Характеристика вкусовой сенсорной системы: функции анализатора, особенности анализатора вкуса, механизм вкусовой рецепции
Вкусовая сенсорная система и ее особенности
Функции анализатора вкуса и вкусовые ощущения
Вкус нередко называют контактным видом чувствительности. Вот какое существует определение вкуса.
Вкус — мультимодальное ощущение, которое основывается на химических, механических, термических и обонятельных раздражителях в совокупности.
Вкусовой анализатор отличается рядом важных функций. Среди них:
Важно отметить первичные вкусовые ощущения. Каждая часть языка воспринимает определенный вкус:
Порог вкусовой чувствительности и вкусовые расстройства
Концентрация веществ, воздействующих на вкусовые рецепторы, определяет порог вкусовой чувствительности. Рецепторы, отвечающие за горький вкус, имеют наименьший порог вкусовой чувствительности.
Если какое-либо вещество регулярно и длительно воздействует на вкусовые рецепторы, то в последствии они к нему адаптируются. Например, если постоянно есть острое, соленое или кислое, то порог чувствительности к такой еде повысится. Важно обозначить, что к соленому и сладкому рецепторы адаптируются быстрее, чем к кислому и горькому.
Вкусовая чувствительность может меняться. Такое происходит при определенных состояниях организма: во время беременности, голодания и других.
Повышение порогов вкусовой чувствительности происходит при курении и употреблении алкоголя.
Есть и определенные вкусовые расстройства:
Морфологические характеристики анализатора вкуса
Рецепторы вкуса — это клетки, которые располагаются во вкусовых почках (их еще называют луковицами). Последние, в свою очередь, находятся на:
Всего существует около 9 тысяч вкусовых почек. Каждая вкусовая почка насчитывает 40-60 рецепторных клеток, а также опорных и базальных клеток. Вещества, участвующие в формировании вкуса — гистамин и серотонин — вырабатывают определенные клетки из этого же числа.
Орган вкуса — совокупность вкусовых почек.
Есть несколько типов вкусовых почек:
Среди вкусовых почек есть почки, представляющие собой полимодальные образования: они воспринимают разные варианты вкусовых раздражителей.
Вот как выглядит строение вкусового анализатора
Механизм вкусовой рецепции
После того как вкусовое вещество попадает в полость рта, с ним происходит следующее:
На микроворсинке есть стереоспецифические участки, воспринимающие определенные молекулы вещества. В результате клеточная мембрана деполяризуется, а рецепторный потенциал вырабатывается.
Вкусовые почки содержат внутри себя нервные волокна, которые образуют рецепторно-афферетнные синапсы.
Передача нервного импульса происходит по проводящим путям — они представлены волокнами барабанной струны (лицевой нерв), черепно-мозговыми нервами в продолговатый мозг (языкоглоточным и верхнегортанным).
Нервные волокна из продолговатого мозга следуют к вентральным ядрам зрительного бугра. После этого они направляются в кору больших полушарий — гиппокамп и латеральную часть постцентральной извилины.
Вкусовые почки содержат афферентные и эфферентные нервные волокна. Они подходят к вкусовым клеткам из центральной нервной системы.
Это позволяет вкусовому анализатору быть включенным в целостную деятельность организма.
Вкусовые рецепторы: съедобное – несъедобное
Человеческий организм познает окружающую среду органами чувств. С рождения мы чувствуем запах, слышим различные звуки, видим разноцветные предметы, ощущаем тепло или холод, выбираем, что вкусно, а что – нет. За это в нашем организме отвечают обоняние, осязание, зрение, слух, чувство равновесия и положения в пространстве (вестибулярный аппарат).
Согласно научному определению, органы чувств – это специализированная периферическая анатомо-физиологическая система, обеспечивающая, благодаря своим рецепторам, получение и первичный анализ информации из окружающего мира и от других органов самого организма, то есть из внешней среды и внутренней среды организма. Познавая окружающий мир через органы чувств, мы не просто получаем информацию, но и программируем её на дальнейшее восприятие, которое откладывается в подсознании человека. Поговорим сегодня об органе вкуса (нашем языке).
Физиологией заложено, что благодаря вкусовым рецепторам (нервные окончаниям) на языке мы можем различать, где сладкое, горькое, соленое, кислое, горячее и холодное. Эта информация передается в центральную нервную систему, где вырабатывается ответный сигнал о вкусовой характеристике пищи. В человеческом организме зафиксировано около 8000 вкусовых рецепторов. Каждый из них имеет комплекс рецепторных клеток, которые могут выделить любой из пяти основных вкусов. Эти сигналы движутся к мозгу двумя черепно-мозговыми нервами, один из которых расположен на задней части языка, а другой – на кончике. Таким путем человек может различать любой вкус.
Строение вкуса
Наши вкусовые рецепторы расположены на поверхности языка внутри слизистых листообразных оболочек (вкусовых сосочков). При попадании пищи на язык эти оболочки получают раздражение, в ходе которого и появляется сам вкус еды, и его мы можем различать.
Строение вкусовых рецепторов на языке
На окончаниях вкусовых клеток расположены 40-50 тоненьких микроворсинок. Пищевые продукты раздражают ворсинки рецепторов. Появившиеся сигналы передаются по нервным волокнам в определенные отделы головного мозга. Сладкий и солёный вкусы определяются кончиком языка, кислый – по бокам, горький – на средней части спинки языка. Тем не менее все вкусовые рецепторы распределены по всей поверхности языка и отличаются лишь плотностью распределения.
