Обонятельная рецепция

Назальный эпителий.Область носа, которая лежит выше
назальной полости, содержит около миллиона сенсорных
нейронов. Нервные импульсы, возникающие при связывании
молекул одоранта рецепторами в ресничках, передаются по
сенсорным нейронам в обонятельную луковицу
Обонятельная рецепция

Odorant binding proteins (OBP)
В мукусной жидкости, окружающей сенсорные дендриты и реснички обнаружены небольшие водорастворимые белки. Они продуцируются гландами назальной полости. Эти белки по-видимому связывают гидрофобные одоранты и увеличивают их доступ к рецепторам. Они представляют собой полипептидные цепи, свернутые в 8 β-листов с α- спиральным доменом вблизи С- конца цепи. β-листы образуют связанную Н-связями бочкообразную β-структуру, во внутреннюю полость которой включаются гидрофобные лиганды.

OBP обеспечивают вход, выход и время пребывания одорантов вблизи рецепторов и действуют как переносчики одорантов через муксусный слой.
Функция обоняния в основном состоит в
мониторинге химического окружения путем
вдыхания и выдыхания через нос. Поэтому
важно, чтобы одоранты, полученные при
вдыхании, быстро исчезали, чтобы дать место
следующей волне одорантов. Т.о. необходимы
быстрая инактивация или удаление одорантов
для непрерывного приема новых сигналов.
Одоранты, по-видимому, инактивируются
с помощью ферментов биотрансформации
или интоксикации

Обоняние обеспечивается за счет громадного семейства рецепторов, которые
представляют собой трансмембранные белки, состоящие из семи α-спиралей,
пронизывающих плазматическую липидную мембрану
Одоранты детектируются в специфической области носа –обонятельном эпителии
который находится в верхней части назальной полости (см. рис.)
Примерно 1 миллион сенсорных нейронов подходят к границе этой области.
Волоски (cilia), содержащие белковые рецепторы одорантов, отходят от этих
нейронов в мукусное пространство назальной полости.
В биохимических исследованиях, проведенных в 80х годах 20 в, исследовали
изолированные cilia из эпителия крысы. Под дейстием одорантов было обнаружено
увеличение внутриклеточного медиатора ц-АМФ в клетках, которое наблюдалось
только в присутствии ГТФ. На основании того, что было уже известно о системах
передачи (трансдукции) внешних сигналов в клетки, участие ц-АМФ и ГТФ
свидетельствовало об участии G-белков и следовательно 7-TM рецепторов.
Участие этих рецепторов определило стратегию идентификации самих рецепторов.
Были проведены поиски дополнительных ДНК, которые (1) экспрессировались в
сенсорных нейронах , подходящих к назальному эпителию (2) кодировали,
7ТМ белки и (3) присутствовали в виде большого и разноообразного семейства,
соответствующего широкому набору одорантов. По этим критериям ДНК,
ответственные за рецепторы одорантов, были в 1991 году идентифицированы
Рихардом Акселем и Линдой Бак (нобелевская премия 2003 г.)

Связывание одоранта с ОР на нейрональной поверхности инициирует каскад трансдукции
сигнала, который приводит к созданию потенциала действия.Связанный с лигандом ОР
активирует белок Golf,, который исходно связан с GDP.При активации освобождается GDP,
связывается GТP и освобождаются субъединицы βγ . Субъединица α активирует фермент
аденилатциклазу, которая увеличивает концентрацию сАМР. Рост сАМР активирует
катионные каналы, через которые Са и другие катионы входят в клетку, деполяризуя
нейрональную мембрану и инициируя потенциал действия. Этот потенциал вместе с
потенциалами действия от других обонятельных нейронов приводит к восприятию запаха.

Ощущение запаха: молекулярные основы узнавания одоранта
Действие химических
функциональных групп
Давно замечено, что присутствие
определенных химических групп часто
Коррелирует с определенным запахом.
Известный пример - группа SH,которая придает любой молекуле,
независимо от ее формы специфический запах гнилых яиц или чеснока. Другие
Химические группы также придают
специфические запахи,
которые может обнаружить опытный
наблюдатель. Так, нитрилы (CN) придают «масло- металлический» оттенок запаха любому одоранту.
Обонятельная рецепция основана на активации
молекулами одоранта обонятельных рецепторов
(ОР), расположенных на ресничках обонятельных
нейронных окончаний. Со времени открытия
генов ОР (Бак и Аксель, 1991) был достигнут
большой прогресс в понимании физиологических
и биохимических основ обоняния, но механизмы
рецепции на молекулярном уровне мало понятны.
Колебательная теория обоняния
Спектральные исследования Дайсона в 1930г.
обнаружили корреляцию между запахом и
колебательными частотами молекул. На основании
Этих результатов было предположено, что органы
Обоняния могут каким-то образом детектировать
Молекулярные колебания и определенные запахи были
Отнесены к рамановским частотами в интервале 1500-
300 см(-1). Эта теория была подвергнута ревизии Райтом
(1954 г.), который отметил, что рамановские линии в этом
интервале хорошо коррелируют с конкретными
Функциональными группами (ОН, SH, CO etc.)одоранта.
Если запах может коррелировать с этими частотами,
он может также коррелировать с соответствующими
Функциональными группами и ,следовательно,
нет нужды в колебательной теории запаха.

