6.5. Механизм работы обонятельных рецепторов

Рецепторы обонятельного эпителия относятся к большому семейству рецепторов, сопряженных с G-белками (аббр.GPCR - G protein-coupled receptors). Другое их название - это семиспиральные рецепторы, или серпентины; они составляют большое семейство трансмембранных рецепторов. GPCR выполняют функцию активаторов внутриклеточных путей передачи сигнала, приводящими в итоге к клеточному ответу. Рецепторы этого семейства обнаружены только в клетках эукариот: у дрожжей, растений, хоанофлагеллят и животных. Лиганды, которые связываются и активируют эти рецепторы, включают гормоны, нейромедиаторы, светочувствительные вещества, пахучие вещества, феромоны и варьируют в своих размерах от небольших молекул и пептидов до белков. Нарушение работы GPCR приводит к возникновению множества различных заболеваний, а сами рецепторы являются мишенью до 40% выпускаемых лекарств .

Как же работают обонятельные рецепторы?

В результате связывания со своим лигандом - пахучим веществом, или одорантом, - рецептор обонятельного эпителия (класса OR или TAAR) активируется и активирует связанную с ним субъединицу G-белка (G-olf.). Субъединица G-olf. Отсоединяется от рецептора и активирует AC3 - аденилатциклазу третьего типа, которая катализирует производство цАМФ из АТФ. Повышающаяся внутриклеточная концентрация цАМФ вызывает открытие цАМФ-зависимых каналов, что способствует притоку ионов натрия и калия в клетку, что приводит к деполяризации нейрона. В итоге эта локальная деполяризация многократно усиливается последующей активацией кальций-зависимых хлорных каналов. Благодаря низкой концентрации хлора в омывающей реснички слизи- ионы хлора устремляются из клетки наружу. Вызванная пахучим веществом, деполяризация в обонятельной ресничке распространяется по всему нейрону, что в итоге приводит к открытию потенциал-чувствительных ионных каналов в районе аксонального бугорка чувствительного нейрона, вызывая потенциал действия и выход нейромедиаторов в синаптическую щель в обонятельной луковице.

Для того, чтобы человек уловил какой бы то ни было запах, до центральной нервной системы должен дойти сигнал как минимум от 1000 активированных обонятельных рецепторов.

В основе кодирования информации о запахах лежат 2 организационных принципа периферической обонятельной системы. Во-первых, каждый обонятельный чувствительный нейрон, лежащий в обонятельном эпителии, экспрессирует только одну аллель гена, кодирующего один обонятельный рецептор. Это явление получило название «один рецептор, один нейрон». Получается, что спектр пахучих веществ (одорантов), которые может распознать один данный чувствительный нейрон (его «рецептивное поле») - напрямую зависит от лиганд-связывающих свойств одиночного рецептора, экспрессируемого на данном нейроне. Во-вторых, один рецептор активируется несколькими лигандами - с разной интенсивностью, какие-то вещества сильнее активируют данный рецептор, какие-то слабее.

Можно сделать вывод, что на один запах (допустим, простого состава - молекулы одного строения), реагируют несколько типов рецепторов; на сложную смесь веществ - которой обычно и являются запахи - реагирует множество различных рецепторов и с разной силой - и каждый раз получается уникальный набор, «код» активированных рецепторов, и специфический комбинаторный код доходит до центральных структур обонятельной системы - коры больших полушарий (гиппокампа). И уже там окончательно анализируется. Причем лимбическая система «запрашивает», достает память о данном запахе из коры, и формирует эмоциональные реакции организма (точнее соединяет эмоции организма, вызванные запахом, и память о нем, и ассоциативные ядра).

Как это работает?

Молекулы ароматических веществ, попадающие с током воздуха в носовую полость, растворяются в слизи, покрывающей обонятельный эпителий, и взаимодействуют с рецепторными белками, содержащимися в мембране ресничек обонятельных нейронов. Это взаимодействие изменяет ионную проницаемость мембраны клеток и формирует электрический импульс, передающийся по аксону клетки в обонятельный нерв и далее, вплоть до двигательных нейронов спинного мозга, дающих мышцам команды зажать нос пальцами и отойти подальше – или наоборот.

С центральными механизмами системы обоняния специалисты, занимавшиеся ее изучением, разобрались довольно давно, но белковые рецепторы, несомненно присутствующие на мембранах дендритов нейронов обонятельного эпителия, много лет оставались неуловимыми. Решить эту загадку удалось только в 1991 году ученым Колумбийского университета Линде Бак и Ричарду Экселу. В 2004 году открытие принесло им Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

Традиционный подход к изучению механизмов работы рецепторов обоняния заключался в измерении активности тех или иных нейронов в ответ на различные раздражители. Для этого к обонятельным нервам животных подсоединяли электроды и давали им вдыхать различные вещества. В результате удалось выяснить только то, что один и тот же нейрон может реагировать на различные вещества, однако механизмы, лежащие в основе этого процесса, долгое время оставались непонятными.

