Актуальные участников Изд проблемы современной науки: Материалы трудов

Актуальные проблемы современной науки: Материалы трудов
участников 11-ой Международной телеконференции. Т. 2. № 2. Томск.
Изд-во «Крокус», 2013. С. 83-85.
ОБОНЯНИЕ
НАСЕКОМЫХ:
КАКОВА
РОЛЬ
ПОРОВЫХ
ТРУБОК
КУТИКУЛЯРНОГО ОТДЕЛА СЕНСИЛЛ?
Чайка С.Ю.
Биологический факультет Московского государственного университета
имени М.В. Ломоносова
Поровые трубки представляют собой внеклеточные структуры, отходящие от
канала или устьевидного углубления поры кутикулы и вместе с порами
формирующие стимулопроводящую систему в обонятельных сенсиллах насекомых
и других членистоногих [Чайка, 1997; Steinbrecht, 1997]. В онтогенезе поровые
трубки формируются в полости обонятельных волосков еще до вхождения в
нее периферических отростков рецепторных клеток. Поровые трубки не
ветвятся; их диаметр равен 10-15 нм, а длина может достигать 350 нм (рис. 1
а,б,г,е). Считается, что наличие поро-трубчатой системы у насекомых, имеющих
плотный кутикулярный покров, решает проблему эффективного доступа молекул
одорантов к периферическим отросткам рецепторных клеток. Наличие поровых
трубок дает возможность связать с одной порой периферические отростки
разных рецепторных клеток. И напротив, с одним периферическим
отростком могут контактировать поровые трубки разных пор. Такая связь
поро-трубчатой системы с периферическими отростками рецепторных клеток
должна обеспечить высокую эффективность попадания молекул одоранта на
мембрану рецептора.
На основании сходства поровых трубок обонятельных сенсилл и поровых
каналов кутикулы было высказано предположение о том, что поровые трубки
состоят из липидов, находящихся в мезоморфном состоянии, т.е. имеют
жидкокристаллическое строение [Locke, 1965]. Липидный состав поровых
трубок снимал вопрос о дифффузии липофильных молекул многих
феромонов через липофобную внутрисенсиллярную (ликворную) жидкость
полости сенсиллы, в которой находятся периферические отростки нейронов.
Да и жидкокристаллическое строение поровых трубок в наибольшей степени
подходило для объяснения механизма быстрого проникновения молекул
пахучих веществ к мембране рецептора, поскольку жидкие кристаллы
характеризуются пластичностью, высокой адсорбционной активностью,
легкой замещаемостью молекул [Браун, Уолкен, 1982].
Исходя из жидкокристаллического состояния поровых трубок была
высказана оригинальная гипотеза о том, что поровые трубки обонятельных
сенсилл могут выполнять роль проводника не самих молекул, а лишь
информации о химической природе последних [Чайка, 1991, 1997]. Известно,
что попадание на жидкокристаллический холестерик даже небольшого
количества какого-либо вещества (миллионные доли) меняет шаг спирали
жидкого кристалла, что обнаруживается в опытах по изменению цвета
отраженного света [Чандрасекар, 1980]. В последнее время жидкие
кристаллы находят широкое применение в биологических сенсорах [Woltman
et al., 2007; Smalyukh1, 2010]. Если поровые трубки действительно являются
жидкокристаллическими структурами, то при их контакте с мембраной
рецепторной клетки последняя может мгновенно получить информацию о
молекулах, адсорбированных порами обонятельных сенсилл. Это особенно
важно для детектирования жизненно важных сигналов, например молекул
половых
системами
феромонов.
Кстати,
коммуникации
насекомые,
(чешуекрылые,
обладающие
клопы,
феромонными
перепончатокрылые,
некоторые двукрылые), имеют преимущественно обонятельные сенсиллы с
поровыми трубками.
Настоящая гипотеза в известной мере противоречит центральной догме
сенсорной рецепции, согласно которой носитель информации должен
непременно попасть на мембрану экстероцептора, однако она, тем не менее,
предусматривает взаимодействие раздражителя с рецепторной мембраной
Рис.1. Срезы через кутикулярные отделы обонятельных сенсилл,
расположенных на антеннах насекомых.
а – базиконическая сенсилла мошки Boophthora erythrocephala De Geer, б – трихоидная
сенсилла мокреца Culicoides fascipennis Staeger, в – базиконическая сенсилла в
обонятельной ямке блохи Ceratophyllus sciurorum Schrank, г – булавовидная сенсилла
кровососки Lipoptena cervi L., д – ушковидная сенсилла Ephestia kuhniella Zeller, е –
базиконическая сенсилла кровососки L. cervi. ВПО – ветви периферических отростков
рецепторных клеток, П – поры, ПТ – поровые трубки. Увеличение: а – 28 000, б – 60 000,
в, г, д – 50 000.
