WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
CHEMICAL ХИМИЧЕСКИЕ AND BIOCHEMICAL И БИОХИМИЧЕСКИЕ OLFACTORY MECHANISMS МЕХАНИЗМЫ ОБОНЯНИЯ O. M. POLTORAK И УСИЛЕНИЯ ПЕРВИЧНЫХ The olfactory system has ЗАПАХОВЫХ СИГНАЛОВ the remarkable chemical sensitivity among wide..

range of odor molecules. ‚ „‰‡‚ ‚... ‚‡ In this article its work is discussed on level of structural biochemistry and enzymology. Role of В жизни животных хемокоммуникация играет гораздо более важную роль, чем у человека. У позвоalkaline phosphatase as ночных есть специализированный орган обоняния, transport protein in olfacкоторый помогает животному ориентироваться в tory systems of verte- сложном мире, наполненном множеством молекул различного вида, несущих ту или иную жизненно brates is described.

важную информацию: пища, враг, особь другого пола и т.п. Обонятельная система имеет замечательную способность гораздо тоньше, чем другие орга·fl‡fl ‡ ны чувств, различать заданные вещества на фоне ‡ ‡‡необозримого числа других. Как химический ана‡ · ‡‚лизатор запаховая рецепция не имеет себе равных.

Сейчас установлено, что принципы восприятия за ‚‚паха у различных видов животных одинаковы, хотя. ‰ ‚fl уровень специфической чувствительности может ‡ ·flразличаться чрезвычайно сильно. В настоящее время анализ запаховой рецепции достиг уровня, по„ ‚flfl ‡зволяющего обсуждать молекулярные механизмы ‡‚‡fl ‡ процессов запахового восприятия. Это привлекает fl ‚ интересы химиков, биохимиков и физикохимиков.

Настоящая статья посвящена не столько проблеме в · целом, сколько основным моментам молекулярно ‡‚ го механизма запаховой рецепции и использованию ‡. ‡fl ‚flв этой области результатов изучения кинетики биохимических реакций.

‡ ‚‡ ·‰ ‡ ‡ ‡ ‡ ‚‡„ ‡В носовой полости большинства позвоночных „ ·‡ ·fl- запаховыми рецепторами являются специализированные нервные клетки – обонятельные нейроны, ‚которые формируют сенсорный эпителий. Эти ней.

роны связаны через свой аксон с центральной нервной системой. Они являются клетками нервной системы, открытыми непосредственно в окружающую среду. Ткань наружной поверхности обонятельной выстилки (так называется сенсорный эпителий) представляет собой мозаичную структуру из поддерживающих клеток, которые окружают сферические концевые утолщения обонятельных нейронов. Каждый обонятельный нейрон имеет головку,.. © ‡.., снабженную обонятельными волосками (жгутика- ностью (гидролизуют фосфатные связи фосфорных ми), расположенными в слизи, прикрывающей сна- эфиров) в слабощелочной среде (рН 7,5–9). Такие ружи обонятельную выстилку. Схематически это белки в биохимии называют щелочными фосфатазаизображено на рис. 1. В структуре обонятельной ми. Это обусловлено тем, что с процессами фосфовыстилки важную роль играют специальные секре- рилирования и дефосфорилирования связаны заторные железы Боумена, генерирующие слизь, пер- пуск и остановка каскадов биохимических реакций, вой воспринимающую запаховые молекулы. к которым относится и запаховое восприятие. В результате фосфатазной реакции происходит гидроДлина обонятельных волосков нейрона составлиз моноэфиров ортофосфорной кислоты по схеме ляет 16–30 мкм, диаметр у основания 0,25–0,3 мкм.

Количество волосков одного нейрона колеблется у ----------------R–O–PO3H2 + H2O Фермент R–OH + H3РО4. (1) разных видов животных. Например, у собаки и белой крысы по 15–20 волосков. Общая поверхность Здесь R – радикал самой различной природы. Роль обонятельных волосков у кролика составляет 600 см2 классического субстрата щелочной фосфатазы в при внешней поверхности обонятельного эпителия химической и биохимической кинетике играет 9,3 см2, большая часть которой образована вершип-нитрофенилфосфат – бесцветное соединение, нами опорных клеток (см. рис. 1). Это достаточно которое в щелочной среде в присутствии каталитиразвитая поверхность по своей структуре напомически активного белка дает окрашенный в желтый нает гетерогенный биокаталитический реактор с цвет продукт реакции – п-нитрофенол. Его легко адсорбированными молекулярными белками-реидентифицировать по поглощению света при цепторами. Биохимические и электрофизиологиченм, что используется для определения активности ские исследования показали, что белковые молекущелочных фосфатаз различного происхождения.