В одной вкусовой оболочке расположено от 3 до 100 рецепторов. Не все оболочки выглядят одинаково. Они могут иметь различные размеры. Это потому, что у человека на языке расположены четыре типа вкусовых оболочек. Центр языка занимает самое большое количество маленьких и тонких оболочек. Они называются нитевидными и не содержат вкусовых рецепторов. Спереди и по бокам языка — маленькие круглые, похожие на крапинки. Это грибовидные вкусовые оболочки, в которых находятся в основном по 3-5 вкусовых рецепторов. Чтобы рассмотреть остальные два типа оболочек, придется постараться. На самой задней части языка, в районе миндалин, можно заметить несколько выступов по бокам. Это листовидные сосочки. А вот ближе к нёбному язычку расположены большие, круглые вкусовые оболочки. Они называются желобовидными. Каждый из этих двух типов содержит более 100 вкусовых рецепторов.
Что такое вкусовая сенсорная система?
Определение вкусовая сенсорная система понимается как вкусовой раздражитель. Как люди узнали о имеющихся в организме вкусовых раздражителях? Собственно, вкусовые рецепторы, как и обонятельные, – это хеморецепторы, и необходимы они для того, чтобы отслеживать химический состав окружающей среды. Мы привыкли определять вкус как контактное чувство: действующие на вкусовые рецепторы языка молекулы находятся в каком-либо растворе или пище. Обонятельные рецепторы работают дистанционно, и молекулы химических веществ определяются потоком воздуха.
Согласно исследованию вкуса у насекомых Минниха и Детье были проведены опыты вытягивания хоботка у бабочек и мясных мух. Опыт показал следующее: в процессе стимуляции верхняя губа выдвигается вперёд, когда волоски соприкасаются с жидкостью.
Бабочка в ходе опыта
Строение приёма пищи у насекомых
Рецептор сахара может по-разному реагировать, а частота стимуляции возрастает с увеличением концентрации сахара. Получается, что растительноядные насекомые и гусеницы имеют рецепторы, чувствительные к химическим веществам, содержащимся в растительной пище.
Куда пропадает вкус?
При полной или частичной потере вкуса человеку сложно принимать в рацион продукты питания и различать их по вкусовым рецепторам. Медики разделяют нарушение вкуса на три основных типа. Первый тип – обострение вкусового чувства (гипергевзия), для которого характерно возникновение вкусового ощущения высокой интенсивности, несоразмерной с обычным уровнем. Второй тип – снижение остроты вкусового ощущения (гипогевзия). Это состояние характеризуется возникновением вкусового ощущения малой интенсивности. Здесь может произойти и агевзия – полное отсутствия вкуса. И третий тип – извращение вкусового ощущения, или дисгевзия. При этом, например, раздражение рецепторов, в норме отвечающих за развитие чувства сладкого, приводит к возникновению другого чувства – острого, горького, соленого. Типы нарушения вкуса могут сопровождаться как вместе, так и по отдельности.
Осмотр врача-оториноларинголога
Основная причина нарушения вкуса, как считают специалисты, кроется в изменениях слизистой оболочки рта и языка. Это может сильно повлиять на работу вкусовых сосочков или сигнала доставки химического вещества к ним. Инфекционные процессы или признаки дефицита питательных веществ – оба влияют на изменение слизистой в организме. Для нормальной работы вкусовых рецепторов должно происходить полное растворение химических раздражителей в слюне. Так как вкусовое ощущение напрямую связано с обонянием, то следует быть крайне осторожными тем людям, у которых острый и хронический ринит (воспаление слизистой оболочки носовой полости).
Сегодня всем известно, что одним из основных симптомов заболевания COVID-19 становится частичное или полное отсутствие вкуса и запаха. Это может происходить не сразу, а спустя некоторое время, когда вирус начинает поражать организм. Но к людям, у которых ранее не возникала проблема со вкусовыми рецепторами, достаточно скоро возвращаются все запахи вкусы. А при длительных нарушениях следует обратиться к специалисту, советуют врачи.
Ещё один немаловажный факт, который следует запомнить – вкусовые ощущения могут меняться или полностью исчезать при повреждении нервов и центров головного мозга, относящихся к вкусовому анализу. Некоторые изменение вкусового восприятия могут наблюдаться и при психических расстройствах.
Материал подготовлен на основе открытых источников.
Источник изображения в тексте на главной странице.
Анатомия вкуса: как работают наши вкусовые рецепторы
Это перевод статьи из блога «Decoding delicious» о том, как формируется вкусовое впечатление в том числе от кофе
5 мин. на чтение
118929 просмотров
Делимся переводом статьи про анатомию вкуса. Она поможет понять, как формируется вкусовое впечатление и почему в оценке кофе важен не только вкус, но и тело, запах и температура.
Вкусовые сосочки: из чего состоит поверхность языка
Если внимательно посмотреть на язык, мы увидим, что он как будто покрыт маленькими «пупырышками». Кажется, что это и есть наши вкусовые рецепторы. Но на самом деле это вкусовые сосочки. Рецепторы намного меньше: в одном вкусовом сосочке — от 3 до 100 рецепторов.