нейрона, хотя такое взаимодействие осуществляется опосредованно – через
поровые трубки. Этот процесс напоминает восприятие сигнального
раздражителя в некоторых органах чувств вторичночувствующими клетками,
благодаря воздействию медиатора рецептирующей клетки.
Таким образом, до 90-х годов прошлого века поровые трубки, за
исключением вышерассмотренной гипотезы, рассматривались как чисто
проводниковая структура для молекул одорантов. Однако уже в то время
было очевидно, что процесс проникновения молекул одоранта к рецепторной
мембране намного сложнее. Во-первых, у многих насекомых не удавалось
выявить прямого контакта поровых трубок с мембраной периферического
отростка рецепторной клетки (рис. 1в). Во-вторых, у многих насекомых в
обонятельных сенсиллах вообще нет поровых трубок, например, в некоторых
трихоидных одностенных и в двустенных сенсиллах. Кроме того, сам вопрос
о механизмах проведения молекул веществ к мембране периферического
отростка рецепторной клетки по-прежнему вызывал дискуссии. Согласно
гипотезы пассивного переноса молекулы одоранта после адсорбции на
поверхности кутикулярного отдела с помощью диффузии проникают через
поры и поровые трубки, а затем достигают рецепторов на мембране
периферического отростка рецепторной клетки [Kaissling, 1974]. При этом
допускалась возможность стекания попавших на кутикулу волоска молекул в
поры по тонкой липопротеиновой пленке, покрывающей кутикулу. Однако
некоторые экспериментальные данные свидетельствуют не в пользу данной
гипотезы. Молекулы одоранта, не попавшие сразу в поры, вряд ли имеют
какое-либо сигнальное значение, поскольку в противном случае трудно
объяснить
быстроту
реакции
насекомого
на
запаховый
стимул
[Скиркявичюс, 1986]. Более того, признание наличия сигнального значения у
молекул, адсорбированных поверхностью кутикулы антенны, значительно
усложняет объяснение механизма ориентации насекомых на источник запаха,
так как в этом случае насекомое должно воспринимать вещество даже если
оно – насекомое – будет находиться вне запахового следа. Не в пользу
гипотезы пассивной диффузии говорит и факт значительного расхождения
времени фактического формирования рецепторного потенциала в нейронах
сенсилл
тутового
шелкопряда
и
расчетного
времени,
исходя
из
коэффициента диффузии бомбикола [Steinbrecht, Kasang, 1972].
Вследствие этого некоторые авторы развивали гипотезу активного
переноса молекул одоранта к локусам мембраны рецепторной клетки [Norris,
1977]. По этой гипотезе, молекулы одоранта, попав через пору в полость
кутикулярного отдела сенсиллы, связываются с белковыми молекулами, с
помощью которых они активно транспортируются к мембране рецепторной
клетки. Первым фактом, подтвердившим перспективность развития данной
гипотезы было обнаружение в антенне бабочки Antheraea polyphemus белка,
который не обладал инактивирующими свойствами в отношении молекул
феромона, но был способен связываться с ними (Vogt, Riddiford, 1981).
В последние годы благодаря широкому использованию методов
молекулярной биологии в ликворной жидкости обонятельных сенсилл
насекомых (чешуекрылые, муха-дрозофила, комары, пчела медоносная) были
выделены
одорант-связывающие
белки
и
одорант-инактивирующие
ферменты, а в составе мембраны периферических отростков рецепторных
клеток идентифицированы обонятельные рецепторы [Fan et al., 2011; Leil,
2013].
Какую функцию поровым трубкам отводят исследователи в современной
схеме механизма восприятия одоранта? Ведь проводниковая функция, долгое
время рассматривавшаяся как основная для поровых трубок, выполняется
специальными белками. Вследствие неясности, сложившейся вокруг роли
поровых трубок в обонятельном процессе, последние часто просто
упоминаются наряду с порами, или вообще не отражены в схемах процесса
рецепции [см. рис. 1 в статье: Leal, 2013].
Однако игнорировать роль поровых трубок в обонятельном процессе
вряд ли возможно. Прежде всего пока не снят вопрос о том, каким образом
попадают молекулы одоранта к рецепторной мембране периферического
отростка нейрона в сенсиллах, у которых наблюдается контакт поровых
трубок с рецепторной мембраной? Дело осложняется тем, что поровые
трубки не полые, а их сердцевина заполнена аморфным материалом. Если
молекулы одоранта попадают в ликворную жидкость минуя поровые трубки,
то какую же функцию несут последние? У некоторых насекомых поровые
трубки расположены столь плотно, что практически полностью преграждают
свободное сообщение поры с полостью кутикулярного отдела (рис. 1 в,д). В
наибольшей степени это явление выражено в обонятельных сенсиллах
клещей, в порах которых имеется электронно-плотная бляшка, а поровые
трубки располагаются вокруг основания этой бляшки. Сходство материала
поровых трубок и поровой бляшки, а также расположение последней, дает
основание рассматривать поровую бляшку как дополнительный уловитель
молекул одорантов [Леонович, 2005]. Необходимость детального изучения
поро-трубчатой системы обонятельных сенсилл насекомых и других
членистоногих в контексте имеющихся новых данных о механизме рецепции
запаховых стимулов вполне очевидна. Знание молекулярных механизмов
рецепции стимулов различной модальности необходимо также для создания
высокочувствительных биосенсорных устройств (Варфоломеев и др., 2000), в
том числе и устройств, работающих в режиме реального времени, для определения
в атмосфере разнообразных химических соединений (Portable…, 2012).
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 13-04-00357-а).
Список литературы
1. Leal W.S. Odorant reception in insects: roles of receptors, binding proteins, and
degrading enzymes // Annu. Rev. Entomol. 2013. Vol. 58. P. 373-391.
2. Steinbrecht R.A. Pore structures in insect olfactory sensilla: a review of data and
concepts // Int. J. Insect Morphol. & Embryol. 1997. Vol. 26. No 3/4. P. 229-245.
3. Fan J., Francis F., Liu Y., Chen J.L., Cheng D.F. An overview of odorant-binding
protein functions in insect peripheral olfactory reception // Genetics and Molecular
Research. 2011. Vol. 10 (4). P. 3056-3069.
4. Чайка С.Ю. Морфофункциональная специализация насекомых-гематофагов. М.:
KMK Scientific Press, 1997. 426 с.
5. Чайка С.Ю. Закономерности морфологической и цитологической организации и
эволюции обонятельных сенсилл насекомых-гематофагов // Пробл. хим.
коммуникации животных. М.: АН СССР. Ин-т эволюц. морфол. и экол.
животных им. А.Н Северцова, 1991. С. 71-79.
6. Locke M. Permeability of insect cuticle to water and lipids // Science. 1965. Vol. 147.
P. 295-298.
7. Браун Г., Уолкен Дж. Жидкие кристаллы и биологические структуры. М.: Мир,
1982. 198 с.
8. Чандрасекар С. Жидкие кристаллы. М.: Мир, 1980. 344 с.
9. Kaissling K.E. Riechphysiologie Untersuchungen an Insekten // Mitteilungen aus der
Max-Plank-Geselschaft. Mϋnchen. 1974. N 3. S. 400—423.
10. Скиркявичюс А.В. Феромонная коммуникация насекомых. Вильнюс: Мокслас,
1986. 288 с.
11. Steinbrecht R.A., Kasang G. Capture and conveyance of odor molecules in an insect
olfactory receptor // Olfaction and Taste IV. Stuttgart. 1972. P. 193-199.
12. Norris D.M. A molecular and submolecular mechanism of insect perception of certain
chemical information in their environment // Comport. insect et milien trophique.
Colloq. Tours. 1976. Paris. 1977. P. 81-101.
13. Vogt R.G., Riddiford L.M. Pheromone binding and inactivation by moth antennae //
Nature. 1981. Vol. 293. P. 161-163.
14. Леонович С.А. Сенсорные системы паразитических клещей. СПб.: Наука, 2005.
235 с.
15. Smalyukh1 I. I. Liquid crystals enable chemoresponsive reconfigurable colloidal selfassembly // PNAS. March 2, 2010. Vol. 107 No. 9. P. 3945–3946.
16. Woltman S.J., Jay D.G., Crawford G.P. Liquid-crystal materials find a new order in
biomedical applications // Nat. Mater. 2007. Vol. 6. P. 929–938.
17. Варфоломеев С. Д., Евдокимов Ю. М., Островский М. А. Сенсорная биология,
сенсорные технологии и создание новых органов чувств человека // Вестник
Российской академии наук. 2000. Т. 70. № 2. С. 99-108.
18. Portable chemical sensors. Ed. by Nikolelis D.P. Springer Netherlands, 2012. 344 p.
E-mail: biochaika@mail.ru