Книга Чувства: Нейробиология сенсорного восприятия - Роб Десалл

Большинство биологов сразу бы ответили, что мускусный запах просто сталкивается с подходящим рецептором, с которым он взаимодействует по типу «замок – ключ» или, как иногда говорят, с помощью механизма «рука – перчатка». Как только молекула запаха попадает на рецепторный белок, изменяется трехмерная структура рецептора на конце белка, находящегося внутри клетки, что и запускает внутриклеточные реакции.

В свою очередь, биофизик Лука Турин сделал интересное и неортодоксальное предположение, что молекула одоранта (в нашем случае мускуса) действительно входит в рецепторный белок, но не меняет его структуру, а ведет себя совсем иначе. Идея Турина основана на вибрации молекул: электроны в атомах белка двигаются, и это необходимо для образования химической связи. Представьте себе химическую связь, где два атома делят один электрон. Электрон, перемещаясь от одного атома к другому, будет дергаться или вибрировать. Вибрационная теория предполагает, что молекула запаха, попадая в рецептор, изменяет вибрационные свойства белка. Это колебательное изменение переносит электрон на рецептор. Затем электрон перемещается от одного конца рецептора к другому, что становится причиной изменения вибрации рецептора. Перенос электронов или изменение частоты колебаний в конечном итоге запускает каскад действий внутри нервной клетки.

Некоторые исследователи и журналисты называют эту концепцию «теорией бесконтактной карты», противопоставляя ее более ортодоксальному механизму «замок – ключ», предпочитаемому многими учеными, занимающимися вопросами обоняния. На самом деле этой идее почти 150 лет. В 1869 году некий ученый выдвинул эту гипотезу в Scientific American – главном американском научно-популярном журнале того времени. Но заслуга Турина в развитии этой теории тоже неоспорима: возрождение идеи привело к разработке ряда разумных экспериментальных подходов. Результаты одних тестов подтверждают предположения, вытекающие из вибрационной гипотезы, других – нет. И, несмотря на то что все они наводят на размышления, их очень трудно интерпретировать, как отметили Лесли Вошалд и Андреас Келлер, поскольку эксперименты, подтверждающие вибрационную теорию, были оспорены. В 2015 году Эрик Блок с коллегами провел эксперименты со специфическими рецепторами – один на человеке, а второй на мыши, используя дейтериевый подход (см. вставку 6.2). Ученые взяли изотопомеры[15] мускусных запахов и проверили их на обонятельные различия. Различий обнаружено не было, а это противоречит вибрационной гипотезе.

Таким образом, вибрационная теория остается лишь интересной идеей, а вот теория «рука – перчатка», основанная на форме молекулы запаха и рецептора, кажется более аргументированной. Но независимо от того, какая теория победит – вибрационная, или соответствия формы, или, возможно, смесь обеих, – процесс при контакте запаха и рецептора один и тот же: в клетке происходит каскад взаимодействий белков, которые создают потенциал действия, возбуждая нервную систему. Этот импульс, в свою очередь, передает исходную информацию о запахе в мозг. Некоторые другие чувства имеют похожий механизм. Сам процесс называется сигнальной трансдукцией и включает в себя белковый комплекс, который я описываю в контексте другого хемосенсорного чувства – вкуса.

6.2 Проверка вибрационной теории

Для проверки вибрационной теории ученые разработали несколько очень толковых экспериментов. Все они основаны на использовании стабильного изотопа водорода – дейтерия, или тяжелого водорода. Ядро дейтерия состоит из протона и нейтрона, а ядро водорода содержит только протон. Химические соединения дейтерия по своим свойствам отличаются от аналогичных соединений водорода. Одно из отличий соединения, полученного при использовании дейтерия, заключается в вибрации молекулы. Заменив дейтерий на водород в молекуле одоранта, можно значительно изменить ее вибрационные свойства, сделав молекулу с дейтерием так называемым изотопомером, по свойствам которого можно определить и свойства соединений с водородом. Размер и форма молекулы при введении дейтерия вместо водорода остаются практически прежними, а колебательные свойства изменяются[16]. Если вибрационная теория верна, то вещество с дейтерием должно отличаться по запаху от вещества с водородом. А если принять за основу гипотезу формы, то оба вещества должны пахнуть одинаково, потому что формы молекул не меняются. В другом тесте надо было бы найти два запаха с одинаковыми вибрационными свойствами, но с разной формой молекул. В этом случае, если вибрационная теория верна, два вещества должны пахнуть одинаково, в отличие от теории формы, согласно которой оба вещества должны издавать разные запахи.