лы, непосредственно реагирующие на запаховый В работе [2] показано, что в сенсорном эпителии сигнал, располагаются главным образом на поверхсуществуют два вида белков с фосфатазной активности жгутиков (волосков) нейронов. Среди набора ностью: растворимых, сосредоточенных главным белков наружной поверхности обонятельного эпиобразом в обонятельной слизи и прочно связанных телия, как и для ряда других рецепторов [1], важную (иммобилизованных) на наружной поверхности роль играют белки, обладающие фосфатазной активсенсорного эпителия. Последние непосредственно взаимодействуют с молекулярными рецепторами обонятельных нейронов. Источником растворимых Одорант Воздушная среда фосфатаз является секрет желез Боумена, среди белков которого ведущую роль занимают трансЖгутики портные белки (Т). Последние осуществляют перенос нерастворимых в воде одорантов (запаховых молекул). Химически состав слизи выглядит следующим образом: это ферменты – щелочная фосфатаза, эстеразы, липазы, цитохромы Р450 и другие, Слизь структурные белки, кислые гликопротеиды, нейтральные и кислые мукополисахариды, пигмент, фосR-белок фатиды, ионы калия, натрия, хлора, кальция.

Функция слизи – несущая среда. Ее структурироБулава нейрона ванная форма полианионной природы создается кислыми гликопротеидами и обеспечивает захват Обонятельный молекул из газовой фазы. При этом происходит Т-белок нейрон первичная дифференциация запаховых молекул.



Железа Количества биологически значимых молекул, Боумена вызывающих хеморецепторный сигнал, поразительно малы. Уровень запаховой чувствительности недостижим для химических методов анализа и лучших Поддержимасс-спектрометрических исследований. Напривающая Аксон клетка мер, самка непарного шелкопряда выделяет 0,01 мг аттрактанта джиплюра. Он распространяется полоК обонятельной луковице сой 200 м на расстояние в несколько километров.

Несколько тысяч молекул уже вызывают поведенРис. 1. Схема строения обонятельной выстилки – ческую реакцию [3]. У млекопитающих, как мы вивнешней части обонятельной системы позвоночных. дели, рецепторы погружены в водный раствор –, ‹11, слизь, следовательно, одорант должен сконцентри- фермента. Обычно принимается, что это происхороваться в слизи, прореагировать со специфическим дит в результате конформационной перестройки белком нейрона и вызвать ответ. рецептора под влиянием субстрата. Конформационная изомеризация – типичное явление для реРастворению одоранта в слизи способствует поцепторных белков различного типа.

стоянный процесс перемешивания, осуществляеСубстрат фосфатазной реакции можно отнести к мый волосками нейронов, но этого мало. Из теории аналогам одоранта, который занимает место на реэкстракции известно, что наиболее эффективным способом концентрирования является многосту- цепторе. Следовало ожидать, что предъявление этой системе истинного биологически значимого одопенчатый процесс связывания с коэффициентом ранта мыши – андростенона должно повлиять на распределения, большим единицы. При этом очень важно уменьшение объема связывающих фаз по ме- фосфатазную активность из-за конкуренции за адре концентрирования вещества. Таким путем в трех- сорбционный центр рецептора. Однако ввести андступенчатом процессе можно достичь концентри- ростенон непосредственно в реакционную среду невозможно из-за нерастворимости последнего в воде.

рования вещества до 105–107 раз при коэффициенте распределения Кi 103–102. Поэтому в слизи содер- Этого можно достичь лишь с помощью транспортжатся вещества для первичного связывания моле- ного белка. В качестве такого транспортного белка кул. Поскольку обычные значения констант связы- был выбран очищенный препарат – щелочная фосфатаза из слизистой кишечника.

