5. Біохімічні механізми нюху і посилення первинних нюхових сигналів
На початку 50-х років ХХ ст. Ерл Сезерленд на прикладі адреналіну, що стимулює утворення глюкози з глікогену, розшифрував принципи дії адреналінового рецептора, який виявився загальним для широкого кола рецепторів. Вже в кінці ХХ ст. було виявлено, що сприйняття запахів здійснюється аналогічним чином.
Первинні рецепторні білки – це дуже складні молекули, зв'язування яких зі своїми субстратами викликає в них відчутні структурні зміни, за якими починається каскад ферментативних реакцій. Для рецептора нюху (одорантного), так само, як і для зорового рецептора, цей процес завершується нервовим імпульсом, який сприймається нервовими клітинами відповідних відділів мозку.
Згідно з останніми даними, будова одорантного рецептора абсолютно аналогічна. Рецепторний білок включає таку послідовність амінокислот, яка містить сім гідрофобних ділянок. Ці поліпептидні ділянки, згорнуті в α-спіраль, утворюють мікротрубочки. Таким чином, рецепторний інтегральний білок являє собою своєрідну пачку з семи мікротрубочок, що перетинають біомембрани. Така структура інтегральних білків характерна для рецепторів опсину в сітківці ока, рецепторів серотоніну, адреналіну, гістаміну і одорантів.
Із зовнішнього боку клітинної мембрани білок-рецептор являє собою розетку, побудовану однотипно для різних рецепторних систем. На рис. 8.4 представлена схема взаємодії між молекулою ліра (синтетичний одорант) і нюховим рецептором щура, представленим п'ятьма гідрофобними доменами.
Рис. 8.4. Схематична діаграма будови нюхового джгутика і два хімічні механізми посилення сигналу запаху всередині нюхового волоска: I – мембранний інтегральний комплекс – рецептор (R) + ГТФ-зв'язуючий білок (G) + аденілатциклаза (АЦ); II – мембранний інтегральний комплекс - рецептор (R) + ГТФ-зв'язуючий білок + фосфоліпаза С (ФЛС).
У результаті фофсофрилювання мембранних білків відкриваються канали провідності катіонів, і, як наслідок, миттєво змінюється мембранний потенціал клітини, в результаті чого генерується потенціал дії. Останній передається по аксону в нюхову цибулину, де і відбувається оцінка та відділення біологічно значущих сигналів від нюхового «шуму», а за цим відібрані сигнали направляються в мозок, де і викликають поведінкову відповідь.
6. Рецептори збудливих тканин
Передача сигналу через мембрану не завжди пов'язана з включенням G-білків. Суттєва кількість рецепторів має властивості самостійного каналу. Ці рецептори об'єднуються в клас рецепторів швидкої відповіді і здійснюють відповідь на сигнал протягом декількох мілісекунд. На збудливі тканини, до яких відносяться нервові, м'язові і секреторні клітини, інформація передається через спеціальне утворення – синапс (див. тему 8). Із закінчення нервової клітини виділяється нейромедіатор, що взаємодіє з рецепторами постсинаптичної мембрани іншої клітини. Найбільш типовим прикладом подібних рецепторів є ацетилхоліновий рецептор (холінорецептор). Холінорецептори поділяються на два типи: нікотинові і мускаринові. Як для перших, так і для других агоністом є ацетилхолін, проте перший тип рецепторів активується ще й нікотином, а другий – мускарином, речовиною, яка міститься в мухоморі (Amanita muscarina).
Нікотинові рецептори розташовані в місці контакту аксонів зі скелетними м'язами, а мускаринові зосереджені в мозку, секреторних клітинах, гладеньких і серцевих м'язах. Успіх в дослідженні рецепторів багато в чому завдячує застосуванню природних токсинів, в першу чергу, отрут бджіл, павуків, змій і деяких земноводних. Ці отрути містять фосфоліпази, які руйнують мембранні фосфоліпіди, що також призводить до порушення передачі сигналу в клітині, але найбільш прямий шлях паралізувати жертву – інгібувати її швидкі рецептори.
