Receptory węchu działają nieco inaczej, niż inne receptory układu nerwowego. Wiążą się z dużą liczbą cząsteczek odorantów. To w połączeniu z różnorodnymi zapachami pozwala każdemu receptorowi reagować na wiele składników chemicznych. Mózg może rozpoznać dany zapach, biorąc pod uwagę wzór aktywacji receptorów.

Opuszka węchowa.

Wszystkie nasze zmysły są konfrontowane z bogactwem otaczającego świata. Jednak nic nie dorównuje wyzwaniu, przed jakim staje zmysł powonienia. Oko potrzebuje jedynie trzech receptorów, by pozwolić nam dostrzec wszystkie kolory tęczy. To dlatego, że różne odcienie pojawiają się jako fale świetlne, które różnią się tylko w jednym wymiarze, ich częstotliwości. Jednak tętniący życiem kolorowy świat blednie w porównaniu ze złożonością świata chemicznego, z wieloma milionami zapachów, z których każdy składa się z setek cząsteczek, różniących się znacznie kształtem, rozmiarem i właściwościami. Na przykład zapach kawy powstaje z połączenia ponad 200 składników chemicznych, z których każdy jest zróżnicowany strukturalnie i żaden z nich nie pachnie jak kawa.

Obszar mózgu – żółty jest hipokamp, zakręt zębaty jest pokazany w kolorze zielonym, a kora śródwęchowa na fioletowo

Rozpoznawanie zapachów

– Zmysł węchu musi rozpoznać ogromną liczbę cząsteczek z zaledwie kilkuset receptorami zapachu lub nawet mniej – mówi neurolog Vanessa Ruta z Rockefeller University. – Oczywiste jest, że musiał wyewoluować tu odmienny rodzaj logiki, niż w przypadku innych systemów sensorycznych – dodaje.

W nowym badaniu, które ukazało się na łamach pisma „Nature” (DOI: 10.1038/s41586-021-03794-8), Ruta i jej współpracownicy zaoferowali odpowiedzi na zadawane od dziesięcioleci pytania, dotyczące rozpoznawania zapachów, dostarczając pierwszych w historii molekularnych obrazów działającego receptora węchowego.

Odkrycia sugerują, że receptory węchowe działają zgodnie z logiką rzadko spotykaną w innych receptorach układu nerwowego. Podczas gdy większość z nich jest precyzyjnie ukształtowana tak, aby łączyć się tylko z kilkoma wybranymi cząsteczkami, receptory węchowe wiążą się z dużą liczbą różnych cząsteczek odorantów. To pozwala każdemu receptorowi reagować na wiele składników chemicznych, dzięki czemu nasze mózgi potrafią rozpoznać konkretny zapach poprzez wzór aktywacji receptorów.

Receptory węchowe odkryto kilka dekad temu, ale wówczas naukowcy nie byli w stanie przyjrzeć się im z bliska i rozszyfrować ich działania. Po części dlatego, że receptory te nie nadają się do obrazowania za pomocą powszechnie dostępnych metod. Do tego receptory powonienia wydają się nie mieć preferencji i mogą reagować na związki, które są zarówno strukturalnie, jak i chemicznie różne.

Wskazówki dostarczone przez owady

– Aby uzyskać podstawową wiedzę na temat rozpoznawania zapachów, musimy wiedzieć, w jaki sposób pojedynczy receptor może rozpoznawać wiele różnych substancji chemicznych, co jest kluczową cechą działania układu węchowego. Do tej pory ten mechanizm pozostawał tajemnicą – mówi współpracująca z Rutą Josefina del Mármol.

Aby rozwiązać zagadkę badaczki skorzystały z najnowszych osiągnięć w mikroskopii krioelektronowej. Ta technika pozwala na trójwymiarowe obrazowanie molekuł niemal z atomową dokładnością. Jako pierwszy cel w swoich badaniach uczone obrały przerzutki – bezskrzydłe owady, których niedawno zsekwencjonowany genom ujawnił, że mają tylko pięć rodzajów receptorów węchowych.

Chociaż układ węchowy tych owadów jest stosunkowo prosty, jego receptory należą do dużej rodziny, obejmującej dziesiątki milionów wariantów, które, jak się uważa, istnieją u setek tysięcy różnych gatunków owadów. Pomimo swojej różnorodności receptory te działają w ten sam sposób. Tworzą kanał jonowy, przez który przepływają naładowane cząstki. Otwiera się on tylko wtedy, gdy receptor napotka swój docelowy zapach, ostatecznie aktywując komórki czuciowe, które inicjują zmysł węchu.

 

Receptory węchowe

Uczone wzięły pod lupę OR5, receptor analizowanych owadów o szerokiej zdolności rozpoznawania, reagujący na 60 procent małych molekuł, które był testowane w badaniach. Następnie przebadały samą strukturę OR5. Przeanalizowały też OR5 związany z eugenolem, związkiem zapachowym, który znajduje się w goździkach czy cynamonie oraz z DEET, środkiem odstraszającym owady.

– Dużo się nauczyliśmy, porównując te trzy struktury. Jedną z fascynujących rzeczy, które można zobaczyć, jest to, że w niezwiązanej strukturze kanały odpowiedzialne za zapach są zamknięte, ale kiedy są one związane z eugenolem lub DEET, rozszerzają się, zapewniając ścieżkę przepływu jonów – wyjaśnia Ruta.

Badaczki przyjrzały się następnie bliżej analizowanym strukturom, by ustalić, gdzie i jak te dwie chemicznie różne molekuły wiążą się z receptorem. Uczone uznały, że receptory ewoluowały, aby rozpoznawać dużą różnorodność zapachów, reagując na częściową, ale definiującą cechę cząsteczki, jej kształt.

 

Kluczowe zasady rozpoznawania zapachów

Inni badacze sugerowali, że każdy receptor zawiera jednocześnie wiele kieszeni na swojej powierzchni, dzięki czemu może rozpoznawać wiele różnych cząsteczek odorantów. Ale to nie pasowało do żadnego z analizowanych scenariuszy. Okazało się, że zarówno DEET, jak i eugenol wiążą się w tym samym miejscu w obrębie receptora. I co zaskakujące, aminokwasy wyściełające kieszeń nie tworzyły silnych, selektywnych wiązań chemicznych z odorantami, a jedynie słabe wiązania.

– Tego rodzaju niespecyficzne interakcje chemiczne pozwalają na rozpoznanie różnych substancji zapachowych. W ten sposób receptor nie jest selektywny w stosunku do określonej cechy chemicznej. Raczej rozpoznaje ogólną chemiczną naturę odorantu – mówi Ruta.

Jak wykazało modelowanie, ta sama kieszeń na powierzchni receptora może pomieścić wiele różnych cząsteczek zapachowych w ten sam sposób. Ale, jak zaznacza Ruta, ta cecha receptora nie oznacza, że ​​nie ma on swoistości. Chociaż każdy receptor reaguje na dużą liczbę cząsteczek, na część z nich jest niewrażliwy. Co więcej, prosta mutacja w aminokwasach w miejscu wiązania doprowadziłaby do szerokiej rekonfiguracji receptora, zmieniając cząsteczki, z którymi woli się wiązać. To ostatnie odkrycie wyjaśnia również, w jaki sposób owady wyewoluował wiele milionów odmian receptorów zapachu, odpowiednich dla szerokiego zakresu stylów życia i siedlisk, jakie napotykają.

– Odkrycia są prawdopodobnie reprezentatywne dla wielu receptorów węchowych. Wskazują na kluczowe zasady rozpoznawania zapachów, nie tylko w receptorach owadów, ale także w receptorach w naszych własnych nosach, które muszą również wykrywać i rozróżniać bogaty świat chemiczny – podkreśla Ruta.

Zmysł węchu może wiele nam powiedzieć o naszym zdrowiu

Bociany kierują się węchem szukając pożywienia, a przyciąga je zapach skoszonej trawy

Brak opuszki węchowej w mózgu nie uniemożliwia odczuwanie zapachów, naukowcy nie potrafią tego wyjaśnić

Receptory węchowe znajdują się również w komórkach smakowych na języku

 

Źródło: Rockefeller University

 

0 0 votes
Article Rating