СЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ, 2010, том 24, № 1, с. 74-93
ОБОНЯТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
УДК 612.86
ВОЗМОЖНАЯ РОЛЬ АКТИВНЫХ ФОРМ КИСЛОРОДА В ПЕРВИЧНЫХ МЕХАНИЗМАХ ОБОНЯТЕЛЬНОЙ РЕЦЕПЦИИ
© 2010 г. В. М. Ганшин,
Ю. А. Лабас
Э. П. Зинкевич
Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН, 119071, Москва, Ленинский пр.,33
E-mail: zink@orc.ru
Поступила в редакцию 05.03.2009 г.
Обоснована принципиальная возможность участия активных форм кислорода в первичных молекулярных механизмах обонятельной рецепции и трансдукции сигнала в обонятельной клетке. Для первичных молекулярных процессов обонятельной рецепции предложена модель системного уровня организации, включающая изменение окислительно-восстановительного статуса ре-цепторной мембраны. Это влечет за собой переход рецепторного белка из равновесного сбалансированного состояния "off" в состояние "on" с активацией G-белка на внутренней стороне мембраны и запуском каскада биохимических реакций в клетке, ведущих к открытию ионных каналов и передаче нервного импульса в высшие центры мозга. Развиваются представления о вероятном механизме функционирования обонятельного рецепторного белка как молекулярной машины, активируемой перестройками липидной фазы сенсорной мембраны в результате периодических изменений окислительно-восстановительного статуса мембраны обонятельной рецеп-торной клетки.
Ключевые слова: обонятельная рецепция, обонятельный рецепторный белок, одорантсвязываю-щий белок, активные формы кислорода, мембранные липиды, полиненасыщенные жирные кислоты, молекулярные механизмы обоняния, биохимия обоняния, биофизика обоняния.
ВВЕДЕНИЕ
Первичные процессы в рецепции запахов -это явление одной из удивительных по красоте и сложности проблем физиологии органов чувств. Важную роль в продвижении к пониманию происходящих процессов и прогнозированию соответствующих экспериментальных исследований естественным образом призваны играть гипотезы или так называемые "обонятельные теории". В этой связи следует отметить, что ни в одном из разделов физиологии органов чувств нет такого количества "теорий", претендующих на объяснение природы явления. Некоторые из таких "теорий" служат основой для технического моделирования процессов восприятия запаха и разработки принципиально новых технических устройств, получивших название "электронный нос". Данные приборы постепенно завоевывают признание в аналитической практике и начинают использоваться для решения задач, связанных с обнаружением и распознаванием индивидуальных пахучих веществ и оценки их композиций. Однако ни одно из устройств подобного типа не основа-
но на функциональных элементах трансдукции обонятельных сигналов, присущих периферическому отделу органов обоняния живых организмов. Возможно, именно поэтому все известные устройства "электронного носа" в настоящее время решают лишь достаточно простые задачи по восприятию и дифференцировке пахучих веществ и не конкурентны обонятельным системам животных.
Последнее десятилетие характеризуется значительным прогрессом в понимании первичных механизмов обонятельного восприятия. Установлено наличие порядка тысячи семидоменных специфических обонятельных рецепторных белков (ОРБ); участие G-белка в трансдукции сигнала; наличие систем трансдукции с разными мессен-джерами и участие различных ионных каналов; наличие связи однотипных нейронов с определенными участками обонятельной луковицы; ощущение запаха как комбинаторного процесса и др. (Buck, 2005). Полагают, что именно эти молекулярные рецепторы отвечают за инициацию каскада цепных реакций внутри обонятельной клетки. Взаимодействие пахучих веществ с моле-
кулярными рецепторами, возможно, осуществляется как непосредственно, так и при участии белков-переносчиков, находящихся в обонятельной слизи (Ре1оз1, 1996).
В то же время за этими очевидными успехами прослеживается некоторый перекос в направлении молекулярно-генетических исследований и отсутствие комплексного биофизического и биохимического подхода к феномену.
На рис. 1 представлена общепринятая структурная схема механизма обонятельной трансдукции. Данная схема в целом достаточно адекватно описывает отдельные элементы крайне сложного процесса трансдукции обонятельных сигналов, однако, пока не отвечает на ряд ключевых вопросов.
75
С момента открытия ОРБ подавляющее количество работ посвящено в целом механизмам функционирования как связывания активным центром ОРБ молекулы пахучего вещества. Постулируется, что этого связывания достаточно, чтобы запустить каскад трансдукции обонятельного сигнала. При этом, во-первых, ОРБ рассматривается в качестве пассивного центра, связывающего молекулы пахучих веществ, но не обсуждаются конкретные механизмы активации как самого ОРБ, так и последующей передачи сигнала на G-белок. Во-вторых, не учитываются многочисленные данные, характеризующие крайне сложный состав обонятельной слизи (Бронштейн, 1977): наличие в ней разнообразных ферментов, а также биоло-
Пахучие вещества
Обонятельный белок рецептор
в-белок
Аденилатциклаза
„ 2+ N3+ / Са2+
Са управл. -
обменник
С1 канал
/
м Сенсорная мембрана
с*
/I
Са2+ С1" Са2+
п=> Кальмодулин
Рис. 1. Структурная схема элементов сенсорной мембраны в системе трансдукции обонятельных сигналов
Какова связь между структурой ОРБ, в том числе его семи а-спиральных гидрофобных участков и функциональной активностью?
