13. Кислая Анастасия и Зурина Ирина , 11 ЕМ класс, Лицей

13.
Генетические основы распознавания запахов
Анастасия Кислая и Ирина Зурина, 11 ЕМ класс
Научный руководитель: Н.И. Диканова, преподаватель химии
Американские ученые Ричард Аксель и Линда
Бак удостоены Нобелевской премии в области
физиологии и медицины за исследование органов
обоняния. Они разобрались, как работает наша
обонятельная система - в частности, каким образом
человек запоминает до 10 тысяч различных оттенков
запахов. Как сообщает официальный сайт
Нобелевского комитета, ученые обнаружили целое
семейство генов (около тысячи, что составляет 3% от
общего числа генов человеческого организма), которые
отвечают за такое же количество типов обонятельных рецепторов. Эти рецепторы
находятся в специальных клетках, которые расположены в верхней части носового
эпителия. Они-то и обнаруживают вдыхаемые молекулы пахучих веществ.
Каждая обонятельная клетка содержит рецепторы одного типа, которые могут
различать ограниченное число пахучих веществ. Таким образом, каждый обонятельный
рецептор узко специализирован для восприятия всего нескольких запахов. Обонятельные
клетки носа посылают сигнал в обонятельный центр мозга, где также существуют
специализированные области для разных классов запахов. В других участках мозга
информация из различных областей объединяется, формируя образец. Благодаря этому
механизму мы можем осознать запах весенней сирени, а позже вызвать это обонятельное
воспоминание.
Ричард Аксель и Линда Бак в 1991 году опубликовали совместное
фундаментальное исследование "обонятельного" семейства генов. Однако с тех пор они
стали работать независимо друг от друга, описывая принципы работы обонятельной
системы.
В серии своих публикацией они дали ответ на старую загадку – как нос различает
такое колоссальное количество запахов. Оказалось, что механизм обоняния у
млекопитающих работает по комбинаторному принципу, т.е. идет процесс распознавания
и переработки сигналов запаха. Вместо выделения отдельного рецептора под каждый
специфический запах система обоняния использует «рецепторный алфавит», что
выливается в специфический ответ на запах, перерабатываемый в нейронах мозга.
Как в языке или музыке, с целью резкого снижения числа рецепторов до реально
необходимого количества система обоняния, по-видимому, использует комбинацию
рецепторов (аналог словам или музыкальным нотам, или коду компьютерной программы),
что, тем не менее, позволяет ей передавать широкую гамму ароматов. Как и в
генетическом коде, где четыре нуклеотида (аденин, цитозин, гуанин и тимин) позволяют
создавать почти бесконечное число комбинаторных последовательностей генов,
обонятельная система млекопитающих также использует комбинаторный подход. Первым
подтверждением этого стали результаты работы Л. Бак и ее соавторов. Когда запах
возбуждает нейрон, сигнал передается по аксону в обонятельную луковицу. Эта
структура, расположенная в самой передней части мозга, является центром обмена
информацией о запахе. Из обонятельной луковицы сигналы ретранслируются в высшие
отделы коры головного мозга, где они обрабатываются, после чего в лимбической системе
генерируются соответствующие эмоции.
В указанной выше работе отдельные нейроны мыши обрабатывались набором
одорантов, и с помощью метода, позволяющего получать изображение ионов кальция,
исследователи могли видеть, какие нервные клетки стимулируются в ответ на конкретный
одорант. Когда молекула одоранта связывается со своим рецептором, нервные клетки
реагируют на это открытием кальциевых каналов, при этом поток ионов кальция
направлен внутрь клетки. Затем этот поток преобразуется в электрический ток,
передаваемый по аксону как нервный сигнал.
Разработанный метод позволяет количественно измерять поток кальциевых ионов.
С его помощью показано, что: 1) каждый отдельный рецептор может распознавать много
одорантов; 2) в свою очередь, отдельный одорант, как правило, распознается многими
рецепторами; 3) разнообразные одоранты распознаются различными комбинациями
рецепторов, что указывает на то, что обонятельная система использует комбинаторную
схему кодирования запахов.
Эти результаты объясняют, как может 1000 (или около того) рецепторов различать
многие тысячи разнообразных ароматов. Л. Бак и ее коллеги показали также, что даже
небольшие изменения в химической структуре одоранта приводят к активизации
различных комбинаций рецепторов. Именно поэтому запах октанола навевает мысли о
цитрусовых ароматах, а запах сходного соединения, октановой кислоты, скорее
напоминает запах пота. Было также обнаружено, что большие количества вещества
связываются с бóльшим репертуаром рецепторов по сравнению с малым количеством
этого же вещества. Это объясняет вариации восприятия одного и того же вещества, если
его концентрации существенно различаются, например, индол при высокой концентрации
пахнет гнилью, в то время как его легкое дуновение ощущается как аромат цветов