Клеточные механизмы восприятия вкуса
Р.А.Романов
С чего начинается то удовольствие, которое мы неизменно испытываем, отправляя в рот ложечку любимого блюда? Первый этап вкусового восприятия — возбуждение специализированных сенсорных клеток языка в ответ на появление еды. Их основополагающая функция заключается в распознавании растворенных в жидкой среде полости рта химических молекул и в передаче информации об их концентрации и модальности (разновидности) для дальнейшего анализа в соответствующих структурах мозга. Вкусовая система состоит из трех отделов — периферического, представленного сенсорными клетками, проводникового (нервные волокна, идущие к головному мозгу) и центрального, или коркового (нейроны вкусовой зоны коры больших полушарий) (рис.1). Распознавание вкусовых веществ происходит в периферическом отделе, а передача полученной информации в центр обработки — корковую зону — осуществляется проводниковым отделом. Пищевые стимулы очень многообразны, от простых ионов (Ш+, массой в несколько дальтон до сложных молекул, таких как углеводы, алкалоиды, белки, масса которых может заметно превышать 1 кДа. Большинство вкусовых оттенков, которые ассоциированы с ароматом (например, кофе, корицы,
Роман Александрович Романов, доктор биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории молекулярной физиологии клетки Института биофизики клетки РАН (Пущино, Московская обл.). Научные интересы связаны с механизмами афферентной нейропередачи во вкусовых клетках.
вина), связаны с активацией еще и обонятельных рецепторных клеток носовой полости. Вообще чувство вкуса связано с раздражением не только химических и обонятельных, но и механических (вяжущее ощущение), температурных (мята, ментол) и даже болевых (перец чили) рецепторов. Непосредственно же с помощью вкусовой системы человек распознает пять категорий: сладкое (природные углеводы), кислое (лимонная и уксусная кислоты), соленое
© Романов Р.А., 2014
Рис.1. Вкусовая система [1].
(поваренная соль), горькое (никотин, хинин) и умами ^-глутамат и некоторые другие аминокислоты, мелкие пептиды и пурины). В ходе эволюции у млекопитающих (речь о них, а значит, и о нас с вами, пойдет в этой статье) развилась высокая чувствительность к горьким веществам (так как они нередко ядовиты) и к сладким — часто высокоэнергетическим продуктам.
Строение периферического отдела вкусовой системы
Этот отдел включает более 5000 особых образований — сосочков разной формы: грибовидных (они находятся в передней части языка), желобовидных (в его корневой доли) и листовидных (по бокам). Уже на этом уровне проявляется определенная, хотя и неполная, специализация. Так, основная информация о сладком приходит в мозг прежде всего от грибовидных сосочков, тогда как о горьком — от желобовидных, а о кислом и соленом — от листовидных. Вкусовые сосочки состоят из почек (в общей сложности их во рту около 10 тыс.) — ассоциатов из 50—100 выстроенных подобно долькам апельсина специализированных клеток вытянутой формы (рис.2). Они обладают многими свойствами нейронов, такими как способность к генерации потенциалов действия (волн возбуждения, возникающих, как правило, при деполяризации мембраны, изменении ее потенциала в сторону положительных значений) и образование синапсов (мест контакта между двумя клетками).
Рис.2. Схематическое изображение вкусовой почки [1].
Но, несмотря на наличие признаков электровозбудимых тканей, вкусовые, как и сенсорные клетки органов слуха и равновесия, развиваются из эпителия. Сама вкусовая почка не достигает поверхности слизистой оболочки языка, в полость рта выходит только пора, через которую растворенные в слюне вещества контактируют со вкусовыми клетками. Их наружная часть представлена микроворсинками с расположенными на них рецепторами — главными участниками процессов распознавания, усиления и преобразования пищевых сигналов. Рецепторы микроворсинок при связывании своих лигандов (веществ, специфически соединяющихся с рецептором) запускают каскад биохимических реакций во вкусовой клетке, которая в ответ высвобождает нейромедиатор (химическое вещество, передающее электрический сигнал на нервное волокно), стимулирующий вкусовой нерв. И в итоге в мозг уходят электрические импульсы, несущие информацию об интенсивности и разновидности воздействия.
Среди вкусовых клеток выделяют как минимум три типа: темные (I), так как они интенсивно окрашиваются на ультратонких срезах, светлые (II) и промежуточные (III). Апикальная часть, непосредственно контактирующая с ротовой полостью, обычно богата микроворсинками (исключение составляют клетки III типа, у них только одна микроворсинка) и несет метаботропные рецепторы (вызывающие изменения в клеточном метаболизме после связывания со своими лигандами), сопряженные с G-белками, ионные каналы и другие сигнальные белки. Базальная часть, не имеющая доступа ко вкусовым веществам, отвечает за связь с афферентными и эфферентными (проводящими возбуждение от органов и тканей в центральную нервную систему и наоборот) нервными окончаниями и, возможно, с другими рецептор-ными клетками вкусовой почки. Апикальные части всех трех типов клеток соединены друг с другом окружающими их плотными контактами — белковыми образованиями, которые выглядят как пояс из переплетающихся нитей и служат барьером для диффузии вкусовых веществ. Средняя продолжительность жизни вкусовой клетки не превышает 10 дней.
