Главная | Обратная связь

Молекулярный механизм восприятия запахов

Многие свойства системы восприятия запахов можно объяснить на молекулярном уровне. Молекула одоранта встречает на поверхности слизи, покрывающей обонятельный эпителий, молекулу одорант-связующего белка, которая связывает и переносит молекулу одоранта через слой слизи к поверхности реснички обонятельного нейрона. В ресничках осуществляется основной процесс передачи обонятельного сигнала. Его механизм достаточно типичен для многих видов взаимодействий физиологически активных веществ с рецепторами нервных клеток.

Рис. 1.13. Одна из моделей процесса преобразования сигнала внутри реснички обонятельного нейрона. [47]

Молекула одоранта прикрепляется к определенному обонятельному рецептору (R). Между процессом связывания молекулы одоранта с рецептором и передачей обонятельного сигнала в нервную систему лежит сложный каскад биохимических реакций, проходящих в нейроне (Рис. 1.13). Связывание молекулы одоранта с рецепторным белком активирует так называемый G-белок, расположенный на внутренней стороне клеточной мембраны. G-белок в свою очередь активирует аденилатциклазу (AC) - фермент, преобразующий внутриклеточный аденозинтрифосфат (ATP) в циклический аденозинмонофосфат (cAMP). А уже cAMP активирует другой мембранносвязанный белок, который называется ионным каналом, поскольку открывает и закрывает вход заряженным частицам внутрь клетки. Когда ионный канал открыт, в клетку проникают катионы металлов. Таким способом меняется электрический потенциал клеточной мембраны и генерируется электрический импульс, передающий сигнал с одного нейрона на другой. [14]

Несколько молекулярных стадий передачи внутриклеточного сигнала обеспечивают его усиление, в результате чего небольшого числа молекул одоранта становится достаточно для генерирования нейроном электрического импульса. Такие усилительные каскады обеспечивают большую чувствительность системы восприятия запахов.

Запаховый рецептор использует в работе два типа белков:

- интегральный белок – первичный центр связывания молекулы-стимула на внешней поверхности биомембраны;

- периферический G-белок (комплекс из трех белков: G_α, G_β, G_γ) на внутренней стороне мембраны.

С помощью G-белков внутри клетки начинаются химические процессы от­вета на внешний физический акт адсорбции молеку­лы-стимула на внешней части интегрального белка. Появление ответа связано с последовательным протеканием следующих про­цессов (Рис. 1.14).

Сначала молекула-стимул на внешней сто­роне мембраны связывается с интегральным белком и вызывает в нем структурный переход — изменение конформации всей молекулы, и в том числе той ее части, которая на внутренней стороне мембраны контактирует с G-белком. Интегральный белок(I) пе­реходит из состояния I "выключено" в состояние II "включено".

I_I ^стимул I_II (4)

Реально акты включения и выключения начина­ются с изменения свойств контакта белков I-G_γ. Встроенные в мембрану белковые комплексы I_IG и I_IIG обладают различным строением межбелковых контактов в комплексе из трех G-белков, что отра­жается на их способности к диссоциации. При этом белок G_α связан либо с гуанозиндифосфатом (GDP), либо гуанозинтрифосфатом (GTP): I_IG связывает GDP на G_α-глобуле комплекса G_αG_βG_γ, I_IIG связы­вает GTP на G_α-глобуле, которая в результате заме­ны GDP на GTP отделяется от комплекса G-белков. Поэтому связывание молекулы-стимула белковой молекулой-рецептором I внешней поверхности мем­браны приводит к замене GDP на GTP в G_α-белке на внутренней стороне мембраны и диссоциации этого G-комплекса (5). [14] (Рис.1.14)

G_αG_βG_γ(GDP) ^{GDP→ GTP} G_γG_β + G_α(GTP) (5)

Рис. 1.14. Схема строения запахового рецептора [14]: а - состояние "выключено". Рецептор свободен от одоранта, находящегося в комплексе ТО. G-белок представляет собой еди­ный комплекс GaGp Gy, в котором Ga-глобула свя­зывает GDP. Аденилатциклаза на биомембране неактивна; б - состояние "включено". Рецептор связан с одорантом, перешедшим от транспорт­ного белка. Это привело к замене GDP на GTP в белке Ga. После этого белок Ga(GTP) отделился от G-комплекса и образовал комплекс с аденилат-циклазой. В результате контакта с Ga-белком аденилатциклаза перешла в каталитически активное состояние.