Вкусовые сосочки языка
Обратите внимание, что некоторые сосочки выглядят иначе, чем другие. Это потому что у нас на языке четыре типа сосочков. В центре языка — множество маленьких, тонких сосочков. Они называются нитевидными и не содержат вкусовых рецепторов. Спереди и по бокам языка — маленькие круглые сосочки, похожие на крапинки. Это грибовидные сосочки — они обычно содержат по 3–5 вкусовых рецепторов.
Увидеть другие два типа гораздо сложнее. Посмотрите на самую заднюю часть языка — туда, где расположены миндалины. Возможно, вам удастся разглядеть несколько выступов по бокам. Это листовидные сосочки. А ближе к небному язычку расположены большие, круглые вкусовые сосочки. Они называются желобовидными. Каждый из этих двух типов содержит более 100 вкусовых рецепторов.
Сладкий, горький, солёный. Правда ли, что разные части языка отвечают за разные вкусы?
Глядя на расположение сосочков на языке, мы вспоминаем уроки биологии, на которых изучали карту языка. Она показывает области, которые отвечают за распознавание разных вкусов — соленого, сладкого, кислого, горького и острого. Но не все так просто: карта языка — это миф! Каждый вкусовой рецептор, независимо от расположения, может распознавать все пять вкусов.
Карта языка — это миф: каждый вкусовой рецептор распознает все пять вкусов
Структура вкусовых рецепторов: как мозг получает сигнал о вкусе
Давайте поближе рассмотрим вкусовой рецептор. Он состоит из двух типов клеток — вкусовых, которые выполняют основную работу по распознаванию вкуса, и вспомогательных. Над каждым вкусовым рецептором расположена вкусовая пора — отверстие, в которое проникают молекулы еды для взаимодействия со вкусовыми клетками.
Каждая вкусовая клетка имеет вкусовой волосок. Когда он соприкасается с молекулой пищи, клетка посылает мозгу импульс: обнаружен вкус! Импульс проходит через черепной нерв, который соединяет вкусовые рецепторы с мозгом.
Каждый вкусовой рецептор содержит 30–50 вкусовых клеток. Это означает, что ваш мозг одновременно обрабатывает тысячи сигналов от вкусовых рецепторов. Он берет информацию, которую посылают рецепторы, и сравнивает с воспоминаниями о вкусах, которые вы когда-либо ощущали. Именно так мозг распознает, что именно вы едите.
Существует всего пять вкусов — сладкий, соленый, кислый, горький и умами. Все остальное ваши вкусовые рецепторы попросту игнорируют. Но мы знаем, что вкусовые впечатления нельзя уместить в пять определений. И в этом случае пора вспомнить про запах и ощущения во рту.
Хрустящий, сочный, тягучий: как ощущение пищи во рту влияет на восприятие вкуса
Когда мы говорим «вкусно», наш мозг на самом деле оценивает не только вкус, но и множество других факторов. Текстура, влажность, температура, жирность — это лишь часть того тактильного опыта, который мы получаем во время жевания или глотания. Вы не станете есть отсыревшую гранолу, пить теплую газировку или угощать друзей засохшим печеньем. Даже если вкус блюд остался тем же, общее впечатление будет негативным.
Как запах влияет на восприятие вкуса
Во время жевания и глотания вы ощущаете запахи даже той пищи, которая уже у вас во рту. Все они поступают в носовую полость, где расположены обонятельные клетки. Эти клетки работают так же, как и вкусовые рецепторы — но отвечают за восприятие запаха, а не вкуса. У них тоже есть крошечные волоски, которые при контакте с запахом посылают мозгу сигнал через обонятельный нерв.
Взаимодействие обонятельных клеток с запахами
В отличие от вкусовых, обонятельные клетки могут различать тысячи разных ароматов — от мясного до фруктового. Получается, что практически каждый компонент нашего вкусового впечатления, кроме пяти известных вкусов, — это на самом деле запах. Поэтому он так важен в восприятии вкуса. Это также объясняет, почему при заложенном носе пища кажется безвкусной.
Действительно ли мы едим «на автомате»?
Нам кажется, что во время приема пищи активна только наша пищеварительная система, но это не так. Наш мозг проделывает огромную работу. А работает он в тандеме с вкусовыми и обонятельными рецепторами — именно они помогают нам распознавать вкусы. Благодаря сложной анатомии мы помним любимые лакомства из детства и можем наслаждаться блюдами в кафе.
Вам может быть интересно:
Чем ферментация кофе отличается от ферментации других продуктов
11 окт 2021 · 8 мин. на чтение
118929 просмотров
Клеточные механизмы восприятия вкуса
Об авторе
Роман Александрович Романов — доктор биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории молекулярной физиологии клетки Института биофизики клетки РАН (Пущино, Московская обл.). Научные интересы связаны с механизмами афферентной нейропередачи во вкусовых клетках.
