляет другой пример многофункциональности молекулярных рецепторов. Жгучие перцы чили не воспринимаются самими вкусовыми клетками, но скорее болевыми волокнами в языке, которые активируются капсаициновыми соединениями. Рецептор капсаицина клонирован, и доказано, что это кальций-селективный катионный канал. Рецептор «жгучести» (обозначенный VRI, потому что он был первым из членов рецепторного семейства ваниллоидов) образован волокнами мелкого размера (С-волокна) от клеток спинальных ганглиев, сигнализирующих о боли. Таким образом, природа снабдила перцы чили химической нацеленностью на данный рецептор, возможно, чтобы отпугивать травоядных путем активации болевых волокон, - что оказалось не столь успешной стратегией в случае с человеком, с его пристрастием к острой пище.
Трансдукция ноцицептивных и температурных стимулов
При температуре около 33°С у нас обычно не возникает температурных ощущений. Когда температура кожи поднимается или опускается выше или ниже этой нейтральной точки, это вызывает ощущение тепла или холода. Существуют два вида температурных рецепторов в коже: один сигнализирует о тепле, другой - о холоде. Вы можете легко продемонстрировать это на тыльной стороне кисти руки: если касаться кожи в различных местах каким-либо предметом, имеющим комнатную температуру (например, острием обычного карандаша), то в некоторых точках это вызовет ощущение холода. Вне этих точек ощущается только прикосновение. Чтобы обнаружить другие точки, пространственно отличающиеся от Холодовых, где ощущается тепло, используется теплый металлический пробник. Таких мест меньше, и их нужно долго искать. Кожные температурные афференты отличаются от тех, которые сигнализируют об экстремальных температурных воздействиях, вызывающих болевые ощущения.
Активация и сенситизация ноцицепторов
Ноцицепция (восприятие стимулов боли и повреждения) возникает из сочетания прямых и непрямых воздействий на периферические сенсоры. Болезненное нагревание (выше 43° С) вызывает открывание неспецифических катионных каналов в окончаниях С-волокон. Ионы кальция и натрия входят в клетку и деполяризируют ее, вызывая генерацию потенциала действия. Кислоты могут также напрямую открывать катионные каналы. Кислотно-чувствительные ионные каналы (ASIC) были клонированы из ноцицептивных нейронов. Механическое повреждение кожи может привести непосредственно к деполяризации ноцицепторов. Когда клетки, содержащие капсаициновые рецепторы VR1, быстро нагреваются, то открывание этих рецепторов приводит к возникновению болезненного теплового ощущения. Продолжительное воздействие капсаицина вызывает постепенное накопление кальция и смерть клетки. Парадоксально, но капсаицин используется и как долговременный анальгетик, поскольку, убивая С-волоконные афференты, он облегчает тем самым хронические боли.
Помимо болевых стимулов, таких как тепло или кислота, которые могут воздействовать непосредственно на ноцицепторы, поврежденные клетки выделяют химические активаторы, такие как аденозинтрифосфат (АТФ). Одна из субъединиц АТФ-рецептора (Р2Х3) специфична для клеток ганглиев задних корешков, образующих С-волокна, и может объединяться с другими субъединицами, вызывая медленно десенситизирующееся возбуждение ноцицепторов аденозинтрифосфатом. Клеточное повреждение также ведет к выделению цитоплазматических протеаз, которые затем расщепляют белки плазмы крови. Таким образом, из кининогена, распространенного неактивного предшественника, производится пептид брадикинин, состоящий из 9 аминокислотных остатков. Брадикинин является сильным активатором окончаний С-волокон, вызывающим в них входящий ток и генерацию потенциалов действия. Рецептор брадикинина может действовать через повышение уровня вторичного посредника IР3.
Брадикинин и другие химические вещества в поврежденной коже также повышают чувствительность ноцицептивных окончаний. Активируемые теплом катионные токи больше по величине и возникают при более низких температурах, как результат активации брадикинином протеинкиназы С. Другими медиаторами воспалительного процесса являются простагландины, серотонин, гистамин и субстанция Р. Простагландин Е2 и серотонин повышают уровень цАМФ, увеличивая тем самым амплитуду и потенциалочувствительность натриевого тока в ноцицепторах. Повреждение тканей также повышает экспрессию адренергических рецепторов в нейронах ганглиев задних корешков - это еще один из механизмов увеличения возбудимости. Активированные болевые волокна выделяют вещество Ρ не только из своих синапсов внутри спинного мозга, но также из своих терминалей в коже. На периферии вещество Ρ может увеличивать возбудимость С-волокон, блокируя К+ каналы. Процесс сенситизации сопровождается локальной вазодилятацией и опуханием. Поврежденная область становится «гиперальгезивной», т. е. приобретает пониженный болевой порог.
Выводы
Каждый тип сенсорных рецепторов отвечает предпочтительно на один тип стимула - адекватный стимул.
Короткие и длинные рецепторы различаются морфологически и функционально. Короткие рецепторы кодируют интенсивность стимула непосредственно в амплитуде рецепторного потенциала. Длинные рецепторы, помимо этого, преобразуют амплитуду рецепторного потенциала в частотный код импульсной активности.
Ответ многих рецепторов нелинейно зависит от интенсивности стимула. Это обеспечивает некоторым типам рецепторов широкий динамический диапазон.
Наиболее чувствительные рецепторы адаптируются в той или иной степени во время длительного стимула. Адаптация обусловлена как механическими, так и электрическими факторами. Некоторые рецепторы за счет очень быстрой адаптации «настраиваются» на быстро изменяющиеся стимулы, такие как вибрация.
Механочувствительные волосковые клетки внутреннего уха непосредственно преобразуют движение в открытие ионных каналов посредством физической связи. Концевая связь, которая соединяет соседние стереоцилии, растягивается посредством отклонения волоскового пучка, открывая таким образом ионный канал.
Вход кальция через неселективный канал механотрансдукции волосковых клеток приводит к адаптации и закрыванию канала.
Обонятельные нейроны используют G--протеин-сопряженные мембранные рецепторы, что ведет к открыванию цАМФ--управляемых катионных каналов в плазматической мембране. Каждый представитель обширного семейства обонятельных рецепторных белков экспрессируется небольшим количеством клеток. Все нейроны, экспрессирующие конкретный рецепторный белок, проецируются в единую гломерулу обонятельной луковицы.
Аминокислоты, сахара и горькие соединения связаны с G-протеин-сопряженными рецепторами во вкусовых сенсорных клетках. Соль и протоны (кислые соединения) воздействуют непосредственно на ионные каналы, генерируя рецепторные потенциалы во вкусовых клетках.
Болевые и температурные ощущения передаются разнообразными химическими посредниками. Прямое механическое повреждение или чрезмерное нагревание вызывает потенциал действия в болевых волокнах. Соединения, выделяемые из поврежденных тканей, такие как брадикинин, сенситизируют нонцицептивные окончания.
Литература
1. Грегори Р.Л. Разумный глаз.
2. Леках В.А. Ключ к пониманию физиологии.
3. Гамов Г., Ичас М. Мистер Томпкинс внутри самого себя: Приключения в новой биологии.