Белок G_α отделяется и "плывет" – смещается в плоскости мембраны к соседнему белку, до этого неактивной форме фермента аденилатциклазы. Это драматический момент процесса, поскольку G_α – молекула белка активирует фермент аденилатциклазу. Благодаря этому в ответ на адсорбцию од­ной молекулы на белке-рецепторе внутри клетки начинает протекать каталитическая реакция, ито­гом которой является образование множества моле­кул циклического 3',5'-аденозинмонофосфата (с-АМР). Молекулы с-АМР (мессенджеры), в свою очередь, активируют другой фермент – протеинкиназу. Про­цесс эффективен потому, что появление с-АМР вызывает лавину реакций фосфорилирования с по­мощью большого числа молекул фермента протеинкиназы. Это и есть механизм мощнейшего усиления сигнала, приводящий к рекордной чувствительнос­ти рецепторов как анализаторов молекул. Протеинкиназа, фосфорилируя определенные клеточные белки, вызывает при запаховой реакции открытие канальцев проводимости для ионов, и как результат возникает нервный электрический импульс, передаваемый аксоном. (Рис.1.15) [14]

Конечно, клетка имеет механизмы отрицатель­ной обратной связи – остановки потока реакций фосфорилирования. Эту функцию выполняют ферменты гидролиза с-АМР до 5'-аденозинфосфата (АМР) и др. Поэтому процесс связывания молекулы-стиму­ла на рецепторе приводит лишь к импульсному воз­растанию концентрации с-АМР и его последующе­му "затуханию". [14]

В биомембране обонятельного волоска представ­лены две триады мембранных интегральных белков, представляющих собой нековалентно связанные рецепторы, G-белки и ферменты, генерирующие свои мессенджеры, которые запускают внутрикле­точный каскад реакций фосфорилирования белков при участии протеинкиназ.

рецептор — G-белки — аденилатциклаза (триада I),

рецептор — G-белки — фосфолииаза С (триада II).

Фосфорилирование белков протеинкиназами и дефосфорилирование их многочисленными клеточными ферментами гидролиза, фосфатазами, оказалось универсальным механизмом мгновенного ответа клетки на внешнее воздействие. В резуль­тате фосфорилирования мембранных белков открываются каналы проводимости катионов, и как следствие мгновенно меняется поверхностный по­тенциал клетки, в результате чего возникает вместо потенциала покоя потенциал действия. [14] (Рис.1.15)

Одиночный электрический сигнал-импульс на выходе имеет длительность не более 5 мс и пиковую амплитуду около 100 мкВ. Почти все нейроны генерируют импульсы и при отсутствии воздействия одоранта, то есть обладают спонтанной активностью, называемой биологическим шумом. Частота этих импульсов меняется в диапазоне 0,07-1,8 импульса в секунду.

В обонятельной нейрорецепторной клетке при ее возбуждении образуется медиатор, который, выделяясь в синаптическую щель, ведет к возникновению возбуждающего постсинаптического потенциала и возникновению затем потенциала действия во внесинаптических отделах нервного волокна. В импульсной форме возбуждение передается в другие структуры обо­нятельного анализатора: по аксону в обонятельную луковицу, где и происходит отбор биологически значимых сигналов от биологического шума, а затем путь сигнала ведет в мозг и вызывает поведенческий ответ. [14, 20] В общем виде схема трансформации сигнала в обонятельном рецепторе приведена на рисунке 1.16.

Рис.1.16Трансформация сигнала в обонятельном рецепторе. [12] А — рецепторный обонятельный нейрон; Б — вход Na+ в клетку; В — пахучие моле­кулы соединяются с рецептором (R). Рецептор активирует G-белок (G), G-белок активирует аденилатциклазу (Ац), образующийся цАМФ (сАМР) откры­вает Nа+-каналы

Пахучие вещества при действии на обонятельную выстилку сначала поглощаются обонятельной слизью, покрывающей выстилку, а затем связываются с молекулярными рецепторами, расположенными в мембране жгутиков и микровиллярных отростков обонятельных клеток. При этом открываются ионные каналы, через мембрану идет электриче­ский ток и возникает медленная деполяризация рецепторной клетки — рецепторный потенциал (РП). [12]

Итак, активация рецепторного белка молекулой одоранта в конечном счете приводит к генерированию электрического тока в обонятельном рецепторном нейроне. Ток распространяется по дендриту нейрона в его соматическую часть, где возбуждает выходной электрический импульс. Этот импульс передается по нейрональному аксону в обонятельную луковицу.

С молекулярной точки зрения пока непонятно, в каких единицах измерять интенсивность запаха и от чего она зависит, что такое качество запаха, его "букет", чем отличается один запах от другого и как охарактеризовать это отличие, что происходит с запахом при смешивании различных одорантов. Оказывается, что независимо от вида одорантов и уровня подготовленности даже опытный эксперт не может определить все составляющие смесь компоненты, если их больше трех. Если же смесь содержит более десяти одорантов, то человек не в состоянии идентифицировать ни одного из них.