Функциональные типы вкусовых клеток
В 2000-х годах во вкусовых клетках удалось идентифицировать ряд важных белков, а главное, определить их роль в восприятии стимулов той или иной модальности. Были открыты и молекулярные рецепторы горьких и сладких веществ, принадлежащие разным семействам. Сейчас известно около 30 членов семейства T2R (Taste Receptors), специфичных для вкусовых клеток метаботропных G-белковых рецепторов, которые чувствительны к горькому [2]. Их области, находящиеся вне клет-
ки (это потенциальные сайты связывания с лиган-дами), т.е. экспонированные в ротовую полость, сильно различаются аминокислотной последовательностью, а остальная часть этих молекул высококонсервативна. В одной клетке у млекопитающих одновременно работает множество T2R^-цепторов для различных горьких веществ, действующих на одни и те же элементы внутриклеточного сигнального каскада. Вот почему среди горького не существует различающихся «подвкусий», все горькое ощущается одинаково. Совсем иначе воспринимается сладкое — углеводы, белки и аминокислоты, синтетические соединения. Все они возбуждают один-единственный рецептор, который обладает очень большой внеклеточной частью с множеством аллостерических центров, связывающих сладкие вещества [3]. Этот универсальный для всего спектра сладкого рецептор формируется двумя белками из другого специфического для вкусовых клеток семейства — T1R, в результате образуется димер T1R2+T1R3.
С помощью электронной микроскопии, имму-ногистохимии и РНК-гибридизации in situ в популяции вкусовых клеток того или иного типа постепенно были идентифицированы различные белки, участвующие в кодировании (переводе интенсивности и длительности раздражения в электрический импульс) вкусовых стимулов. Благодаря этому удалось выявить физиологические функции клеток и понять, что их типы отличаются не только морфологически, но и функционально (рис.3). Выяснилось, что клетки II типа подразделяются на самом деле на три отдельные группы, ответственные за восприятие горького (T2R), сладкого (димеры T1R2+T1R3) и умами (димеры T1R1+T1R3). Однако для всех трех групп общей остается система внутриклеточной сигнализации, запускаемая в ответ на вкусовую стимуляцию. Каскад реакций включает активацию G-белка гастдуцина и фос-фолипазы С ß2, увеличение концентрации кальция в цитозоле и открытие кальций-зависимого ионного канала TRPM5, влекущее за собой деполяризацию мембраны [4]. Вкусовые клетки III типа ответственны за восприятие кислого, поскольку именно в них функционирует pH-активируемый ионный канал PKD2L1. Это удалось доказать в экспериментах на генетически модифицированных мышах — они теряли чувствительность к кислому в отсутствие
клеток, экспрессирующих PKD2L1 [5]. Клетки I типа, с одной стороны, выполняют функции глиаль-ных (создающих специфическое микроокружение для нейронов) и отчасти сходны с ними морфологически — имеют отростки, правда, крыловидные. Последние создают физические барьеры между клетками вкусовой почки и предотвращают вытекание нейромедиатора из пространства с нервными окончаниями. Более того, на плазматической мембране клеток I типа есть характерный для глии белок — транспортер глутаминовой и аспарагиновой аминокислот (GLAST — GLutamate ASpartate Transporter), а также внеклеточный фермент эктоапираза 2, или эктонуклеозидтри-фосфатдифосфогидролаза (E-NTPDase — Ecto-Nucleoside TriPhosphate Diphosphohydrolase) [6, 7]. Они утилизируют молекулы глутамата и АТФ, появляющиеся в межклеточном пространстве вкусовой почки в процессе акта нейропереда-чи. Считается, что АТФ высвобождается вкусовыми клетками при их стимуляции, а глутамат — эфферентными нервными окончаниями, которые регулируют работу вкусовой почки. С другой стороны, клетки I типа участвуют в рецепции соленого, так как именно в них функционируют эпителиальные натриевые каналы (ENaC — Epithelial Na+ ^annel), блокируемые диуретиком амило-ридом, а соленое восприятие им в значительной степени регулируется.
Рис.3. Морфофункциональные типы клеток вкусовой почки. Клетки I типа выполняют функции глиальных, так как они имеют аминокислотный транспортер GLAST и эктоапиразу NTPDase-2, и участвуют в рецепции соленого за счет натриевых каналов ENaC. Клетки II типа подразделяются на три группы, ответственные за восприятие горького (благодаря семейству рецепторов T2R), сладкого (участвуют димеры T1R2+T1R3) и умами (обеспечивается димерами T1R1+T1R3). Клетками III типа воспринимается кислое за счет pH-активируемых ионных каналов PKD2L1.
Афферентная нейропередача во вкусовых клетках
Как же вкусовые клетки разных типов передают информацию на нервные окончания? Обычно нейропередача происходит благодаря син
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.