2.1. Теория обоняния за счет profile-functional groups.
Химики давно заметили, что присутствие в молекуле определенных химических групп часто
коррелирует с определенным запахом. Наиболее известный пример - группа SH, которая
придает любой молекуле независимо от ее формы уникальный «серный» запах , похожий
на запах тухлых яиц или чеснока. Исследования корреляции между структурой и запахом
дали лучшее понимание запаха S- соединений. Другие химические группы также придают
определенный запах, который может быть обнаружен тренированными наблюдателями.
Так, нитрилы придают «масляно-металлический» запах любому одоранту; изонитрилы
( ) - плоский металлический характер большой мощности неприятного ощущения;
оксимы - зеленовато-камфорный характер, нитрогруппы ( ) приятно эфирный запах,
изотиоцианатные группы дают mustardy запах,аминогруппы - запах рыбы и мочи,
арсиновая группа -запах капусты, а сложно-эфирная группа – обычно пахнет фруктами.
Наличие «собственного запаха» функциональной группы особенно очевидно в небольших
молекулах, поскольку присутствие больших алкильных и фенильных групп может мешать
взаимодействию функциональных групп и приводить к другому запаху ( ).
Корреляция между функциональной группой и характером запаха привела еще в 1920
г. к идее, что именно функциональная группа определяет качество запаха, в то время как
общая структура молекулы оказывает лишь вторичное влияние. Битс предложил в 1957 г.
т.н. теорию обоняния за счет profile-functional groups : запах определяется двумя
вкладами : (1) от формы, размера и объемных очертаний молекулы и (2) функциональной
группой (группами),которые определяют ориентацию молекулы в рецепторном центре.
Эффективность функциональной группы, т.е. ее способность эффективно ориентировать
одорант в рецепторном сайте, по крайней мере, частично определяется ее тенденцией к
образованию водородных связей.

2.2. Вибрационная теория обоняния.
Спектроскопические исследования Дайсона в 1930 г. обнаружили корреляцию
между определенными запахами и колебательными частотами молекул (1938).
Согласно этим результатам обонятельные органы могут каким-то образом
обнаруживать молекулярные колебания и определенные запахи были приписаны
определенным рамановским частотам в диапазоне 1500-3000 см-1. Эта теория
была вновь рассмотрена Райтом (1954), который указал, что в этой области
рамановские линии сильно коррелируют с определенными функциональными
группами ( OH, SH, CO etc.). Если запахи коррелируют с этими частотами, они также
могут коррелировать с соответствующими функциональными группами и
следовательно, нет нужды в колебательной теории запаха. Таким образом, для
того, чтобы подкрепить эту теорию, нужно искать корреляцию между запахом,
спектром молекулярных колебаний на частотах ниже примерно 700 см-1.
Несмотря на значительные усилия подтвердить колебательную теорию запаха,
лишь ограниченный успех был достигнут в поисках корреляции между характером
запаха и низкочастотными молекулярными колебаниями. Эта теория совершенно
не может объяснить, почему различные энантиомеры, имеющие идентичный
колебательный спектр, производят различные запахи . Более того, не был найден
биологический механизм, который молекулярные колебания переводит в
активацию нейронов.