Рис. 1. Вкусовая система [1]
Строение периферического отдела вкусовой системы
Рис. 2. Схематическое изображение вкусовой почки [1]
Этот отдел включает более 5000 особых образований — сосочков разной формы: грибовидных (они находятся в передней части языка), желобовидных (в его корневой доли) и листовидных (по бокам). Уже на этом уровне проявляется определенная, хотя и неполная, специализация. Так, основная информация о сладком приходит в мозг прежде всего от грибовидных сосочков, тогда как о горьком — от желобовидных, а о кислом и соленом — от листовидных. Вкусовые сосочки состоят из почек (в общей сложности их во рту около 10 тыс.) — ассоциатов из 50–100 выстроенных подобно долькам апельсина специализированных клеток вытянутой формы (рис. 2). Они обладают многими свойствами нейронов, такими как способность к генерации потенциалов действия (волн возбуждения, возникающих, как правило, при деполяризации мембраны, изменении ее потенциала в сторону положительных значений) и образование синапсов (мест контакта между двумя клетками). Но, несмотря на наличие признаков электровозбудимых тканей, вкусовые, как и сенсорные клетки органов слуха и равновесия, развиваются из эпителия. Сама вкусовая почка не достигает поверхности слизистой оболочки языка, в полость рта выходит только пора, через которую растворенные в слюне вещества контактируют со вкусовыми клетками. Их наружная часть представлена микроворсинками с расположенными на них рецепторами — главными участниками процессов распознавания, усиления и преобразования пищевых сигналов. Рецепторы микроворсинок при связывании своих лигандов (веществ, специфически соединяющихся с рецептором) запускают каскад биохимических реакций во вкусовой клетке, которая в ответ высвобождает нейромедиатор (химическое вещество, передающее электрический сигнал на нервное волокно), стимулирующий вкусовой нерв. И в итоге в мозг уходят электрические импульсы, несущие информацию об интенсивности и разновидности воздействия.
Среди вкусовых клеток выделяют как минимум три типа: темные (I), так как они интенсивно окрашиваются на ультратонких срезах, светлые (II) и промежуточные (III). Апикальная часть, непосредственно контактирующая с ротовой полостью, обычно богата микроворсинками (исключение составляют клетки III типа, у них только одна микроворсинка) и несет метаботропные рецепторы (вызывающие изменения в клеточном метаболизме после связывания со своими лигандами), сопряженные с G-белками, ионные каналы и другие сигнальные белки. Базальная часть, не имеющая доступа ко вкусовым веществам, отвечает за связь с афферентными и эфферентными (проводящими возбуждение от органов и тканей в центральную нервную систему и наоборот) нервными окончаниями и, возможно, с другими рецепторными клетками вкусовой почки. Апикальные части всех трех типов клеток соединены друг с другом окружающими их плотными контактами — белковыми образованиями, которые выглядят как пояс из переплетающихся нитей и служат барьером для диффузии вкусовых веществ. Средняя продолжительность жизни вкусовой клетки не превышает 10 дней.
Функциональные типы вкусовых клеток
В 2000-х годах во вкусовых клетках удалось идентифицировать ряд важных белков, а главное, определить их роль в восприятии стимулов той или иной модальности. Были открыты и молекулярные рецепторы горьких и сладких веществ, принадлежащие разным семействам. Сейчас известно около 30 членов семейства T2R (Taste Receptors), специфичных для вкусовых клеток метаботропных G-белковых рецепторов, которые чувствительны к горькому [2]. Их области, находящиеся вне клетки (это потенциальные сайты связывания с лигандами), т. е. экспонированные в ротовую полость, сильно различаются аминокислотной последовательностью, а остальная часть этих молекул высококонсервативна. В одной клетке у млекопитающих одновременно работает множество T2R-рецепторов для различных горьких веществ, действующих на одни и те же элементы внутриклеточного сигнального каскада. Вот почему среди горького не существует различающихся «подвкусий», все горькое ощущается одинаково. Совсем иначе воспринимается сладкое — углеводы, белки и аминокислоты, синтетические соединения. Все они возбуждают один-единственный рецептор, который обладает очень большой внеклеточной частью с множеством аллостерических центров, связывающих сладкие вещества [3]. Этот универсальный для всего спектра сладкого рецептор формируется двумя белками из другого специфического для вкусовых клеток семейства — T1R, в результате образуется димер T1R2+T1R3.
С помощью электронной микроскопии, иммуногистохимии и РНК-гибридизации in situ в популяции вкусовых клеток того или иного типа постепенно были идентифицированы различные белки, участвующие в кодировании (переводе интенсивности и длительности раздражения в электрический импульс) вкусовых стимулов. Благодаря этому удалось выявить физиологические функции клеток и понять, что их типы отличаются не только морфологически, но и функционально (рис. 3). Выяснилось, что клетки II типа подразделяются на самом деле на три отдельные группы, ответственные за восприятие горького (T2R), сладкого (димеры T1R2+T1R3) и умами (димеры T1R1+T1R3). Однако для всех трех групп общей остается система внутриклеточной сигнализации, запускаемая в ответ на вкусовую стимуляцию. Каскад реакций включает активацию G-белка гастдуцина и фосфолипазы С β2, увеличение концентрации кальция в цитозоле и открытие кальций-зависимого ионного канала TRPM5, влекущее за собой деполяризацию мембраны [4]. Вкусовые клетки III типа ответственны за восприятие кислого, поскольку именно в них функционирует pH-активируемый ионный канал PKD2L1. Это удалось доказать в экспериментах на генетически модифицированных мышах — они теряли чувствительность к кислому в отсутствие клеток, экспрессирующих PKD2L1 [5]. Клетки I типа, с одной стороны, выполняют функции глиальных (создающих специфическое микроокружение для нейронов) и отчасти сходны с ними морфологически — имеют отростки, правда, крыловидные. Последние создают физические барьеры между клетками вкусовой почки и предотвращают вытекание нейромедиатора из пространства с нервными окончаниями. Более того, на плазматической мембране клеток I типа есть характерный для глии белок — транспортер глутаминовой и аспарагиновой аминокислот (GLAST — GLutamate ASpartate Transporter), а также внеклеточный фермент эктоапираза 2, или эктонуклеозидтрифосфатдифосфогидролаза (E-NTPDase — EctoNucleoside TriPhosphate Diphosphohydrolase) [6, 7]. Они утилизируют молекулы глутамата и АТФ, появляющиеся в межклеточном пространстве вкусовой почки в процессе акта нейропередачи. Считается, что АТФ высвобождается вкусовыми клетками при их стимуляции, а глутамат — эфферентными нервными окончаниями, которые регулируют работу вкусовой почки. С другой стороны, клетки I типа участвуют в рецепции соленого, так как именно в них функционируют эпителиальные натриевые каналы (ENaC — Epithelial Na + Сhannel), блокируемые диуретиком амилоридом, а соленое восприятие им в значительной степени регулируется.
Рис. 3. Морфофункциональные типы клеток вкусовой почки. Клетки I типа выполняют функции глиальных, так как они имеют аминокислотный транспортер GLAST и эктоапиразу NTPDase-2, и участвуют в рецепции соленого за счет натриевых каналов ENaC. Клетки II типа подразделяются на три группы, ответственные за восприятие горького (благодаря семейству рецепторов T2R), сладкого (участвуют димеры T1R2+T1R3) и умами (обеспечивается димерами T1R1+T1R3). Клетками III типа воспринимается кислое за счет pH-активируемых ионных каналов PKD2L1
Афферентная нейропередача во вкусовых клетках
Как же вкусовые клетки разных типов передают информацию на нервные окончания? Обычно нейропередача происходит благодаря синаптическим пузырькам, наполненным афферентным нейромедиатором. При слиянии с клеточной мембраной (кальций-зависимом экзоцитозе) они высвобождают свое содержимое в межклеточное пространство, возбуждая близлежащее нервное окончание. За открытие молекулярных основ везикулярного транспорта Джеймсу Ротману, Ренди Шекману и Томасу Зюдофу в 2013 г. была присуждена Нобелевская премия по физиологии или медицине. Однако только в клетках III типа, распознающих кислое, имеются синаптические пузырьки и другие атрибуты классических химических синапсов, включая белки комплекса SNARE (они осуществляют экзоцитоз) и потенциал-зависимые кальциевые каналы (благодаря которым процесс экзоцитоза запускается). Ранее, кстати, из-за того что образование синапсов с афферентным нервным окончанием присуще лишь клеткам III типа, они ошибочно рассматривались как единственные истинно рецепторные. Кислые вещества вызывают открытие ионных каналов PKD2L1 и других протон-чувствительных каналов клеток III типа. Входящий ток (обусловленный поступлением в клетку ионов) приводит к деполяризации мембраны выше критического уровня и к генерации серии потенциалов действия, частота которых зависит от силы тока, пропорционального, в свою очередь, концентрации протонов во вкусовой поре. Это влечет за собой активацию потенциал-зависимых кальциевых каналов и вход кальция в клетку. Повышение его концентрации в цитозоле запускает экзоцитоз синаптических пузырьков и высвобождение нейромедиатора серотонина на вкусовое нервное окончание. Таким образом, нейропередача клетками III типа осуществляется вполне традиционным способом (рис. 4).
Рис. 4. Нейропередача вкусовыми клетками III типа. Кислые вещества вызывают открытие ионных каналов PKD2L1 и других протон-чувствительных каналов клеток III типа. Входящий ток (обусловленный поступлением в клетку ионов) приводит к деполяризации мембраны выше критического уровня и генерации серии потенциалов действия, частота которых зависит от силы тока, пропорционального, в свою очередь, концентрации протонов во вкусовой поре. Это влечет за собой активацию потенциал-зависимых (ПЗ) кальциевых каналов и вход кальция в клетку. Повышение его концентрации в цитозоле запускает экзоцитоз синаптических пузырьков и высвобождение нейромедиатора серотонина на вкусовое нервное окончание
Сложнее и запутаннее обстоит дело с другими клетками. Синаптических контактов с нервными волокнами клетки I типа не формируют. Считается, что их основная функция во вкусовой почке — поддерживающая, вспомогательная. Поэтому механизм, используемый ими для передачи в мозг информации о соленом, до сих пор не исследован. До недавнего времени также совершенно неизученными оставались механизмы афферентной нейропередачи во вкусовых клетках II типа. Хотя это основные рецепторные клетки для горького, сладкого и умами, в них отсутствуют синаптические структуры (включая белки комплекса SNARE и потенциал-зависимые кальциевые каналы). Еще одна проблема заключается в том, что клетки II типа электрически возбудимы, но, поскольку они не образуют классических синапсов, совершенно непонятно, для чего ими генерируются потенциалы действия. Афферентным нейромедиатором, передающим информацию о вкусе от этих клеток, оказался АТФ. Уже более 20 лет известно, что АТФ — это не только макроэргическая молекула, универсальный источник энергии для различных биохимических и физиологических процессов, но и внеклеточный лиганд множества рецепторов [8]. В качестве нейромедиатора АТФ, например, участвует в болевой чувствительности (многие знают не понаслышке, что подкожные инъекции АТФ весьма болезненны). В 2005 г. группа исследователей установила, что афферентные нейроны мышей, у которых были одновременно инактивированы гены, кодирующие АТФ-рецепторы P2X2 и P2X3, перестают отвечать на вкусовые стимулы всех модальностей, а реакции таких животных на сладкое, горькое и умами сильно снижены [9]. Это свидетельствовало о роли АТФ в качестве вкусового нейромедиатора и подтверждало наблюдение, что горькие вещества вызывают секрецию АТФ из языкового эпителия. Возникло предположение, что цепь событий, приводящих к выбросу нейромедиатора и возбуждению вкусового нерва в ответ на горькое, сладкое и умами, должна включать — как необходимые этапы — активацию ионного канала TRPM5 (согласно данным по генетическому нокауту и свойствам рекомбинантного, т. е. полученного с помощью генной инженерии, канала) и клеточную деполяризацию. Значит, выброс клеткой нейромедиатора, АТФ, должен стимулироваться деполяризацией мембраны. Связь ответа на горькое и деполяризации уже наблюдали ранее в экспериментах со стимуляцией вкусовых клеток смесью двух горьких веществ — циклогексимида и денатония.
Мы проверили способность вкусовых клеток, выделенных из языка мыши, высвобождать АТФ в ответ на деполяризацию мембраны. В экспериментах мы одновременно управляли электрической активностью клеток и измеряли концентрацию кальция в АТФ-биосенсорах. В качестве последних использовались клетки линии COS-1, загруженные кальциевым индикатором Fluo-4. Они проявляют уникально высокую чувствительность к АТФ в среде, генерируя внутриклеточные кальциевые ответы (т. е. флуоресцируя под микроскопом) при концентрациях АТФ от 50 нМ, и крайне низкую чувствительность к ряду других нейромедиаторов, ранее идентифицированных во вкусовой почке. Типы вкусовых клеток мы различали по их электрофизиологическим свойствам (форме ионных токов, генерируемых в ответ на ряд последовательных, ступенчатых поляризаций от −100 до 50 мВ), которые регистрировались непосредственно в ходе эксперимента [10–12]. Вкусовые клетки II типа при потенциале покоя (мембранном потенциале невозбужденной клетки, т. е. разности электрических потенциалов на внутренней и наружной сторонах мембраны) в диапазоне −70. −40 мВ не вызывали в клетках линии COS-1, расположенных рядом, никаких кальциевых ответов. Но деполяризация клеток II типа до потенциала −10 мВ и выше вызывала повышение концентрации кальция в клетках COS-1 с задержкой от 3 до 10 с — в зависимости от расстояния между вкусовой клеткой и АТФ-биосенсором (рис. 5). Подавление флуоресценции АТФ-биосенсора в присутствии ингибитора АТФ-рецепторов сурамина подтвердило, что нейромедиатором, высвобождаемым вкусовыми клетками II типа, служит именно АТФ [11].
Рис. 5. Схема эксперимента, подтверждающего высвобождение АТФ вкусовыми клетками II типа (а–г). Вкусовой клеткой при потенциале −70 мВ АТФ не секретируется, и потому расположенные рядом с ней АТФ-биосенсоры (клетки линии COS-1) не флуоресцируют (б). Однако после деполяризации вкусовой клетки до 10 мВ в АТФ-биосенсорах увеличивается концентрация кальция, что видно по усилению в них флуоресценции кальциевого зонда Fluo-4 (в). Восстановление исходного потенциала вкусовой клетки (−70 мВ) приводит к падению флуоресценции АТФ-биосенсоров (г). Цветовая шкала (в, справа) показывает интенсивность флуоресценции, увеличивающуюся от синего к красному. Адаптировано из [11]
Секреция АТФ может осуществляться двумя известными на сегодня способами: либо везикулярно (т. е. посредством экзоцитоза, управляемого локальным повышением внутриклеточной концентрации кальция), либо через специфические мембранные транспортеры или ионные каналы [13]. Предположим, что во вкусовых клетках II типа работает везикулярный механизм выброса АТФ. Тогда, если заблокировать вход внешнего кальция в клетку и/или не дать ей самой увеличить концентрацию кальция в цитозоле, секреция АТФ должна заметно снизиться. Но уменьшение концентрации кальция в среде до 100 нМ и введение в клетки II типа быстрого кальциевого хелатора BAPTA (связывающего ионы кальция) не привели к заметным изменениям в секреции ими АТФ. Значит, его высвобождение происходит не классическим везикулярным (кальций-зависимым) способом, а при участии ионных каналов [11]. Если это действительно так, то они должны быть проницаемы не только для АТФ, молекулярная масса которого около 600 Да, но и для других, более мелких молекул, например, флуоресцентных трейсеров (веществ, используемых для наблюдения за протеканием химической реакции или биологического процесса). Так, каналы, формируемые белками коннексинами, проницаемы для молекул массой до 1 кДа, включая АТФ, цАМФ (циклический аденозинмонофосфат), инозитолтрифосфат (IP3 — Inositol trisPhosphate) и др. Поэтому гипотезу высвобождения АТФ через ионные каналы можно подтвердить, доказав, что в ответ на деполяризацию внутрь вкусовых клеток проникают крупные отрицательно заряженные флуоресцентные молекулы из окружающего раствора. И действительно, в наших экспериментах красители Lucifer Yellow (LY), флуоресцеин и карбоксифлуоресцеин оказывались внутри вкусовых клеток II типа после их деполяризации — они начинали ярко светиться под флуоресцентным микроскопом [11, 14]. Итак, выброс АТФ и вход в клетки II типа флуоресцентных красителей зависят от потенциала. Деполяризация необходима для адекватного вкусового восприятия, но сама по себе не приводит к увеличению концентрации кальция в цитозоле (в отличие от клеток III типа с потенциал-зависимыми кальциевыми каналами). Все это свидетельствует в пользу того, что АТФ во вкусовых клетках II типа высвобождается через специфические потенциал-зависимые ионные каналы.