Что представляет собой на молекулярном уровне механизм передачи сигнала с ОРБ на G-белок при стимуляции пахучими веществами?
Какие физико-химические свойства (качества) пахучих веществ, относящихся к различным классам, лежат в основе известного факта, что их обонятельные пороги могут отличаться на многие порядки?
И, наконец, какова природа механизма специфичности в процессе узнавания обонятельной ре-цепторной клеткой пахучих веществ различной модальности?
Без ответа на эти вопросы не представляется возможным приступить к адекватному моделированию первичных процессов обонятельной рецепции.
гически-активных веществ, способных влиять существенным образом на состояние обонятельной рецепторной клетки (обонятельного нейрона). Наконец, открытие ОРБ на настоящий момент не способствовало пониманию таких существенных характеристик обонятельного восприятия, как время отклика и спада обонятельных сигналов и различия в величинах порогов обонятельного восприятия для пахучих веществ, принадлежащих к разным химическим классам.
Исходя из энергетических соображений, можно считать, что взаимодействия с единичной молекулой пахучего вещества явно недостаточно, чтобы вызвать функциональный отклик, заключающийся в разрыве по крайней мере трех связей ОРБ с G-белком (Ганшин, Зинкевич, 2005). Можно предположить, что ОРБ каким-то образом откликается на множественное воздействие пахучих веществ и что это множественное (мультисайтовое) взаимодействие обеспечивает селективность отклика.
В стороне от научного обсуждения остается и механизм обеспечения экстремально низких порогов обонятельного восприятия особых пахучих веществ, являющихся, например, феромонами.
Из всего перечисленного начинает выкристаллизовываться мнение о том, что развитие исследований требует качественного пересмотра роли ОРБ в первичных процессах обонятельной транс-дукции. В результате такого пересмотра должна быть обоснована принципиально новая модель процессов обоняния, комплексным образом учитывающая широкий спектр экспериментальных данных по структуре и функции всех элементов, принимающих участие в осуществлении первичных процессов. К ним относятся одорантсвязы-вающие белки и ферменты обонятельной слизи, чувствительные мембраны обонятельных нейронов и, наконец, непосредственно ОРБ, как приемники обонятельных сигналов. В рамках такой модели должна быть найдена "экологическая ниша" для ОРБ в составе сенсорных участков мембраны обонятельных нейронов. Другими словами, необходимо предложить такую схему работы ОРБ в рецепторной мембране и обосновать такие физико-химические механизмы трансдукции обонятельных сигналов, которые бы обеспечивали адекватное функционирование обонятельной системы в целом в соответствии с порогами обонятельного восприятия пахучих веществ, принадлежащих к различным классам.
Другой задачей разработки адекватной схемы функционирования ОРБ в составе обонятельного нейрона является создание предпосылок для эффективного моделирования первичных процессов обонятельной рецепции при решении разнообразных практических задач. Важной составляющей в решении этих проблем может являться представление о роли активных форм кислорода (АФК) в функционировании ОРБ и реализации механизмов трансдукции обонятельных сигналов в целом.
Известен феномен окисления пахучих веществ в акте обонятельной рецепции и участия в нем экзогенного кислорода (Зинкевич, Минор, 1977; Зинкевич, 1982; 1999; Feigin ег а1., 1991; 1992). Данные об обратимом уменьшении содержания АТФ поверхности обонятельного эпителия (ОЭ) в условиях кратковременной аноксии и быстром восстановлении уровня макроэрга при возвращении в кислородную среду также свидетельствуют о важной роли кислорода в этой сенсорной функции (Гладышева и др., 1985).
Нарушение обоняния у наземных позвоночных при устранении кислорода над обонятельным
эпителием едва ли может быть связано с нарушением митохондриального дыхания в рецепторных клетках. Скорее всего их, как и прочие клетки организма, полностью обеспечивает кислородом капиллярный кровоток. Более вероятным представляется непосредственное участие молекулярного кислорода или АФК в первичных процессах обонятельной трансдукции, а особенно вероятным в рецепции таких пахучих соединений, как феромоны, воспринимаемые в наномольных (и ниже) количествах.
Обращает на себя внимание факт связывания ретиналя - специфического "пахучего вещества" - зрительным белком опсином. В отличие от обонятельной рецепции, где рецепторный белок нормально находится в свободном состоянии (режим ожидания), в зрительной рецепции опсин заведомо находится в состоянии связанности c ретиналем (родопсин). В этом смысле можно считать, что зрительная рецепция вообще происходит от хеморецепц
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.