Механизм обонятельной трансдукции

Восприятие пахучего стимула начинается с взаимодействия его молекулы с мембранным рецептором обонятельной клетки. Методами биохимического анализа показано, что этот рецептор локализован в жгутиковой мембране и принадлежит большому семейству белков, сопряженных с G-белками, содержащих домены, семь раз пронизывающих плазмолемму.

В обонятельном эпителии методом клонирования выделена специфическая для него изоформа аденилатциклазы III. Ее идентифицировали с помощью моноклональных антител и показали, что она принадлежит семейству G-белокчувствительных аденилатцик- лаз. В ходе эмбриогенеза аденилатциклаза III никогда не распространяется ниже слоя обонятельных жгутиков, будучи сосредоточенной преимущественно в их дистальных отделах.

Вторым ключевым ферментом, участвующим в обонятельной трансдукции, является специфическая фосфолипаза С, которая локализуется в жгутиках и вовлекается в фосфоинозитидный путь передачи информации в клетке.

В обонятельном эпителии обнаружен и специфический для него ГТФ-связывающий белок (Golf). По своим свойствам он сходен со стимуляторными G-белками других тканей, но является особой их разновидностью, характерной для обонятельного эпителия. Его свойства обусловливаются уникальной для ольфакторного G-протеина конфигурацией ГТФ-связывающего сайта.

Таким образом, в обонятельной трансдукции возбуждение рецепторной молекулы передается на аденилатциклазу III или фосфолипазу С посредством чувствительного к холерному токсину сти- муляторного специфического ольфакторного ГТФ-связывающего протеина (Golf). Раньше полагали, будто внутриклеточной сигнальной системой, обеспечивающей трансдукцию сигналов об одорантах, служит система цАМФ (аденилатциклаза III), тогда как фосфоинози- тидная система, включающая фосфолипазу С, осуществляет трансдукцию феромонов. Недавно доказано (Е.В. Бигдай, 2004), что не только обе названные сигнальные системы, но также и тирозинкиназ- ная внутриклеточная сигнальная система участвует в трансдукции одорантов, но для разных пахучих веществ комбинации систем, осуществляющих обонятельную трансдукцию, различны (рис. 6.59).

Внутриклеточные сигнальные системы передают сигнал об одорантах на кальциевые каналы, которые находятся в плазмолемме обонятельных жгутиков и открываются под действием цАМФ и 1, 4, 5-трифосфоинозитидов. По этим каналам из межклеточной среды в цитозоль обонятельной клетки могут поступать как Са2+, так и Na+. Таких каналов нет в мембранах микровилл опорных клеток и ресничек мерцательного эпителия. Лучше изучены циклонуклеотидзави- симые ионные каналы. Они идентифицированы и охарактеризованы. Плотность этих каналов в мембране жгутиков обонятельных клеток тритона составляет 920 каналов на 1 мм2, а у жабы - 2400 каналов на 1 мм2, тогда как в дендрите и соме выявлено всего 2 канала на 1 мм2

Механизм обонятельной трансдукции с участием аденилатциклазного (а) и фосфоинузитидного (б) путей

Рис. 6.59. Механизм обонятельной трансдукции с участием аденилатциклазного (а) и фосфоинузитидного (б) путей

у тритона и 6 каналов на 1 мм2 у жабы. В отсутствие одорантов подавляющее большинство цАМФ-регулируемых каналов закрыто и поток катионов в рецепторные клетки невелик. Им обеспечивается стабилизация мембранного потенциала на обонятельных жгутиках.

Одорант вступает во взаимодействие с рецепторными молекулами мембраны жгутиков. Сопряженные с рецепторными молекулами G-белки (GojJ) активируют внутриклеточные сигнальные системы, что приводит к открытию цАМФ- или 1Р3 - регулируемых кальциевых каналов. Входящие катионные токи деполяризуют мембрану обонятельной клетки. Деполяризационный сдвиг мембранного потенциала является рецепторным потенциалом, который электротонически (с декрементом) распространяется со скоростью электромагнитной волны по обонятельной клетке - от жгутика до аксона, где инициирует возникновение потенциалов действия (нервных импульсов), следующих по веточкам обонятельного нерва к обонятельной луковице.