Интересно было разобраться, какие белки формируют во вкусовых клетках II типа столь необычные АТФ-проницаемые ионные каналы. На момент исследований кандидатами служили некоторые анионные каналы, а также полупоры, образованные белками коннексинами и паннексином 1. Известные блокаторы анионных каналов и ингибиторы паннексина 1 не оказывали значительных эффектов на секрецию АТФ [11]. Она сохранялась и у животных с выключенным геном, кодирующим паннексин 1, в ответ на вкусовую и электрическую стимуляцию [11, 14, 15]. Это исключало возможность участия анионных каналов и паннексина 1 в высвобождении АТФ клетками II типа. Далее мы проверили влияние на их АТФ-проницаемые каналы ряда веществ, которые ингибируют открытие различных полупор. Только октанол, неспецифичный ингибитор коннексинов, и пептид 43 GAP26, также блокирующий некоторые коннексины, сильно подавляли выброс АТФ. Похоже было, что роль АТФ-транспортера во вкусовых клетках выполняет канал, образованный коннексинами. Окончательную ясность в этот вопрос внесла группа зарубежных ученых. Они доказали, что АТФ на самом деле транспортируется недавно открытым потенциал-зависимым ионным каналом CALHM1 (CALcium Homeostasis Modulator 1), который просто похож на коннексины некоторыми свойствами [16]. Этот канал, присутствующий только в клетках II типа, оказался проницаемым для АТФ. Мыши с генетическим нокаутом гена, кодирующего CALHM1, теряли чувствительность к горькому, сладкому и умами [17]. Во вкусовых клетках II типа таких мышей сильно уменьшались потенциал-зависимые токи, а секреция АТФ вкусовыми почками снижалась.
Необычный механизм передачи информации на нервное окончание, реализуемый во вкусовых клетках II типа (в отсутствие цепочки «потенциал-зависимая активация кальциевых каналов — экзоцитоз синаптических пузырьков — высвобождение нейромедиатора»), заставил усомниться в роли потенциалов действия в афферентной нейропередаче. Обычно вторичные сенсорные клетки (непосредственно воспринимающие раздражение и затем передающие сигнал о нем на нервную клетку), не имеющие аксонов, не используют потенциалы действия для передачи информации и даже не способны их генерировать. Но вкусовые клетки II типа млекопитающих определенно генерируют потенциалы действия в ответ и на электрическое, и на пищевое воздействие. Зачем? Не исключено, что у потенциалов действия существует еще одна физиологическая функция — регуляция невезикулярного высвобождения нейромедиатора. Важное свойство секреции АТФ клетками этого типа — ее сильная зависимость от мембранного потенциала. Поэтому логично было предположить, что потенциалы действия управляют афферентной нейропередачей. Экспериментально мы установили, что при характерном для клеток II типа потенциале покоя от −55 до −40 мВ деполяризация до −45. −30 мВ, индуцируемая активацией канала TRPM5, не вызывает высвобождение АТФ. Но когда она сопровождается генерацией потенциалов действия, частота или количество которых пропорциональны ее величине, уровень секретированного ATФ оказывается пропорциональным интенсивности вкусового сигнала. Это обеспечивает адекватное кодирование сенсорной информации. За счет резкой зависимости количества ATФ от потенциала фактически происходит квантовый (т. е. унифицированный по кинетике и величине) выброс ATФ через неселективные ионные каналы в ответ на каждый потенциал действия.
Мы дополнительно доказали участие потенциалов действия в высвобождении ATФ клетками II типа и другим способом, — вызывая его кратковременными деполяризационными импульсами, сопоставимыми по длительности с потенциалами действия [11]. По результатам работ японских авторов, блокатор натриевых каналов тетродотоксин вызывает заметное снижение уровня АТФ, выбрасываемого в ответ на стимуляцию вкусовых клеток горькими веществами [18]. Количество АТФ при этом пропорционально числу сгенерированных потенциалов действия.