2.3. Стерическая теория обоняния.
После открытия фермент-субстратных взаимодействий, основанных на молекулярном
узнавании между белковым рецептором и лигандом, было предположено, что аналогичный
механизм действует при обонятельной рецепции. Так, молекулы определенной формы
включаются в определенные комплиментарные сайты носовых рецепторов, как ключ в замок,
приводя к возникновению сигнала, который анализируется мозгом. Эта стерическая теория,
предложенная Монкрифом (1949), стала позже называться стереохимической теорией после
работ Амора (1963), который популяризировал идею, что форма молекулы связана с
характером запаха- концепция, которая в настоящее время широко распространена.
В 1991 Бак и Аксель обнаружили исключительно большое мультигенное семейство
трансмембранных белков, которых отнесли к обонятельным рецепторам, поскольку их
экспрессия была ограничена обонятельным эпителием крыс. Большое число этих рецепторов
позволяло понять, как можно было различать большое число одорантов. Эти белки
относятся к типу связанных с G-белками рецепторов, которые охватывают большое число
рецепторов, реагирующих на самые различные стимулы. АК последовательность этих белков
содержит 7 сегментов с гидрофобными АК, которые как предсказывается, способны
образовывать альфа –спиральные структуры, погруженные внутрь мембраны.Эти альфа-
спиральные участки чередуются с сегментами гидрофильных АК, которые образуют петли,
которые устойчивы в водной среде и связывают между собой альфа-спирали.(Рис. 1.)
Последовательности в 3,4 и 5 α-спиралях сильно изменчивы для различных изоформ;
Поэтому было предположено, что эти области участвуют в образовании центров связывания
различных одорантов.Семь α-спиралей образуют связку, которая содержит место связывания
на внешней стороне мембраны и место связывания на ее цитоплазматической стороне, которая
связывает гетеро-тримерный G-белок

Isotope effects

Резкая граница по размерам молекул при их детектировании
Не все молекулы пахнут. Во первых, требуется определенная летучесть чтобы достичь обонятельного эпителия в носу и молекулы с МВ>300Да не пахнут.
Давление пара быстро уменьшается с увеличением размера молекулы, но молекулы с МВ >300Да могут иметь значительные давления пара.Это означает, что они слишком велики, чтобы подходить рецепторному участку.
Этот эффект обрезания особенно виден для муксусных одорантов. Наиболее поразительный пример такого резкого обрезания – замена атома углерода в бензеноидном муксусе на атом кремния приводит к исчезновению запаха. Большинство молекул с запахом муксуса имеют пониженную
гибкость, которая может быть связана с резким обрезанием. Монкриф (1967) предположил, что гибкая молекула имеет больше возможностей приспособиться к рецепторному участку, тогда как жесткая молекула связывается только с одним типом сайта. Это означает, что гибкие молекулы такие как углеводороды не должны иметь резкое обрезание как муксусы, однако для подтверждения этой гипотезы нужны экспериментальные данные. Другая гипотеза – влияние размера на связывание с транспортным белком. Это ограничение может определять проявление запаха.

Одоранты декодируются по комбинаторному механизму
Проблема обонятельной рецепции - как сопоставить каждый обонятельный рецептор (ОР) из большого семейства ОР одному или нескольким одорантам. В этом направлении был достигнут большой прогресс. Первоначально ОР сопоставляли с одорантами путем экспрессии единственного специфического гена у крыс. Этот ОР реагировал на линейные альдегиды, более сильно на н-октаналь, менее сильно на н-гептаналь и н-гексаналь.
Больший прогресс был достигнут при использовании каскада трансформации сигнала от ОР. Одна из секций назального эпителия была нагружена чувствительным к Са красителем Fura-2. Затем ткань обрабатывали различными одорантами по очереди и определенной концентрации. Если одорант связывался с ОР и активировал его, его нейрон можно было обнаружить под микроскопом по изменению флуоресценции, обусловленному входом Са, что проиходит в ходе процесса трансдукции сигнала. Чтобы определить, какой ОР ответственен за сигнал, с-ДНК генерировалась из м-РНК, которую изолировали из единичных идентифицированных нейронов. С-ДНК затем подвергали ПСР с использованием праймеров, которые эффективны в усилении
большинства или всех генов. Затем последовательность ПСР продуктов от каждого нейрона определяли и анализировали.

Четыре серии одорантов были протестированы
на взаимодействие с ОР
Используя этот подход, были проанализированы отклики нейронов на серию соединений
с различной длиной цепи и конечными
функциональными группами.Результаты этих
экспериментов на первый взгляд удивительны
Оказалось, что нет простого 1:1 соответствия
между одорантами и рецепторами
Почти каждый одорант активирует целый ряд
рецепторов (обычно в разной степени)
Почти каждый рецептор активируется более,
чем одним одорантом.
Однако, важно, что каждый одорант активирует
уникальную комбинацию ОР. В принципе, этот
комбинаторный механизм позволяет даже
небольшому числу ОР различать громадное
число одорантов

