Обоняние

Механотрансдукция в ухе достигает высокой чувствительности благодаря тесной связи энергии стимула и мембранного потенциала волосковой клетки. В противоположность этому, большая чувствительность обоняния, зрения и некоторых форм вкусовых ощущений достигается благодаря химическому усилению - то есть механизму вторичных посредников, в котором ферментативные каскады производят большое количество промежуточных продуктов, тысячекратно увеличивая тем самым эффект единственной активированной рецепторной молекулы.

Обоняние слабо развито у человека по сравнению с собаками, свиньями и бабочками. Но в то же время значительными усилиями (и рекламным временем) создается то, что можно рассматривать как обонятельное поведение человека (если принять во внимание количество сортов мыла, деодорантов, духов, которые призваны обеспечить социально приемлемый личный букет запахов). Обонятельные сигналы существенно важны для человеческого выживания, стимуляции питания, воспроизведения и связи «мать - дитя». Кроме того, обонятельные стимулы имеют сильную способность пробуждать эмоции и извлекать давно хранимые воспоминания (возможно, как наследие эволюции, от использования обонятельных меток для нахождения дома, как у других видов). Навязчивый характер обонятельной памяти был описан Марселем Прустом в «Воспоминании о прошлом»:

Когда от отдаленных воспоминаний ничего не остается;

Когда уже люди мертвы;

Когда вещи разбиты и потеряны;

Все же остаются еще, более хрупкие.

Но гораздо более живые.

Более невещественные.

Но более постоянные, более верные.

Запах и вкус остаются в воздухе навсегда,

Как призраки, готовые напомнить нам .

Выявление и различение уникальной смеси индивидуальных запахов, связанной с этими воспоминаниями, начинается с семейства молекулярных рецепторов в обонятельных рецепторных нейронах.

Обонятельные рецепторы

У позвоночных животных запахи выявляются структурой, содержащей примерно 100000 обонятельных рецепторных нейронов, аксоны которых проецируются через тонкий участок фронтального черепа (ситовидную пластинку) в обонятельную луковицуДлинные реснички обонятельных рецепторов достигают носовой полости, где они лежат в слизистом слое (mucus), толщиной у человека около 50 мкм, который полностью замещается каждые 10 минут. Слизистый слой защищает сенсорный эпителий, вымывая потенциально токсичные летучие соединения, и все одоранты должны просачиваться через него, чтобы достигнуть сенсорных ресничек. Одоранто-связывающий белок помогает концентрировать гидрофобные одоранты в этом насыщенном водой слое. Обонятельные рецепторы необычны тем, что они постоянно сменяются на протяжении жизни животного. Каждый рецептор живет один или два месяца, и новые рецепторы переходят из слоя базальных клеток в обонятельный эпителий.

Обонятельный ответ

Первые отведения обонятельных ответов были сделаны Эдрианом и Оттосоном. Позже были получены доказательства того, что молекулы одоранта взаимодействуют с рецепторами в мембране реснички, вызывая увеличение проводимости, приводящее к деполяризации. Затем потенциалы действия передаются по аксону обонятельной рецепторной клетки в центральную нервную систему. Методом пэтч-клампа были зарегистрированы одорант--индуцированные токи изолированных обонятельных клеток и изучены точный временной ход и место возникновения обонятельного ответа.

Пример такого эксперимента на клетке, изолированной из обонятельной слизистой оболочки саламандры. Потенциал мембраны клетки фиксирован на -65 мВ, и раствор, содержащий смесь молекул одоранта (примерно 0,1 ммоль) в 100 ммоль KCl, подается из второй пипетки короткими (35 мс) импульсами давления - сначала на сому, потом на дистальную часть дендритов и ресничек. Раствор, подаваемый из пипетки на сому, вызывает быстрый входящий ток, благодаря локальному увеличению концентрации калия. Временной ход калиевого ответа обусловлен соотношением скоростей аппликации и последующего разведения раствора за счет диффузии внутри ванночки. Второй, меньший и более медленный входящий ток появляется, когда одорант достигает апикального дендрита.

Раствор, подаваемый на апикальный дендрит и реснички, производит лишь незначительный калиевый ответ, поскольку, предположительно, в этой части клетки меньше калиевых каналов. Однако сам одорант вызывает большой входящий ток, который превышает время аппликации на несколько секунд. Эксперимент ясно показывает, что область чувствительности к одоранту - это дистальный дендрит и реснички, и пролонгированный временной ход дендритного ответа согласуется с идеей, что изменение проводимости обусловлено системой вторичных посредников.

Каналы обонятельных рецепторов, управляемые циклическими нуклеотидами

Деполяризация, вызываемая молекулами пахучих веществ, обусловлена открыванием неселективных катионных каналов и дополнительным протеканием тока через кальций-активируемые хлорные каналы. Неселективные катионные каналы в обонятельных рецепторах открываются внутриклеточным цАМФ, и эти каналы тесно связаны с катионными каналами, открываемыми цГМФ (циклическим гуанозин-монофосфатом) в палочковых фоторецепторах. Как и фоторецепторный канал папочек обонятельный рецепторный канал не способен ни активироваться, ни инактивироваться изменениями потенциала мембраны. Эти каналы проницаемы для ионов Na+, K+ и Ca2+. Вход кальция может способствовать процессам адаптации. Благодаря очень высокому входному сопротивлению обонятельных рецепторов, для возникновения потенциала действия в них достаточно всего нескольких открытых катионных каналов. Это позволяет предположить, что даже одна молекула одоранта может быть распознана рецептором.

Сопряжение рецептора с ионными каналами

Как связывание одоранта с рецептором сопрягается с открыванием цАМФ-зависимых катионных каналов? Существует предположение, что одорант предпочтительно связывается с теми молекулярными рецепторами, которые сопряжены с G-протеином. Активированный G-протеин высвобождает субъединицу, которая стимулирует аденилил-циклазу, синтезирующую цАМФ. Идентифицировано обширное семейство претендентов на роль генов обонятельного рецепторакоторые кодируют трансмембранные белки, сопряженные с G-протеином, сходные по структуре с метаботропными нейрональными рецепторами. Величайшее разнообразие кодируемых белков возникает за счет последовательности трех трансмембранных доменов, которые формируют лиганд-связующий карман. Был идентифицирован G-протеин, специфично экспрессируемый в обонятельном эпителии (Golf). Высвобождение Golf при связывании одорантов вызывает повышение активности обонятельной аденилил-циклазы, которая содержится в большом количестве в обонятельных ресничках.

Об эффективности этих путей трансдукции свидетельствует быстрое появление цАМФ. Брир и его коллеги, используя метод stop-flow, показали, что за 50 мс аппликации одоранта в препарате изолированной обонятельной реснички происходит 10-кратное увеличение концентрации цАМФ. Существуют также подтверждения того, что обонятельные нейроны используют в процессе трансдукции G-протеиновую активацию фосфолипазы С и продуцируют IР3 (инозитол трифосфат). В этом случае IР3 может напрямую открывать кальциевые каналы в плазматической мембране. IР3 особенно важен для обоняния у беспозвоночных. Роль 1Р3 в обонянии млекопитающих менее ясна, о чем можно судить на том основании, что у трансгенных мышей, лишенных цАМФ-регулируемых каналов, полностью отсутствует способность различать запахи.