Рис. 6. Гипотетическая последовательность событий при рецепции вкусовых веществ клетками II типа. Вкусовые молекулы связываются с рецепторами, находящимися в апикальной части клетки. Это последовательно приводит к активации G-белков, фосфолипазы С β2 (PLC β2) и к мобилизации внутриклеточного кальция, благодаря которому открывается кальций-зависимый ионный канал TRPM5, что вызывает осцилляционную деполяризацию мембраны и генерацию серии потенциалов действия. Это стимулирует потенциал-зависимые (ПЗ) ионные каналы CALHM1, проницаемые для АТФ, и ведет к его высвобождению. Он активирует рецепторы P2X афферентных нервных окончаний, а генерация серии потенциалов действия позволяет закодировать информацию об интенсивности вкусового воздействия. Вкусовая клетка I типа гидролизует АТФ, высвобождаемый на нервное окончание, с помощью эктоапиразы NTPD-ase2. Кроме того, внешний АТФ приводит к мобилизации внутриклеточного кальция в клетке I типа при участии метаботропных P2Y-рецепторов и фосфоинозитидного каскада, включающего фосфолипазу С (PLC), инозитолтрифосфат (IP3) и диацилглицерол (DAG). Стимулируется также и кальций-активируемый анионный канал
Многие, несомненно, задаются вопросом: зачем изучать механизмы вкусового восприятия? Действительно ли нам необходимо знать, какие клетки и как в нем участвуют? Оказывается, значительное число людей страдает расстройством вкуса. У большинства оно развивается после травмы головы или инфекции верхних дыхательных путей и среднего уха; после лучевой терапии (при лечении онкологических заболеваний головы и шеи); в результате действия определенных химикатов (инсектицидов и некоторых лекарств, включая антибиотики и антигистаминные средства) и как последствие некоторых видов хирургии уха, носа и горла. Опасны ли расстройства вкуса? Да, так как они ослабляют или вовсе устраняют врожденную систему предупреждения об испорченной пище, а иногда и об аллергенах. При ухудшении чувства вкуса мы можем начать есть слишком мало / много и терять / набирать вес. Потеря вкуса может вынудить нас употреблять чрезмерные количества сахара или соли, чтобы улучшить вкус пищи, а для людей с сахарным диабетом или высоким кровяным давлением это очень рискованно. В тяжелых случаях потеря вкуса может даже привести к депрессии. Поэтому знания о механизмах его восприятия необходимы для изучения причин, приводящих к отклонениям, и поиска способов их коррекции. А это — важная научная и медицинская задача.
Литература
1. Благутина В. В. Анатомия вкуса // Химия и жизнь. 2010. № 10. C. 34–38.
2. Lindemann B. Receptors and transduction in taste // Nature. 2001. V. 413. P. 219–225.
3. Margolskee R. F. Molecular mechanisms of bitter and sweet taste transduction // J. Biol. Chem. 2002. V. 277. P. 1–4.
4. Zhang Y., Hoon M. A., Chandrashekar J. et al. Coding of sweet, bitter, and umami tastes, different receptor cells sharing similar signaling pathways // Cell. 2003. V. 112. P. 293–301.
5. Huang A. L., Chen X., Hoon M. A. et al. The cells and logic for mammalian sour taste detection // Nature. 2006. V. 442. P. 934–938.
6. Bartel D. L., Sullivan S. L., Lavoie E. G. et al. Nucleoside triphosphate diphosphohydrolase-2 is the Ecto-ATPase of type I cells in taste buds // J. Comp. Neurol. 2006. V. 497. P. 1–12.
7. Lawton D. M., Furness D. N., Lindemann B. et al. Localization of the glutamate-aspartate transporter, GLAST, in rat taste buds // Eur. J. Neurosci. 2000. V. 12. P. 3163–3671.
8. Ralevic V., Burnstock G. Receptors for purines and pyrimidines // Pharmacol. Rev. 1998. V. 50. P. 413–492.
9. Finger T. E., Danilova V., Barrows J. et al. ATP signaling is crucial for communication from taste buds to gustatory nerves // Science. 2005. V. 310. P. 1495–1499.
10. Romanov R. A., Kolesnikov S. S. Electrophysiologicaly identified subpopulations of taste bud cells // Neurosci. Lett. 2006. V. 395. P. 249–254.
11. Romanov R. A., Rogachevskaja O. A., Bystrova M. F. et al. Afferent neurotransmission mediated by hemichannels in mammalian taste cells // EMBO J. 2007. V. 26. P. 657–667.
12. Bystrova M. F., Romanov R. A., Rogachevskaya O. A. et al. Functional expression of the extracellular calcium-sensing receptor in mouse taste cells // J. Cell Sci. 2010. V. 123. P. 972–982.
13. Lazarowski E. R., Boucher R. C., Harden T. K. Mechanisms of release of nucleotides and integration of their action as P2X- and P2Y-receptor activating molecules // Mol. Pharmacol. 2003. V. 64. P. 785–795.
14. Romanov R. A., Bystrova M. F., Rogachevskaya O. A. et al. The ATP permeability of pannexin 1 channels in a heterologous system and in mammalian taste cells is dispensable // J. Cell Sci. 2012. V. 125. P. 5514–5523.
15. Romanov R. A., Rogachevskaja O. A., Khokhlov A. A. et al. Voltage-dependence of ATP secretion in mammalian taste cells // J. Gen. Physiol. 2008. V. 132. P. 731–744.
16. Siebert A. P., Ma Z., Grevet J. D. et al. Structural and functional similarities of calcium homeostasis modulator 1 (CALHM1) ion channel with connexins, pannexins, and innexins // J. Biol. Chem. 2013. V. 288. P. 6140–6153.
17. Taruno A., Vingtdeux V., Ohmoto M. et al. CALHM1 ion channel mediates purinergic neurotransmission of sweet, bitter and umami tastes // Nature. 2013. V. 495. P. 223–226.
18. Murata Y., Yasuo T., Yoshida R. et al. Action potential-enhanced ATP release from taste cells through hemichannels // J. Neurophysiol. 2010. V. 104. P. 896–901.