α-бунгаротоксин з отрути змій родини еланідів (кобри, мамби тощо), здатний селективно і необоротно зв'язуватися з нікотиновими холінорецепторами. Це дозволило ідентифікувати рецепторний білок і очистити його. Холінорецептор (рис. 8.5) складається з чотирьох субодиниць – α, β, γ і δ, їх молярне співвідношення в білку 2:1:1:1. Всі субодиниці рецептора глікозильовані.
Рис 8.5. Структура нікотинового холінергічного рецептора, який формує іонний канал
П'ять субодиниць холінорецептора (α-β-α-γ-δ) утворюють канал, проникний для іонів натрію, калію і кальцію. Холінорецептор локалізований на постсинаптичній мембрані клітини і при зв’язуванні ацетилхоліну змінює свою конформацію таким чином, що через вустя, сформоване канальними субодиницями, всередину клітини спрямовуються іони Na+. Відбувається деполяризація мембрани, що призводить до виходу іонів К+ з клітини. Це повертає потенціал мембрани до вихідної величини. У процесі цієї перезарядки мембрани, здійснюваної потенціалом дії, через цей же канал всередину клітини можуть входити іони Са2+. У той же час це швидкодіюча регуляторна система – потенціал дії, що викликається ацетилхоліном, виникає і згасає в тканинах мозку за 1-2 мсек, завдяки чому синапс може проводити від аксона на іннервуючу клітину до 500 імп/с. У нервово-м'язовому синапсі потенціал дії триває трохи довше (80-120 мсек).
Такий швидкий розвиток і гасіння сигналу можливі завдяки швидкості зв'язування ацетилхоліну з рецептором, а також високим швидкостям його дисоціації від рецептора і руйнування ацетилхолінестеразою. Безперебійне функціонування холінергічного синапсу вимагає великого запасу ацетилхоліну, який синтезується про запас і накопичується в везикулах пресинаптичної мембрани. Крім того, в клітинах повинні існувати досить високі градієнти іонів Na+ і К+ по обидві сторони плазматичної мембрани.
Швидкодія ацетилхоліну (як і інших нейромедіаторів) визначається також особливостями того морфологічного утворення, яке існує між аксонами і іннервуючою клітиною і яке називається синапсом. Завдяки тому, що відстань між пре-і постсинаптичною мембранами становить всього 300-500 Å, а холінорецептори сконцентровані у вигляді кластерів в області ділянок секреції ацетилхоліну, в момент розриву секреторної бульбашки нейромедіатор швидко виявляється в місці його рецепції. Крім того при подразненні аксона виходить викид такої великої кількості ацетилхоліну, що молекули цього нейромедіатора миттєво насичують всі рецептори і викликають масований вхід Na+ в клітину (розвиток потенціалу дії).
Холінергічні рецептори нікотинового типу мають доволі низьку спорідненість до ацетилхоліну – напівмаксимальне насичення рецепторів спостерігається у присутності 10-4 М ацетилхоліну, тому, як тільки ацетилхолінестераза (локалізована в областях, що є сусідами з молекулами холінорецептора) починає гідролізувати ацетилхолін і знижувати його рівень у синапсі, відбуваються дисоціація цього нейромедіатора від рецептора і повернення каналу в закритий стан.
Зовсім іншу, відмінну від холінергічного рецептора нікотинового типу, структуру і інший механізм функціонування мають мускаринові холінергічні рецептори (МХР), які локалізовані переважно поза синапсом. На цей рецептор не діє нікотин, але він легко активується мускарином, а також, зрозуміло, ацетилхоліном, до якого має спорідненість порядку 10-6 М.
Існують, щонайменше, чотири типи мускаринових рецепторів, причому всі вони близькі за структурою (їх поліпептидний ланцюг сім разів пронизує мембрану) і пов'язані з G-білками, але передають сигнал різним системам внутрішньоклітинної сигналізації. Так, наприклад, МХР можуть стимулювати фосфоліпазу С, яка гідролізує фосфоінозитиди, та інгібувати аденілатциклазу, а також активувати К+-канал. До цього класу рецепторів належать і адренергічні рецептори, а також опіатні рецептори кори півкуль мозку.
Відповідь цих рецепторів розтягнута в часі. Ефекти мускаринових холінорецепторів розвиваються через 1-2 хв після взаємодії з рецептором і гасяться за десятки хв.