Главная | Обратная связь

Комбинаторная система идентификации одорантов

Понять, как происходит распознавание запахов, т. е. как кодируется информация о природе одоранта, значительно труднее, чем понять, как кодируется информация о его интенсивности. Нет никакой связи между свойствами одорантов и активностью специфических рецепторных клеток: специфические рецепторные клетки, кодирующие информацию об одорантах определенного типа, отсутствуют. То, что обонятельные рецепторные клетки лишены нейронной специфичности, подтверждается результатами изучения обонятельной системы лягушки. Установлено, что единичная обонятельная клетка лягушки одинаково реагирует на большое число различных одорантов. Отсутствие специфичности характерно и для обонятельных нервов, связывающих рецептор­ные клетки с клубочками обонятельной луковицы. Как и обонятельные клетки, большинство обонятельных нервных волокон реагируют на весьма широкий набор пахучих веществ, в том числе и на те из них, которые весьма существенно отлича­ются друг от друга. [26]

Обонятельная система использует комбинаторную схему для идентификации одорантов и кодирования сигнала. Согласно ей один тип обонятельных рецепторов активируется множеством одорантов и один одорант активирует множество типов рецепторов. Было высказано предположение, согласно которому в основе распознавания запаха лежит пространственный паттерн нейронной активности, возникающий в обонятельной луковице. [33] Иными словами, информация о природе запаха кодиру­ется паттерном импульсов многих рецепторных клеток, чувствительность которых различна. Сти­муляция одним пахучим веществом может активировать какую-либо одну группу рецепторных клеток, нейронная активность которых соответствует определенно­му паттерну, или профилю, нейронной активности, характерному именно для этой группы рецепторов. Стимуляция другим одорантом активирует другую группу рецепторных клеток, часть из которых может также отреагировать и на первый сти­мул. (Рис. 1.10.)

Различные одоранты кодируются разнообразными комбинациями обонятельных рецепторов, причем увеличение концентрации стимула приводит к возрастанию числа активируемых рецепторов и к усложнению его рецепторного кода. В этой схеме каждый рецептор выступает в качестве одного из компонентов комбинаторного рецепторного кода для многих одорантов и как бы исполняет роль буквы своеобразного алфавита, из совокупности которых составляются слова-запахи. [26]

Рис. 1.10. Схематическое изображение паттернов нейронной активности группы из 16 рецепторных клеток, стимулируемых тремя различными одорантами [40] Каждый кружок – обонятельный рецептор, а черные кружки - это рецепторные клетки, реагирующие на стимуляцию данным конкретным одорантом. Рецептор А активи­руется всеми тремя одорантами, рецептор В - только одорантами 1 и 3, а рецептор С-только одоран­тами 1 и 2. Следовательно, хотя индивидуальная рецепторная клетка и может стимулироваться несколь­кими различными одорантами, каждый из них активирует разную группу, или паттерн, рецепторных клеток. А это значит, что специфический паттерн активированных рецепторных клеток сигнализирует о присутствии специфического одоранта, или кодирует информацию о нем.

Минимальные структурные отличия молекул одорантов, например, по функциональной группе, по длине углеродной цепи, по пространственной структуре приводят к различному рецепторному коду. Для отличительного признака молекулы одоранта, способного изменить кодировку запаха, был предложен термин "одотоп" (odotope), или детерминант запаха. Различные обонятельные рецепторы, которые распознают один и тот же одорант, могут идентифицировать различные его признаки-одотопы. Одиночный обонятельный рецептор способен "различать" молекулы, отличающиеся длиной углеродной цепочки всего лишь на один атом углерода, или молекулы, имеющие одинаковую длину углеродной цепочки, но отличающиеся функциональной группой. [47]

Механизм нейронно­го кодирования непосредственно связывает широкую «полосу пропускания» рецепторных клеток с распознаванием запахов. Существуют группы рецепторных клеток, каждая из которых чувствительна к большому числу различных одорантов, при­чем нейронные активности этих групп взаимно перекрываются. Учитывая, что в эпителии млекопитающих имеется приблизительно 1000 видов обонятельных рецепторов, можно полагать, что такая комбинаторная схема позволяет различить громадное число одорантов (даже человек различает до 10 000 запахов). [47]

1.4.2. Обонятельные рецепторные белки

Результаты исследований свойств обонятельных рецепторных белков позволили создать на молекулярном уровне структурную модель спиральной молекулы обонятельного белка (рис. 1.11.). Они пересекают двухслойную липидную мембрану реснички семь раз. У содержащей 300-350 аминокислот молекулы рецепторного белка три наружные петли соединяются с тремя внутриклеточными петлями семью пересекающими мембрану трансмембранными участками – гидрофобными доменами мембранного белка. [14, 47] Каждая клетка содержит рецепторы только одного определенного вида. Белок-рецептор образует "карман" для связывания молекулы одоранта. Со стороны внешней среды белок-рецептор представляет собой розетку, построенную однотипно для разных рецепторных систем. Последние данные позволили установить, как устроена эта розетка при рецепции одорантов. Лигандсвязывающие аминокислотные остатки формируют "карман", расположенный по крайней мере на расстоянии 12 А от поверхности клетки. (Рис.1.12) В литературе отмечается важная роль остатка гистидина (His 159) в дискриминации запаховых молекул. Он может играть роль каталитической группы, осуществляющей гидролиз фосфоэфирной связи одоранта. В результате его адсорбции в кармане рецептора атакуе­мая связь будет находиться как раз в ближайшем положении к гистидину, который в реакции гидро­лиза при участии молекулы воды может играть роль каталитической группы. [14]