Обонятельные клетки существенно различаются по степени их специфичности к стимулу. Данные последних лет показывают, что в одной обонятельной клетке экспрессируется один обонятельный рецептор для данного одоранта, поскольку каждая рецепторная клетка содержит ген только одного обонятельного рецептора. Р. Аксель и Л. Бак, лауреаты Нобелевской премии 2004 г., открыли семейство генов (более 1000), ответственных за обоняние. Оказалось, что каждый ген из ста в организме млекопитающих участвует в синтезе белков, осуществляющих обоняние. Все обонятельные рецепторы принадлежат к классу так называемых семидоменных рецепторов (как и родопсин), т.е. белковый комплекс рецепторной молекулы семь раз пронизывает плазмолемму жгутика.

Имеется определенная топографическая организация обонятельной выстилки в ее реагировании на разные классы одорантов. У млекопитающих гены рецептора к одоранту экспрессируются в одной из четырех основных зон в обонятельном эпителии, и экспрессия одиночного гена рассеивается в пределах определенной зоны случайно. Таким образом, на поверхности обонятельного эпителия рецепторные клетки образуют «пространственные карты запахов». В каждой из зон ольфакторный рецептор может взаимодействовать со своим специфическим лигандом, а клетки объединяются в группы, имеющие рецепторы со сходной лигандной специфичностью.

Обонятельным рецепторам свойственна неоднородность механизма трансдукции сигналов об одорантах разных классов. Как уже говорилось, для веществ, обладающих острым (аммиак) и гнилостным (меркаптаны) запахами, специфических обонятельных рецепторов не обнаружено. В их трансдукцию не вовлекаются и сигнальные системы обонятельных клеток. Эти одоранты проникают через плазмолемму в цитоплазму рецепторных клеток и действуют непосредственно на митохондрии. Для одорантов, относящихся к пяти другим классам, выявлены мембранные рецепторы, которые конгруэнтны по своей стереоструктуре соответствующему одоранту, т.е. пахучие вещества подходят к ним, как ключ к замку (рис. 6.60).

Вместе с тем для этих пяти классов одорантов, воспринимаемых молекулярными рецепторами, присущи разные внутриклеточные сигнальные системы. Трансдукция амилового спирта (прогорклый запах), цинеола (эвкалиптовый запах) и амилацетата (фруктовый запах) осуществляется системой цАМФ, причем аденилатциклаза III

Модели молекул пахучих веществ и соответствующие им активные центры рецепторов

Рис. 6.60. Модели молекул пахучих веществ и соответствующие им активные центры рецепторов

активируется амиловым спиртом и амиалцетатом через G-белок, а цинеолом - через тирозинкиназу. В обонятельной трансдукции камфоры и ванилина (цветочный запах) вовлекается фосфоинозитидный путь, причем фосфолипаза С активируется ванилином через G-белок, а камфора - через тирозинкиназу. Заметим, что камфора и цинеол, являющиеся монотерпенами, включают одинаковый механизм преобразования сигналов - активируют тирозинкиназу, тогда как последующие звенья трансдукции для этих веществ, обладающих разными запахами, различны: для камфоры - фосфолипаза С, а для цинеола - адинилатциклаза III. Следовательно, первичные механизмы рецепции одорантов, относящихся к разным классам, гетерогенны.

В обонятельной луковице осуществляется глутаматэргическая синаптическая передача с аксонов терминалей на дентриты обонятельных клеток. Она выполняет роль релейной структуры, в которой происходит первая стадия обработки обонятельной информации. Область синаптического контакта формирует гломерулярную структуру, в которую проецируется аксон от обонятельной клетки, экспрессирующей рецептор к данному одоранту. Иными словами, нейроны обонятельной луковицы образуют своего рода матрицу гломерул (рис. 6.61), а кон-

Топография рецепторных молекул в обонятельной выстилке и проекции аксонов в соответсвующие гломерулы обонятельной луковицы

Рис. 6.61. Топография рецепторных молекул в обонятельной выстилке и проекции аксонов в соответсвующие гломерулы обонятельной луковицы

кретный запах воспринимается мозгом как возбуждение определенной комбинации нейронов в обонятельной луковице. В Нобелевской речи Р. Аксель утверждал: «Мозг как будто говорит: «Я наблюдаю активность в нейронах NN 1,15, 54 - это соответствует возбуждению рецепторов №№ 1,15, 54, а значит, пахнет жасмином».

Таким образом, в гломерулах сосредоточена информация о свойствах отдельных молекул пахучих веществ, которая локализуется в определенном месте обонятельной луковицы. Это классический пример кодирования качества раздражителя по принципу меченой линии.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >