научная статья по теме ВЕРОЯТНАЯ РОЛЬ КОНКУРЕНТНЫХ ОТНОШЕНИЙ В МОДЕЛИ ОБОНЯТЕЛЬНОГО РЕЦЕПТОРА Биология

Текст научной статьи на тему «ВЕРОЯТНАЯ РОЛЬ КОНКУРЕНТНЫХ ОТНОШЕНИЙ В МОДЕЛИ ОБОНЯТЕЛЬНОГО РЕЦЕПТОРА»

СЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ, 2012, том 26, № 4, с. 331-341

ОБОНЯТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

УДК 612.86

ВЕРОЯТНАЯ РОЛЬ КОНКУРЕНТНЫХ ОТНОШЕНИЙ В МОДЕЛИ ОБОНЯТЕЛЬНОГО РЕЦЕПТОРА

© 2012 г. В. М. Ганшин, Э. П. Зинкевич

ФГБУНИнститут проблем экологии и эволюции им. А.Н.Северцова РАН 119071 Москва, Ленинский пр., 33 E-mail: ezink@yandex.ru

Поступила в редакцию 21.02. 2012 г.

Предложена модель молекулярного механизма обонятельной рецепции, основанная на представлении о конкурентных отношениях пахучих веществ с липидными компонентами сенсорных мембран. В совокупности с биохимическими, биофизическими системными блоками (сенсорная мембрана, G-белок-связанные обонятельные рецепторы, вторичные мессенджеры, ионные насосы) и алгоритмами статистической обработки слабых энергетических сигналов, модель позволяет объяснить, как в едином надмолекулярном комплексе обеспечиваются высокие характеристики чувствительности, быстродействия и избирательности обонятельного восприятия.

Ключевые слова: обонятельный рецепторный белок, G-белок, липидный матрикс, обонятельная чувствительность, избирательность, быстродействие.

ВВЕДЕНИЕ

Млекопитающие обладают уникальной обонятельной (хемоаналитической) системой, которая включает десятки миллионов специализированных рецепторных клеток - нейронов, контактирующих, с одной стороны, непосредственно с воздушным пространством, а с другой - с определенным участком мозга - обонятельной луковицей. Ощущение запаха возникает в мозговых центрах при попадании на поверхность обонятельного эпителия летучих веществ, верхний предел молекулярной массы которых составляет около 300 Ба. Основными параметрами обоняния являются: быстродействие (доли секунды); широкий диапазон порогов обонятельного восприятия (миллиграммы - фемтограммы для различных пахучих веществ); избирательность (каждое индивидуальное вещество даже близкого химического строения имеет собственный отличимый запах); возможность идентификации, как общей смеси пахучих веществ, так и отдельных ее составляющих. В современных представлениях о механизмах обоняния отсутствуют общие закономерности связи запаха с химическим строением пахучих веществ (ПВ) и единая шкала научно обоснованных типов запаха.

В настоящее время практическое применение обоняния связано в основном с использованием специально обученных служебных собак, успешно решающих задачи, недоступные аналитическим приборам. К числу таких задач относятся:

• работа по следу;

• идентификация индивидуумов по запаху;

• нахождение по запаху взрывчатых веществ, наркотических средств.

Видоспецифическая и индивидуальная идентификация по запаху живых организмов, в том числе людей, в настоящее время решается только специально обученными собаками-детекторами. Сигнальными веществами для такой идентификации служат малолетучие высшие жирные кислоты, запах которых практически не ощущается человеком (Сулимов и др.,1995; Зинкевич и др., 1997).

Первичные процессы обонятельной транс-дукции в крайне сжатом изложении сводятся к следующему. Молекулы пахучих веществ взаимодействуют (связываются) с обонятельным ре-цепторным белком (Mombaerts, 1999). Результатом этого взаимодействия является активация G-белка (Gaolf) в цитоплазматическом матриксе ресничек обонятельных нейронов (Ronnett, Moon, 2002).

В свою очередь это приводит к активации фермента аденилатциклазы (тип III) и увеличению внутриклеточной концентрации вторичного мессен-джера - циклической аденозинмонофосфорной кислоты - цАМФ (Pace et al., 1985). Рост концентрации цАМФ провоцирует открытие цАМФ-за-висимых катионных (в том числе, кальциевых) каналов (Kaupp, Seifert, 2002). Вход ионов Са2+ из экстраклеточного пространства в цитоплазму вызывает частичную деполяризацию сенсорной мембраны и далее посредством активации Са2+-управляемых хлорных каналов приводит к развитию достаточно сильного тока ионов хлора (Cl) из цитоплазмы в экстраклеточное пространство (обонятельную слизь), что в конечном счете вызывает деполяризацию мембраны в области булавы обонятельных нейронов, регистрируемую в качестве генераторного потенциала. Деполяризация мембраны токами ионов Cl- обусловлена крайне высокой концентрацией хлоридов в цитоплазме обонятельных нейронов, что достигается натрий-калий-хлоридным сотранспортом в области базолатеральной мембраны (на уровне булавы) обонятельных нейронов (Restrepo, 2005; Reisert at al., 2005).

Показано, что индуцированные пахучими веществами сигналы являются следствием функционирования в обонятельных нейронах целого ряда механизмов физико-химической, биохимической и электрофизиологической природы (Elsaesser, Paysan, 2007; DeMaria, Ngai, 2010; Brookes, 2011).