Бак и Эксел избрали принципиально новый подход – они обратились к стремительно развивающейся генетике и начали поиск генов, активность которых регистрируется исключительно в обонятельном эпителии. Вначале их эксперименты также были безуспешны, что позже Эксел объяснил существованием огромного количества белков-рецепторов, реакция каждого из которых на конкретный запах слишком слаба, чтобы ее можно было обнаружить существующими методами.

Справиться с этой проблемой ученым помогла придуманная Бак схема, с помощью трех допущений значительно сократившая область поиска. Согласно первому допущению, основанному на имевшихся на тот момент разрозненных научных фактах, искать следовало только гены белков, обладающих определенным сходством с родопсином – рецепторным белком, за счет которого происходит формирование электрического импульса в палочках сетчатки глаза, клетках, не различающих цвета, а реагирующих на изменение освещенности и обеспечивающих сумеречное зрение. Кроме того, искомые белки должны были относиться к одному семейству, а кодирующие их гены – проявлять активность исключительно в клетках обонятельного эпителия.

У крыс генов, отвечающих всем трем критериям, нашлось около тысячи – примерно 1% от всего генома. Каждый сотый крысиный ген задействован в распознавании запахов, что указывает на чрезвычайную важность системы обоняния для грызунов – близких родственников приматов: наши ветви на древе эволюции разошлись около 25 миллионов лет назад. Поиск в ДНК-библиотеках позволил найти в геномах других видов (мыши, саламандры, зубатки, собаки, человека и других животных) гены-аналоги, связанные с первичным восприятием запахов. Правда, в отличие от большинства животных, у которых большая часть этих генов исправно синтезирует соответствующие белки, у разных видов человекообразных обезьян неактивно 28-36% генов белков обонятельных рецепторов, а у человека – почти 60%. Судя по всему, мутации, блокирующие активность генов обонятельных рецепторов, стали накапливаться с того времени, когда острое обоняние утратило свою важность для выживания обезьяноподобных предков человека.

Дальнейшее изучение системы органов обоняния показало, что каждый отдельный рецепторный нейрон может распознавать множество пахучих молекул, каждая из которых активирует различные белковые рецепторы на поверхности его мембраны. Такая комбинаторная система кодирования сигналов позволяет распознавать практически неограниченное количество ароматов.

Даже незначительно отличающиеся по химической структуре молекулы активируют различные комбинации рецепторных белков, находящихся на мембранах разных нейронов, поэтому запах октанового спирта напоминает запах цитрусовых, а отличающейся от него только одним дополнительным атомом кислорода октановой кислоты – запах пота.

К тому же эффекту может привести изменение пространственного строения молекул. Например, запахи тмина и кудрявой мяты (от более известной перечной она отличается отсутствием холодящего ощущения и менее резким запахом) обеспечивают d-карвон и l-карвон – хиральные (от древнегреческого – «рука») изомеры, молекулы с одинаковым химическим составом, отличающиеся друг от друга, как предмет от его зеркального изображения. Кроме того, большее количество молекул активирует более широкий спектр рецепторов, из-за чего одно и то же вещество может пахнуть по-разному в зависимости от концентрации.

Самым удивительным примером является скатол – гетероциклическое соединение, образующееся при разложении белковых соединений и придающее специфический запах испражнениям. В то же время в малых концентрациях скатол обладает приятным запахом и входит в состав парфюмерных продуктов и пищевых эссенций.

Наиболее многогранными в этом отношении являются альдегиды. Так, кокосовый альдегид в небольшой концентрации пахнет не кокосом, а абрикосом или персиком, а запах анисового альдегида при разбавлении ощущается как аромат свежего сена, шиповника и цветов боярышника.

К наиболее неприятно пахнущим соединениям относятся серосодержащие вещества, начиная с самого простого – сероводорода H₂S. «Чемпионами» среди них считаются меркаптаны. Их смесь обеспечивает вонь скунсовой струи, от которой человек может упасть в обморок. Меркаптаны придают неповторимый аромат гнилой капусте и бытовому газу: природный газ ничем не пахнет, и в целях безопасности в него добавляют чуть-чуть изоамилмеркаптана. Серосодержащие соединения диаллилдисульфид (CH₂=CH–CH₂)2S₂ и аллицин CH₂=CH–CH₂–SO–S–CH₂–CH=CH₂ обеспечивают резкий запах чеснока, а основной компонент запаха лука – аллилпропилдисульфид CH₂=CH–CH₂–S–S–CH₂–CH–CH₃. В самих чесноке и луке (относящихся к роду Allium) нет аллилов: в них при разрезании под действием ферментов превращаются многочисленные молекулы аминокислоты цистеина, содержащие сульфгидрильные группы –SH. Особенностью этих дисульфидов является то, что от запаха практически невозможно избавиться ни с помощью чистки зубов, ни полосканием рта. Дело в том, что эти соединения, проникнув через стенки кишечника в кровь, разносятся по организму, в том числе и в легкие, откуда выделяются с выдыхаемым воздухом.