У вкуса гораздо меньше генов, кодирующих рецепторы в нашем геноме, чем у обоняния. У человека около четырехсот функциональных генов обонятельных рецепторов, на порядок меньше вкусовых. Однако это совсем не значит, что у нас узкий диапазон различаемых вкусов. Прежде чем оценить наши способности, важно понять, как небольшие молекулы, которые производят вкус, взаимодействуют со вкусовыми рецепторами. Порой совсем не так, как запахи.

Клетки, определяющие вкус (большинство из них), представляют собой довольно сложные объекты. Их мембраны усеяны мелкими молекулами, в том числе рецепторными белками, о которых мы уже говорили. Многие из этих белков надежно закреплены в мембране с помощью различного количества петель белка, сшивающих клетку. Другой вид встроенного в мембрану белка называется ионным каналом. Этот белок полностью оправдывает свое название, транспортируя ионы (атомы с электрическими зарядами), расположенные снаружи, внутрь клетки и наоборот. Есть и другие белки, встроенные в мембрану, но они не так важны для распознавания вкуса или запаха. Внутри клетки обязательно есть ядро и другие органеллы, которые поддерживают ее работу: митохондрии, вырабатывающие энергию, и эндоплазматический ретикулум, где синтезируются белки. А еще в этих клетках есть везикулы – небольшие тела, или мешочки, которые собираются в той части, где нервный импульс передается нейрону для последующего соединения с мозгом. Везикулы переполнены нейротрансмиттерами – маленькими молекулами, являющимися неотъемлемой структурой для передачи электрических сообщений от одной клетки к другой. Эти электрические сообщения называются потенциалами действия.

В главе 4 мы обсуждали, что вкусовые рецепторы распознают пять главных вкусов: соленый, сладкий, горький, кислый и умами. Распознавание каждой категории происходит благодаря разным небольшим молекулам или даже их частям, называемым ионами. Например, в составе поваренной соли (хлорида натрия, или NaCl) два компонента: атом натрия, у которого отсутствует электрон, и атом хлора, у которого отсутствует позитрон, благодаря чему атом натрия заряжен положительно (Na+), а атом хлора – отрицательно (Cl-)[17]. Два иона свободно соединены посредством довольно слабой общей ионной связи. Мы чувствуем соленый вкус, когда положительно заряженный ион металла, входящий в состав соли (в случае поваренной соли это Na+), проходит через мембрану вкусовых клеток по ионному каналу, рассмотренному выше. Когда соль, например хлорид натрия, скапливается вокруг вкусовых сосочков, их внешние клетки насыщаются ионами Na+. Ионы Na+ быстро транспортируются через мембрану клетки по ионному каналу, который представляет собой небольшую порообразную «машину», перекачивающую ионы через мембрану. Когда в нервной клетке скапливается необходимое количество ионов Na+, происходит так называемая деполяризация, в процессе которой клетка засасывает по ионным каналам кальций. Атомы кальция[18] дважды положительно заряжены (Ca++), и они заставляют везикулы выпустить наружу содержимое. Множество молекул (они называются нейротрансмиттерами) выходит в пространство между вкусовыми клетками и прилегающими к ним нервными клетками, называемыми синапсами. Клетка должна как бы «перезагрузиться», то есть освободиться от всех положительных ионов внутри, поэтому, как только пузырьки сделали свою работу, ионные каналы возвращают весь калий внутрь клетки. Ионы калия (K+) заряжены положительно, и из-за этого сбрасывается заряд[19] внутри вкусовой клетки, создавая электрический заряд, или потенциал действия, который снова побуждает нервную систему к действию. Распознавание кислого вкуса происходит аналогично соленому[20].