КЛЮЧЕВЫЕ ВОПРОСЫ В ИССЛЕДОВАНИИ ОБОНЯТЕЛЬНОЙ РЕЦЕПЦИИ

Для понимания молекулярных механизмов обоняния ориентирами служат исследования в области рецепции гормонов и фоторецепции. В то же время имеются данные, указывающие на принципиальные различия механизмов обонятельной рецепции (ОР) и фототрансдукции. Так, в процессе фототрансдукции возбужденный светом родопсин способен активировать множество молекул трансдуцина (Каламкаров и др., 2004).

В обонятельной рецепции, по мнению ряда авторов, время взаимодействия пахучего вещества с обонятельным белком-рецептором (время существования одорант-рецепторного комплекса) чрезвычайно мало. Становится непонятным, каким образом может работать классический механизм усиления сигнала через активацию Gaolf и цито-плазматической аденилатциклазы III? (Bhandawat et al., 2005).

В целом при рассмотрении механизмов обонятельной трансдукции ключевым вопросом яв-

ляется: "Каким образом механизмы трансдукции отвечают таким взаимно противоречащим требованиям, как быстродействие, чувствительность и избирательность?". При решении данного вопроса целесообразно обратиться к опыту создания химических сенсоров для устройств типа "Электронный нос".

Основой таких устройств являются химические газовые сенсоры, которые, как правило, имеют в своем составе собственно сенсорный слой и преобразователь (трансдьюсер). Пахучее вещество (ПВ) взаимодействует (связывается) с сенсорной поверхностью по одному или более физико-химическим механизмам, включая адсорбцию, абсорбцию, хемосорбцию и координационную химию.

Выбор механизма связывания имеет принципиальное значение для обеспечения избирательности и быстродействия. Например, хемосорбция предпочтительна, когда требуется высокоселективное обнаружение целевого компонента. Однако использование сенсорного слоя с высокими константами связывания очевидным образом приводит к снижению обратимости взаимодействия и соответственно к ухудшению быстродействия.

Сенсоры с более слабой энергией адсорбции обеспечивают хорошую обратимость взаимодействия, но как следствие, при этом снижается селективность. Идеальный газовый сенсор должен разумно удовлетворять таким противоречивым требованиям, как чувствительность, избирательность и обратимость взаимодействия.

Персод и Дод (Регеаиё, Боёё, 1982) дали компромиссное решение этой проблемы. Было предложено использовать в аналитическом устройстве линейку или матрицу газовых сенсоров с обратимыми и относительно слабо избирательными сенсорными слоями. Необходимая для решения тех или иных задач избирательность достигается при этом за счет специальных алгоритмов распознавания образов ПВ по откликам, полученным от достаточно большого множества сенсоров. Созданные на этом принципе устройства получили название "Электронный нос" (Е-позе).

В своем развитии эти устройства прошли значительный путь и в настоящее время применяются при решении разнообразных практических задач в медицинской диагностике, пищевой и парфюмерной промышленности, экологии, военном деле и др. (8й12е1 et а1., 2011). В свою очередь (с определенными ограничениями) практические достижения в области современных устройств могут помочь в постановке и решении актуальных вопросов обоняния.

Принципиальные вопросы, возникающие при исследовании обонятельной трансдукции:

Что представляет собой активный (связывающий ПВ) центр ОР?

Какое количество связывающих центров имеется в структуре единичного ОР?

Какие силы задействованы в процессах связывания ОР с ПВ?

Какова частота спонтанных переходов ОР из пассивного off состояния в активное on?

В чем заключается молекулярный механизм передачи сигнала с ОР на G-белок?

Какова природа усиления сигнала в первичных процессах обонятельной трансдукции с учетом крайне низкой энергии взаимодействия пахучего вещества с ОР?

Задействованы ли в первичных процессах трансдукции обонятельных сигналов другие ферментативные преобразователи, кроме АЦ III?

Какова роль обонятельных ресничек в процессах трансдукции обонятельных сигналов?

Как в целом обеспечивается выполнение взаимно противоречащих требований на высокое быстродействие и высокую чувствительность приема низкоэнергетичных обонятельных сигналов?

Мы полагаем, что ответы на некоторые из этих вопросов могут дать представления о механизме конкуренции пахучих веществ с липидными компонентами сенсорной мембраны за связь с множественными активными центрами обонятельного рецепторного белка.

ВОЗМОЖНАЯ РОЛЬ КОНКУРЕНТНЫХ ОТНОШЕНИЙ В ТРАНСДУКЦИИ ОБОНЯТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ

Основные положения предлагаемой гипотезы сводятся к следующему. Структура ОР интегрально стабилизируется в сенсорной мембране множеством слабых связей гидрофобных доменов с липидным матриксом. В качестве таких связей могут рассматриваться низкоэнергетические гидрофобные взаимодействия (5-6 ккал /моль), что обуславливает низкие константы ассоциации. При этом достигается высокая лабильность ОР, что определяет с одной стороны, быстроту и обратимость отклика на крайне слабые возмущения, а с другой, что не менее важно, чувствительность ОР по отношению к воздействию ПВ.

Возможный механизм влияния ПВ на состояние ОР состоит в нарушении связи трансмембранных

доменов ОР с липидным матриксом (возможно, с липидными рафтами) по конкурентному механизму. Результатом конкурентного процесса, который (в силу низких энергий единичного взаимодействия) протекает быстро и обратимо, является нарушение баланса сил, стабилизирующих домены ОР в

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком