Трансдукция вкусовых стимулов

Вопрос о том, насколько специфичны конкретные ВРК, до сих пор не решен окончательно. С одной стороны, некоторые из исследованных белковых рецепторных молекул, участвующих во вкусовой рецепции, никогда не встречаются вместе в одной и той же клетке (в особенности это относится к рецепторам сладкого и горького, которые, по-видимому, никогда не экспрессируются одновременно в одной клетке). С другой стороны, каждая одиночная ВРК реагирует деполяризацией или гиперполяризацией не на один вкус, а сразу на несколько (рис. [1503] ____). Таким образом, видимо, ВРК не имеют отчетливой специфичности - во всяком случае, такой специфичности, которая соответствовала бы основным классическим видам вкуса. Амплитуда реакции вкусового рецептора непосредственно зависит от концентрации вещества, хотя реакция на один вкусовой стимул может зависеть от наличия в растворе других вкусовых веществ.

Изучение механизмов вкусовой трансдукции осложняется тем, что ее механизмы очень многообразны, и, кроме того, могут различаться у разных видов животных. В целом, можно сказать, что ионными каналами обеспечивается трансдукция соленого и кислого вкусов, а с рецепторами, действие которых опосредовано G-белками и вторичными посредниками, связана трансдукция сладкого и горького вкуса, а также вкуса "умами". В случае ионных каналов возможны два варианта: либо непосредственное прохождение самого рецептируемого иона через канал (например, иона Na⁺, вход которого в клетку ведет к деполяризации), либо открывание под воздействием рецептируемых веществ определенных катионных каналов (например, в присутствии ионов H⁺ открываются ионные каналы для Na⁺). В случае G-белковых систем могут быть задействованы разные вторичные посредники – в особенности цАМФ и инозитолтрифосфат (ИТФ).

Деполяризация ВРК усиливается за счет активации потенциал-чувствительных натриевых каналов (которая, видимо, может даже вести к генерации в них потенциалов действия). Далее кальциевый ток через потенциал-чувствительные кальциевые каналы запускает процесс выделения медиатора, который воспринимается сенсорными нервными волокнами и передается в виде потенциалов действия в мозг. Предполагается, что этим медиатором является серотонин, так как он обнаружен в ВРК, а рецепторы к нему – во вкусовых сенсорных нервных волокнах.

 

Трансдукция соленого вкуса. Соленый вкус – это прежде всего вкус NaCl; аналогичных вкусом обладает также LiCl, однако его нельзя применять в пищевых целей из-за выраженного действия на ЦНС. Показано, что у многих животных рецепция соленого вкуса основана на том, что ионы Na⁺ входят в цитоплазму ВРК через специфические ионные каналы, селективно проницаемые для данного иона (рис. [1504] ____). Обратите внимание, что этот тип каналов не имеет никакого отношения к потенциал-чувствительным каналам, ответственным за генерацию потенциалов действия в нейронах. Натриевый ток, входящий через данные каналы, непосредственно вызывает деполяризацию клетки, т.е. генерацию рецепторного потенциала, без участия G-белковой системы.

Аналогичные ионные каналы, называемые ENaC, участвуют в пассивном переносе ионов натрия во многих эпителиальных тканях; они обладают высокой селективностью к ионам натрия. Реакции вкусовых нервных волокон на NaCl блокируются амилоридом – диуретическим препаратом, блокирующим аналогичные каналы такого типа. В психофизических исследованиях было также показано, что амилорид снижает интенсивность вкуса NaCl и LiCl, но не влияет на восприятие вкуса KCl (последнее вещество обладает горьким, а не соленым вкусом). Грызуны в присутствии амилорида не способны отличить раствор NaCl от KCl. Недавно существование амилороид-чувствительных каналов на ВРК было подтверждено непосредственно с помощью метода пэтч-клямпа.

Впрочем, есть основания предполагать, что данный механизм трансдукции более характерен для животных, испытывающих нехватку натрия в пище, а у других групп животных (и у человека) механизм трансдукции может несколько отличаться. В частности, предполагается, что ионы натрия должны сначала пройти в межклеточное пространства через плотные контакты между соседними ВРК, а ионоселективные каналы в этом случае должны располагаться не на апикальной стороне вкусовых рецепторов, обращенной во внешнюю среду, а на боковой мембране, обмываемой межклеточной жидкостью.

Поскольку реакция на NaCl не опосредована G-белковой системой, она происходит очень быстро – ее латентный период составляет не более 50 мс. Реакция ВРК на соль подвержена адаптации (в пределах 1 мин.), однако механизмы этого явления не известны. Чувствительность рецепторов соленого регулируются такими гормонами, как вазопрессин (или антидиуретический гормон (АДГ)) и альдостерон – оба повышают чувствительность рецепторов к NaCl. Видимо, таким образом косвенно регулируется предпочтение соленой пищи и воды и опосредованно обеспечивается поддержание водно-солевого баланса.

 

Трансдукция кислого вкуса. Есть все основания полагать, что кислый вкус обусловлен содержанием в растворе свободных ионов H⁺. Воспринимать кислотность важно не только для поддержания гомеостаза, но и для того, чтобы отличить хорошие фрукты от неспелых или скисших, непригодных к употреблению в пищу.

Известно несколько разных механизмов детекции ионов H⁺; все они связаны с ионными каналами (рис. [1505] ____). Во-первых, показано, что в отсутствии ионов Na⁺ через амилорид-чувствительные ионные каналы, рассмотренные выше, могут входить и протоны, вызывая деполяризацию клетки. Поскольку мы легко различаем кислый и соленый вкусы, то должны быть и другие механизмы рецепции кислого вкуса.

У земноводных обнаружены калиевые каналы, которые блокируются при повышении наружной концентрации протонов; соответственно, под воздействием кислых веществ прекращается калиевый ток утечки, стремящийся гиперполяризовать клетку, и наступает ее деполяризация.

Возможно также, что в восприятии кислого вкуса участвуют специальные протон-чувствительные ионные каналы, проницаемые для ионов Na⁺, которые открываются в присутствии свободных протонов. Подобные каналы опосредуют ощущение боли при закислении тканей; одна из субъединиц такого канала была обнаружена в ВРК, однако их роль в восприятии кислого вкуса еще не доказана. Предполагается также участие и других типов ионных каналов, однако их роль тоже пока не установлена.

 

Рецепторы вкусовых клеток, связанные с G-белками. Восприятие сладкого и горького вкусов опосредовано совсем другими механизмами, а именно специальными рецепторными белками, сопряженными с G-белковой системой и опосредующими свое действие через вторичные посредники. Реакция такой системы протекает в несколько раз медленнее: например, показано, что реакция на сахарин развивается примерно через 300 мс после воздействия. Все эти рецепторы принадлежат к тому же большому классу семидоменных мембранных белков, к которым относятся многие синаптические рецепторы, опсины и обонятельные рецепторы.

Предполагается, что рецепция вкуса умами связана с разновидностью метаботропных глутаматных рецепторов mGluR4. Две группы рецепторов, участвующих во вкусовой трансдукции и связанных с G-белками, были клонированы в результате определения расшифровки генома человека и мыши. Группа T1R включает три белка – в их числе рецепторы, чувствительные к сахарам и аминокислотам; по структуре они гомологичны метаботропным рецепторам глутамата. Группа T2R включает более сотни различных рецепторов, чувствительных к различным веществам с горьким вкусом; по структуре гомологичны обонятельным рецепторам. Рецепторы группы T1R никогда не экспрессируются в одних и тех же клетках вместе с рецепторами группы T2R.

 

Трансдукция сладкого вкуса и вкуса "умами". Одной из важных, но не обязательных химических особенностей «сладких веществ» являются гидроксо-группы в больших органических молекулах. Соответственно, сладким вкусом обладают сахара, а также многоатомные спирты — сорбит, ксилит.

Сахара активируют мембранный рецепторный белок из группы T1R и сходны с метаботропным рецептором глутамата (рис. [1506] ____). По некоторым данным, для восприятия сладкого вкуса требуется гетеромерный комплекс из двух молекул T1R2 + T1R3. При воздействии сахарозы на рецептор сладкого через G-белковую систему активируется аденилатциклаза. Деполяризация клетки обеспечивается закрыванием ЦНЗ-каналов, проницаемых для ионов K⁺. Точный механизм воздействия цАМФ на каналы пока не известен.

Реакция на некоторые синтетические заменители сахара, видимо, реализуется через иной механизм, и опосредуется фосфолипазой C, которая приводит к выделению в цитоплазму инозитолтрифосфата (ИТФ) и диацилглицерола (ДАГ). При повышении концентрации ИТФ в цитозоле происходит выделение Ca²⁺ из внутриклеточных запасников, которое в свою очередь стимулирует экзоцитоз медиатора.

Рецептор для вкуса аминокислот, или "умами", по-видимому, является модификацией метаботропного глутаматного рецептора mGluR4, распространенного в ЦНС, и имеет много общего со вкусовыми рецепторами, реагирующими на сахара (рис. [1507] ____). Механизмы рецепции вкуса аминокислот остается пока недостаточно изученным; предполагается, что в качестве вторичного посредника выступает ИТФ и/или цАМФ.

 

Трансдукция горького вкуса. Горьким вкусом обладают многие растительные алкалоиды, некоторые соли (в частности, KCl и многие соли двухвалентных металлов, включая CaCl₂), мочевина и ряд других веществ. По-видимому, в рецепции горького вкуса участвует несколько различных механизмов, из которых лучше всего изучено связывание горьких веществ с рецепторами, относящимися к классу T2R (рис. [1508] ____). Известно несколько десятков представителей этого семейства, каждый из которых кодируется своим геном. Каждая разновидность рецепторов семейства T2R реагирует лишь на очень небольшой класс горьких веществ. Достаточно детально на мышах изучены два варианта этого рецептора – это T2R5, селективно реагирующий на циклогексамид, и T2R8, дающий сильную реакцию на денатоний (циклогексамид является антибиотиком, а денатоний благодаря своему чрезвычайно горькому вкусу используется в промышленности для денатурирования спирта).

T2R рецепторы активируют специфические G-белки – густодуцины, имеющие много общего с трансдуцином колбочек и палочек. α-субъединица густодуцина, как и в случае трансдуцина, активируют фосфодиэстеразу; однако в отличие от фоторецепторов, в ВРК субстратом фосфодиэстеразы становится цАМФ. В данных вкусовых клетках присутствуют ЦНЗ-каналы, проницаемые для ионов Na⁺, которые при высокой концентрации цАМФ находятся в закрытом состоянии. При рецепции горького вещества происходит снижение концентрации этого вторичного посредника, что ведет к открыванию ЦНЗ-каналов, деполяризации клетки и экзоцитозу медиатора. Одновременно β- и γ-субъединицы данного G-белка стимулируют фосфолипазу C, под действием которой в цитоплазму выделяются ИТФ и ДАГ. ИТФ стимулирует высвобождение Ca²⁺ из внутриклеточных запасников, что, в свою очередь, тоже может вести к экзоцитозу медиатора. Таким образом, роль густодуцина и вторичных посредников в рецепции горького вкуса требует дальнейшего уточнения. Кроме того, нокаутные мыши по гену густодуцина оказываются менее чувствительны не только к горькому, но и к сладкому, что пока не получило должного объяснения.

Механизм рецепции горького вкуса разных веществ не ограничивается рецепторами T2R. Так, кофеин и теофиллин, будучи липофильными соединениями, легко проникают в цитоплазму клеток и блокируют в них фосфодиэстеразу, повышая тем самым внутриклеточную концентрацию цГМФ. Горькие соли могут восприниматься за счет того, что они блокируют калиевые каналы, прекращая тем самым ток утечки и гиперполяризуя клетки; видимо, аналогичным образом действует и хинин.

По всей видимости, одна вкусовая клетка может нести на себе одновременно несколько разных рецепторов к горькому вкусу. Может ли рецепция к горькому вкусу сочетаться с другими видами вкусовой рецепции в одной клетке, остается пока не известным.