Как информация о том, какой ОР активировался данным одорантом, передается
в мозг? Нужно вспомнить, что каждый нейрон экспрессирует только один ОР и
что картина экспрессий повидимому является случайной. Существенный ключ к
связи между ОР и мозгом был обнаружен при использовании мыши, которая
экспрессирует ген для легко детектируемого окрашенного маркера в сочетании со
специфическим ОР геном. Обонятельные нейроны, которые экспрессируют
комбинацию ОР- маркер-белок,были прослежены до их конечного места назначения
в мозгу до структуры, « обонятельная луковица» (см. рис. ) Было обнаружено,что
процессы от нейронов, которые экспрессируют один и тот же ОР ген, связаны с одним
и тем же местом в обонятельной луковице. Более того, эта картина связывания
нейронов оказалась идентичной во всех обследованных мышах. Таким образом, нейроны,
которые экспрессируют специфические ОР, связаны со специфическими сайтами в мозгу.
Это свойство позволяет создать пространственную карту нейрональной активности
зависящих от одоранта откликов на одоранты внутри обонятельной луковицы.

Может ли такой комбинаторный механизм реально различать много различных
одорантов? Электронный нос, который функционирует по тому же принципу,
дает убедительное док-во, что может. (см. рис 32.9.) В случае электронного носа
рецепторами являются полимеры, которые способны связывать ряд небольших
молекул. Каждый полимер связывает каждый одорант, но в различной области. Важно, что
электрические свойства этих полимеров изменяются при связывании одоранта. Совокупность
из 32 полимерных сенсоров, соединенных вместе, так что картина откликов может быть
оценена, способна различить такие индивидуальные соединения, как н-пентан и н-гексан , а
также сложные смеси, такие как запахи свежих и испорченных фруктов.

CONCLUSIONS
Обоняние – это химическое восприятие, которое производит ощущение и
дискриминацию летучих химических веществ. Оно играет ключевую роль в
выживании, идентификации хищников или ядов.Оно участвует в коммуникации
между животными. Поэтому выяснение механизмов обоняния даст, в частности,
лучшее понимание поведения животных.
Запахи детектируются большим числом рецепторов, синтезируемых в обонятельном
эпителии носа животного. Со времени открытия ОР большой прогресс был достигнут
в понимании физиологических основ обоняния. Одоранты узнаются посредством
комбинаторной кодирующей схемы, которая объясняет, как несколько сотен различных
рецепторов могут различать тысячи различных молекул. Комбинаторная теория
кодирования запаха должна включать перирецепторные события, состояще в
транспорте и биотрансформации одоранта: данный одорант может активировать
или ингибировать различные комбинации рецепторов, ОСБ, или ферментов
биотрансформации, в то время как каждый из белков, участвующих в транспорте
одоранта, узнавании и трансформации может быть активирован
или ингибирован различными молекулами. Этот сложный сценарий демонстрирует
большую трудность в моделировании характера запаха и его интенсивности,
но дает научную основу для рационального дизайна одорантов.

ОР принадлежат к семейству рецепторов, действующих через G-белки, которое
охватывает большое число рецепторов, реагирующих на разнообразные стимулы.
Последовательности всех интактных генов в настоящее время известны лишь для
некоторых животных. В различных исследованиях анализировались и сравнивались
различные ОР геномы, что привело к возникновению ряда интересных гипотез о
об эволюционных аспектах обонятельной рецепции. Так, недавно было предположено,
что человеческий ОР геном изменяется с довольно большой скоростью, чтобы
сохранить возможности обонятельной рецепции,которые подвергаются давлению
(вытеснению) со стороны геномов зрения и слуха. С этой гипотезой согласуются недавние
исследования, в которых обнаружено разнообразие в человеческих ОР геномах,
которое может объяснить разнообразие в восприятии запахов у отдельных
индивидуумов.
Большой набор ОР в обонятельном эпителии обычно рассматривают как
неспецифическое химическое восприятие, который возникал по мере необходимости
узнавать летучие химические соединения. Другая важная функция - это использование
обонятельной рецепции для коммуникации среди животных путем узнавания
специфических молекул, которые действуют как социальные химические сигналы.
Такие соединения как амины или пептиды участвуют в индивидуальном узнавании,
выборе партнера или взаимодействии между родителями и детьми.
Механизм, посредством которого животные могут узнавать друг друга по запаху, довольно
сложен и включает гены иммунной системы. Полученные к настоящему времени данные
обнаруживают молекулярный механизм, посредством которого индивидуум может
чувствовать совместимость молекул иммунной системы партнера и соответственно
Обеспечивать нужное социальное поведение. Функциональный анализ генома носа
животных показывает, что использование обоняния позволяет избежать инбридинг,
увеличить иммунокомпетенцию и большую устойчивость к патогенам.