Обоняние. Увлекательное погружение в науку о запахах - Паоло Пелоси

Однако клеточная мембрана – более сложное и богатое функциями явление; этим простым определением она не исчерпывается. Белки (и наши ольфакторные рецепторы в том числе) сидят на стене этого маленького укрепленного города и проверяют каждого приближающегося гостя, посылая внутрь рапорты. Далее ворота открываются или закрываются сообразно химическим инструкциям, пропуская ионы и прочие молекулы.

Структура ольфакторных рецепторов

Ольфакторные рецепторы взаимодействуют с этим липидным барьером, проходя его семь раз туда и обратно – внутрь клетки и наружу (рис. 27). Именно поэтому в тех местах, где они взаимодействуют с мембраной, у них находятся гидрофобные аминокислоты. Тут все завязано на растворимость. Полярные соединения лучше растворяются в воде; жиры – в масле или в органических растворителях. Сегменты белковой цепочки, особенно богатые гидрофобными аминокислотами, узнать легко: они, скорее всего, будут проходить через клеточную мембрану. Это дает возможность сосчитать количество таких трансмембранных областей и отнести белок к тому или иному классу. Поэтому даже такая простая информация, как аминокислотная последовательность, уже может открыть нам какие-то характеристики неидентифицированного белка. В нынешнюю эру геномов это чрезвычайно важно, так как данные о секвенции мы сейчас получаем задолго до того, как можем выдвинуть гипотезу о физиологическом назначении белка.

Но давайте вернемся к структуре ольфакторных рецепторов и попробуем разобраться, как им удается распознавать молекулы разных пахучих веществ. Все рецепторы, принадлежащие к семейству 7-ТМ, обладают похожей компактной структурой. До сих пор нам удалось в экспериментальном порядке разрешить только трехмерную форму родопсина и пары других рецепторов, так что все остальные модели носят гипотетический характер и основываются на том, что мы знаем о родопсине. В общем и целом он состоит из семи сегментов в виде α-спиралей, пересекающих мембрану и упакованных вместе, как пачка карандашей. Они связаны между собой петлями неупорядоченных структур, попеременно погружающихся то в интраклеточную, то в экстраклеточную жидкость. Плотная упаковка семи спиралей тем не менее оставляет внутри канал, в котором, как считают исследователи, улавливаются и распознаются молекулы пахучего вещества.

Во всяком случае, там оказывается перманентный лиганд родопсина – ретиналь. Ретиналь – это альдегид из 20 атомов углерода, обладающий довольно сложной архитектурой, воспроизводящей половину структуры β-каротина, пигмента, часто встречающегося в растениях. Из-за большого количества переменных двойных связей он может поглощать свет в видимой области спектра. Когда это происходит, цепочка ретиналя закручивается вокруг одной из двойных связей. Поскольку ретиналь прочно соединен с молекулой родопсина ковалентной связью, подобный оборот вызывает конформационные изменения в белке, который продуцирует такую же метаморфозу внутри клетки, взаимодействуя с G-белком. На рисунке 26 показана структура родопсина и две формы ретиналя.

Рисунок 26. Две проекции коровьего родопсина, связанного с молекулой ретиналя. Ретиналь изомеризируется из полностью-транс-формы в 11-цис-форму под воздействием фотона света. Это вызывает конформационные изменения в родопсине, который в результате порождает в клетке электрический сигнал.

Хотя родопсин и ольфакторные рецепторы совершенно различны по функциям (первый регистрирует свет, а вторые – летучие молекулы), механизм действия у них более-менее одинаков.

Рецепторы одорантов чувствуют присутствие посторонней молекулы, взаимодействуя с ее сердцевиной и меняя ее конформацию; родопсин, в свою очередь, регистрирует оборот, вызванный светом в молекуле ретиналя, и меняет свою конформацию. Родопсин в этой ситуации выступает в роли химического сенсора – если считать две формы ретиналя двумя разными молекулами, что вполне обоснованно.

Когда молекулы одоранта достигают поверхности ольфакторных нейронов, их блокируют ольфакторные рецепторы, сидящие в клеточной мембране подобно стражам, встречающим гостей и сообщающим об их прибытии в клетку. Рецепторы распознают пахучие молекулы на основании формы, размера и прочих химических характеристик. Затем химическая информация преобразуется в электрический сигнал, который уже гораздо легче измерить, усилить и обработать, – примерно как электрические токи в цепи компьютера или какого-нибудь электронного инструмента. Преобразование осуществляется посредством серии ферментных реакций, которую запускает изменение конформации рецептора, принимающего в свою структуру маленькую органическую молекулу – в нашем случае одорант.

Ольфакторные рецепторы посылают сообщения внутрь клетки

Поимку молекулы одоранта ольфакторным рецептором из всех биохимических элементов первым регистрирует G-белок – сложный фермент, состоящий из трех субъединиц, пребывающий в физическом контакте с рецептором. Простимулированный конформационным изменением рецептора, G-белок инициирует ферментный каскад – серию химических реакций, ведущих к производству больших количеств циклического АМФ. Эта растворимая молекула перемещается внутри клетки (в нашем случае ольфакторного нейрона) и связывается с ионными каналами, открывая их, почти как ключ открывает двери.

На рисунке 27 показаны основные этапы ольфакторного преобразования.

Эти каналы представляют собой белки с очень сложной структурой. Они работают своеобразными отверстиями в мембране, по которым могут перемещаться специфические ионы. Открытие каналов приводит к притоку ионов снаружи внутрь и наоборот, в результате чего клетка деполяризуется. На практике электрический потенциал клетки стремительно понижается из-за дисбаланса ионов между ее внутренним и внешним пространством. В целом получается так, что химическое взаимодействие одоранта с его специфическим рецептором порождает электрический импульс. Перевод химического сообщения в электрический сигнал, который затем можно дополнительно усилить, обработать и сравнить, – ключевой процесс, соединяющий внешнюю среду с мозгом [4].

Рисунок 27. Основные этапы ольфакторного преобразования. Взаимодействие молекулы одоранта с ольфакторным рецептором вызывает отделение G-белка, который активирует аденилциклазу. Продукт этой реакции, циклический АМФ, вызывает открытие ионного канала, что ведет к деполяризации нейрона и возникновению электрического сигнала.

Вомероназальный орган, о котором мы уже говорили ранее, – это небольшая полость системы «тупик», имеющаяся у большинства позвоночных и предназначенная для регистрации специфичных для данного вида феромонов. Это практически второй нос или, если угодно, третий основной хеморецепторный орган. Подобно носу и языку, эта область оснащена рецепторами – все теми же G-парными 7-ТМ белками. На самом деле в вомероназальном органе есть два класса рецепторов – V1R и V2R. Первый класс ближе по размеру и структуре к ольфакторным и вкусовым рецепторам, хотя их аминокислотные цепочки совсем другие. Второй содержит, помимо области с семью трансмембранными спиралями, еще один домен, такой же крупный, как сердцевина белка, и выходящий во внеклеточное пространство. Эта часть белка считается потенциальной связывающей зоной для феромонов белковой природы. Белки с феромональными свойствами, широко распространенные у дрожжевых грибов и рептилий, судя по всему, в ходу и у мышей [5]. В главе шестой мы уже говорили о том, что ОМБ, мышиные мочевые белки, запускают физиологические изменения у юных самок, ускоряя их созревание. Не так давно еще один член того же семейства, дарсин (названный так в честь мистера Дарси, героя «Гордости и предубеждения» Джейн Остин), по сообщениям ученых, показал феромональную активность [6].