| Нобелевская премия в области медицины за секреты обоняния
Нобелевская премия в области медицины за секреты обоняния
Нобелевская премия в области медицины за секреты обоняния
Тонкие механизмы распознавания и запоминания запахов долгое время оставались научной загадкой. Лауреаты Нобелевской премии в области медицины и физиологии 2004 года, американские ученые Ричард Аксель (Richard Axel) и Линда Бак (Linda Buck) смогли приоткрыть таинственный занавес и в результате серии проведенных
исследований объяснить, каким образом функционирует наша обонятельная система. Ученые обнаружили набор генов, которые обеспечивают развитие эквивалентного числа обонятельных (одорантных) рецепторов строго определенных типов.
Эти рецепторы локализуются на рецепторных клетках, которые занимают небольшую зону
в верхней части назального эпителия и являются первым звеном системы распознавания ароматных молекул. Каждая обонятельная рецепторная клетка обладает только одним типом одорантного рецептора, и каждый рецептор может идентифицировать ограниченное число пахучих субстанций.
Активированные клетки посылают сигналы в специфические образования обонятельной луковицы (в гломерулы, а затем в митральные клетки), далее импульсы поступают в кору головного мозга, где информация, полученная от различных рецепторов, комбинируется в некий узор, соответствующий определенному запаху.
Ричард Аксель и Линда Бак опубликовали результаты своих фундаментальных исследований в 1991 году. Ученые работали независимо друг от друга, причем каждый из них сделал действительно поразительные открытия в области изучения обонятельной системы.
Организация обонятельной системы
Обонятельная система как химический анализатор не имеет себе равных по чувствительности и селективности. Однако разные живые организмы способны идентифицировать различное количество химических субстанций.
Так, рыбы имеют относительно малое количество разновидностей одорантных рецепторов - около сотни, а мыши, согласно данным Акселя и Бак, примерно тысячу различных типов. Человек наделен гораздо меньшим количеством разновидностей
обонятельных рецепторов (около 350). Часть генов, отвечающих за их развитие, он "потерял" в процессе эволюции. Способность различать запахи играет огромную роль в жизни млекопитающих и присуща им с раннего возраста: новорожденным знаком запах
матери, с помощью обоняния они находят источник необходимого им грудного молока. Многим животным обоняние позволяет ориентироваться и выживать в окружающем мире, поэтому, например, у собаки зона обонятельного эпителия в 40 раз больше, чем у человека.
Каким же образом мы ощущаем, распознаем и запоминаем различные запахи?
Аксель и Бак обнаружили, что три процента наших генов отвечают за генетический код различных одорантных рецепторов на мембране обонятельных рецепторных клеток. Независимо друг от друга ученые показали, что
определенный тип обонятельных рецепторных клеток экспрессирует соответствующий тип генов. Таким образом, существует некоторое количество типов обонятельных рецепторных клеток и соответствующее количество разновидностей рецепторов,
которые реагируют только на специфические для них ароматные субстанции (на схематическом рис.1 эта закономерность отражена с помощью условных цветов).
Количества биологически значимых молекул, вызывающих хеморецепторный
сигнал, поразительно малы. У млекопитающих рецепторы погружены в водный раствор - слизь. Одорант должен сконцентрироваться в слизи, прореагировать со специфическим белком рецептора и вызвать соответствующий ответ. Первичные рецепторные белки - это сложные биологические макромолекулы, взаимодействие которых со специфическими для них
субстратами вызывает структурные изменения, вслед за которыми начинается каскад каталитических (ферментативных) реакций. Химические процессы ответа на внешний физический акт адсорбции молекулы-стимула осуществляются с помощью так называемого
G-протеина. Поэтому обонятельные рецепторы относятся к группе рецепторов, чье действие опосредовано G-белками (G protein-coupled receptors - GPCR). G -протеин активирует фермент аденилатциклазу, в результате чего в ответ на адсорбцию одной молекулы на белке-рецепторе внутри клетки начинает протекать каталитическая реакция и образуется множество
молекул циклического 3',5'-аденозинмонофосфата (с-АМР). Молекулы с-АМР в свою очередь активируют другой фермент - протеинкиназу. Последняя, фосфорилируя определенные клеточные белки, вызывает открытие канальцев проводимости для ионов. Как результат, возникает электрический импульс, передаваемый аксоном обонятельной рецепторной клетки.
Описанный выше сложный процесс удивителен и уникален тем, что взаимодействие происходит только между определенными молекулами раздражителя и соответствующими им рецепторами, что условно проиллюстрировано на схеме №1: зеленые молекулы взаимодействуют с зелеными одорантными рецепторами, а красные, соответственно, с красными.
Подобную корреляцию между ответом на специфический запах и индивидуальным особым типом рецептора обнаружила исследовательская группа, которой руководила Линда Бак.
Лауреаты Нобелевской премии также подробно описали устройство и организацию дополнительных структур, находящихся в обонятельной луковице и участвующих в сортировке, группировке
и передаче информации в головной мозг.
В результате сложного переплетения аксонов обонятельных рецепторных клеток (рис.2) сигналы от определенных рецепторов группируются в особых клубочках, или гломерулах. Аксель и Бак
независимо друг от друга показали, что рецепторные клетки, несущие определенные типы рецепторов, конвергируют свои сигналы в соответствующих гломерулах. Исследовательская группа Акселя, используя тонкие генетические технологии, продемонстрировала
эту закономерность в экспериментальных исследованиях, доказав высокую специфичность гломерул (на рис. 1 все структуры обозначены соответствующими цветами). В гломерулах происходит взаимодействие между аксонами рецепторных и
дендритами митральных клеток, которые образуют следующий уровень передачи сигналов. Каждая митральная клетка активируется только одним гломерулом и посылает специфическую информацию далее в головной мозг.
Аксель и Бак установили, что сигналы от митральных клеток направляются в специфические регионы в коре головного мозга. Здесь информация, полученная от различных типов обонятельных рецепторов, комбинируется в определенный набор, характерный для каждого запаха. Комбинация полученных кодов
формирует некий узор, напоминающий лоскутное одеяло или мозаику. Такие карты запахов (Odorant maps) лежат в основе нашей способности распознавать, анализировать и хранить в памяти примерно 10 000 различных запахов.
Общие принципы, которые Аксель и Бак описали
для системы обоняния, легли в основу изучения других сенсорных систем. Так, например, феромоны - молекулы, оказывающие влияние на социальное поведение, преимущественно животных, обнаруживаются другими семействами G-протеинопосредованных
рецепторов, локализующихся в различных частях назального эпителия, а строение и организация так называемой дополнительной обонятельной системы подобны вышерассмотренной основной. Еще одной разновидностью хеморецепции у животных
является способность распознавать и запоминать различные вкусы. Сосочки языка также снабжены особыми рецепторами, чья функция связана с G - протеинами, а система распознавания и запоминания вкусов не менее сложна и интересна.
По материалам:
Press Release: The 2004 Nobel Prize in Physiology or Medicine, The Nobel Assembly at Karolinska Institutet// http://nobelprize.org
Representations of Olfactory Information in the Brain. Mechanisms Underlying Perception and Aging //Howard Hughes Medical Institute//www.hhmi.org
Mechanisms Underlying Perception and Aging// Howard Hughes Medical Institute//www.hhmi.org
Gottingen University, Departments of Neuro and Sensory Physiology and Molecular Neurophysiology//http://www.ukps.gwdg.de
Полторак О.М. Химические и биохимические механизмы обоняния и усиления первичных запаховых сигналов // www.pereplet.ru
Medicus Amicus #6, 2004
|
|
Новости 