Рис. 1.12.Строение рецептора одорантов. [14] Представляет собой комплекс семи трансмембранных доменов (7TD), которые формируют карман для молекул одоранта, удерживаемых аминокислотными лигандсвязывающими остат­ками на глубине 12 А от наружной поверхности мембраны: а - поперечное сечение семидоменной структуры; б - схема взаимодействия одорант (лирал) - рецептор (вид сверху).

Рецепторы разных видов отличаются деталями своей структуры, поэтому "карманы"-ловушки имеют разную форму. Когда молекула попадает в "карман", форма белка-рецептора изменяется, и запускается процесс передачи нервного сигнала. Каждый рецептор может регистрировать молекулы нескольких различных одорантов, трехмерная структура которых в той или иной степени соответствует форме "кармана", но сигналы от разных веществ отличаются по интенсивности. При этом молекулы одного и того же одоранта могут активировать несколько разных рецепторов одновременно.

Такое сочетание разнообразия рецепторов и химических свойств молекул, с которыми они взаимодействуют, генерирует широкую полосу сигналов, создающих уникальный "отпечаток" запаха. Каждый запах как бы получает код (подобно штрих-коду), по которому его можно безошибочно узнать в следующий раз. Именно благодаря этому коду мы способны распознавать и запоминать около 10 тысяч запахов. [14, 46,47]

Сигналы от рецепторных клеток поступают в гломерулы (клубочки) обонятельных луковиц. Клетки, обладающие рецепторами одного вида, отправляют сигнал в одни и те же клубочки луковиц. Из гломерул сигналы передаются в митральные клетки - крупные нейроны, а далее в особые области мозга, где информация от разных рецепторов комбинируется, формируя общую картину (Рис. 1.5, 1.9).

Белки слоя слизи

Находящиеся в потоке воздуха молекулы одоранта, перед тем как достичь обонятельных рецепторных нейронов, должны пересечь обволакивающий поверхность обонятельного эпителия слой слизи. Физиологические функции слоя слизи полностью до сих пор не выяснены. Не вызывает сомнения, что она создает гидрофильную оболочку для чувствительных и хрупких обонятельных рецепторов, выполняя защитную функцию. Ведь систему восприятия сигнала нужно защитить от воздействия внешней среды, то есть от молекул одорантов, среди которых могут быть достаточно опасные и химически активные вещества. [47]

Слой слизи состоит из двух подслоев. Внешний, водный, имеет толщину примерно 5 мкм, а внутренний, более вязкий, - около 30 мкм. Реснички-цилии направлены наклонно к внешней поверхности слоя слизи. Они образуют своего рода сетку с нерегулярными ячейками, причем эта сетка размещена у поверхности раздела подслоев так, что основная часть поверхности ресничек (около 85%) оказывается расположенной вблизи границы раздела. Слой слизи содержит разнообразные растворимые в воде белки, значительную часть которых составляют так называемые гликопротеины. Благодаря разветвленной молекулярной структуре эти белки способны связывать и удерживать молекулы воды, образуя гель. Другие виды белков, содержащихся в слизи, взаимодействуют с молекулами одорантов и тем самым могут оказывать влияние на восприятие и распознавание запахов. Эти белки подразделяются на два основных класса - одорант-связующие белки (OBP) и одорант-разрушающие ферменты. [47]

ОВР относятся к семейству белков, имеющих складчатую бочкообразную структуру с внутренней глубокой полостью, в которую попадают маленькие молекулы гидрофильных одорантов. Разные подвиды этих белков отличаются высокой избирательностью взаимодействия с одорантами различных химических классов. Полагают, что OBP способствуют растворению одоранта и транспортируют его молекулы сквозь слой слизи, действуют как фильтр для разделения одорантов, могут облегчать связывание одоранта с рецепторным белком и даже очищать околорецепторное пространство от ненужных компонентов.

Кроме одорант-связующих белков в слизи обонятельного эпителия вблизи рецепторных нейронов обнаружены несколько видов одорант-разрушающих ферментов. Все эти ферменты запускают реакции превращения молекул одорантов в другие соединения. Образующиеся в результате этих реакций продукты также вносят свой вклад в восприятие запаха. В конечном итоге все поступающие в слой слизи молекулы одорантов быстро, практически одновременно с завершением вдоха, теряют свою "запаховую" активность. Так что обонятельная система при каждом вдохе получает новую информацию от свежих порций одоранта.