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.