Чувства: Нейробиология сенсорного восприятия

Когда речь заходит о работе нервных клеток в носовом эпителии, форма молекулы мускуса имеет значение. В мембранную часть ресничек в назальном эпителии нервных клеток встроены относительно большие молекулы, которые закономерно называются белками обонятельных рецепторов. Эти белки надежно встроены в мембрану, поскольку белковые петли семь раз входят в нее и выходят обратно. Петля начинается с внешней стороны клеточной мембраны, входит внутрь, выходит, входит, выходит, входит, выходит и, наконец, снова входит внутрь клетки. У самого белка есть два «действующих конца»: один находится внутри клетки, а другой – снаружи. Часть белка, «торчащая» за пределами мембраны, формируется из аминокислот, которые находятся на другом конце белка. И каждый рецептор запаха имеет уникальную форму. Не забывайте, что млекопитающие имеют разное число генов обонятельных рецепторов в своих геномах. Например, у нашего вида около тысячи генов, но вот работают лишь четыреста из них, а остальные шестьсот попадают в категорию псевдогенов. Итак, у нас четыреста различных по форме белков рецепторов запахов, которые вплетаются в мембраны многочисленных ресничек назального эпителия, и у всех них есть концы, «торчащие» из нервной клетки. Каждая клетка обонятельного рецептора содержит уникальный набор белков и, следовательно, уникальный набор различных форм, выходящих из клетки. Это и есть «действующий конец» белка на внешней стороне клетки, который распознает молекулу запаха. Но все еще остается вопрос: как?

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.