вания (констант диссоциации) адсорбционными центрами белков составляют 10- 4М, участие белка в Андростенон растворили в минеральном масле, связывании одоранта оказывается достаточно эфзатем смешали его с водным раствором щелочной фективным фосфатазы и поместили в делительную воронку. На поверхности раздела масло–вода стал возможен О + Т = ОТ. (2) контакт модельного транспортного белка (щелочБелок, растворенный в слизи, играет роль трансной фосфатазы) с андростеноном и в водной фазе портного, если происходит реакция обмена одоранможет появиться комплекс ТА. Это удалось проветом между растворимым транспортным белком и рить экспериментально – по свойствам белка как связанным на мембране рецептором (R) катализатора. Раствор андростенона в масле отделили, а буферный раствор, содержащий растворимую R + TO = RO + T. (3) Среди биологически значимых одорантов сущеv, мкM/мин ствует множество нерастворимых в воде соединений, например андростенон. Перенос его из газовой фазы в водную среду возможен только при участии промежуточного транспортного белка. Чтобы про- иллюстрировать этот механизм, приведем результаты нашего модельного эксперимента по данным работы [4].

На рис. 2 показана зависимость начальной скорости фосфатазной реакции от концентрации субстрата. Кривые 1–3 имеют различный вид и отражают свойства использованного белка-катализатора. По- скольку как рецепторы, так и транспортные белки обнаруживают фосфатазную активность в слабощелочной среде по схеме (1), вид кривых, показанных на рис. 1, был использован как тест на природу активных белков. В модельном эксперименте применяли интактную обонятельную выстилку белой мыши, тщательно отмытую от слизи и выделений желез Боумена, так что в растворе не осталось рас2 4 6 S0,5 10 12 [S]0104, М творимых форм щелочной фосфатазы. Полученный таким образом образец ткани представлял собой Рис. 2. Зависимость скорости фосфатазной реаксвоего рода гетерогенный катализатор, содержащий ции в присутствии обонятельного рецептора белой только щелочную фосфатазу, связанную с мембрамыши от начальной концентрации n-нитрофенилнами обонятельной выстилки. Такой катализатор, фосфата в бикарбонатном буфере рН 8,3: 1 – контпомещенный в каталитическую ячейку, активно гид- роль; 2 – обонятельный рецептор (R) связан с андростеноном (А) в комплекс RA; 3 – обонятельные ролизует n-нитрофенилфосфат с образованием прецепторы частично освобождены от андростенонитрофенола. Кривая 1 показывает, что повышение на путем обработки их модельным транспортным концентрации субстрата выше определенного знабелком – растворимой щелочной фосфатазой по чения (S0,5) приводит к дополнительной активации данным [6].

.. форму андростенона в виде комплекса ТА, помес- тили в реакционный сосуд и снова провели реакцию гидролиза п-нитрофенилфосфата на том же геВ начале 50-х годов Эрл Сёзерленд на примере терогенном образце. Изменение вида кривой 2 по адреналина, стимулирующего образование глюкосравнению с 1 показало, что при этом произошла зы из гликогена, расшифровал принципы действия реакция обмена ТА с рецепторами, иммобилизоадреналинового рецептора, который оказался обванными на поверхности обонятельной выстилки, щим для широкого круга рецепторов. Уже в наше по механизму (3), но здесь роль одоранта О сыграл время – в 90-е годы – показано, что запаховая реандростенон (А). Связывание андростенона с рецепция осуществляется совершенно аналогично цепторами привело к повышению фосфатазной ак- вплоть до деталей однотипного строения белковтивности белка. рецепторов. Поэтому многие вопросы механизма проще обсуждать на примере лучше изученного адКривая 3 на рис. 2 описывает свойства системы реналинового рецептора.





после проведения обратного процесса – удаления Первичные рецепторные белки – это специально андростенона из активных центров рецепторов обоустроенные весьма сложные молекулы, связывание нятельной выстилки мыши с помощью того же которых со своими субстратами вызывает в них дотранспортного белка. Для этого гетерогенный катастаточно большие структурные изменения, вслед за лизатор на основе обонятельной выстилки помескоторыми начинается каскад каталитических (фертили в водный раствор щелочной фосфатазы и остаментативных) реакций. Для запахового рецептора вили при 4° С на сутки. При этом фосфатазная это завершается нервным импульсом – электричесактивность уменьшилась, и на кривой появилась ким сигналом для мозга. Рецепторные белки делятточка перегиба, характерная для свободного рецепся на два класса: глобулярные и мембранные. Адретора. Таким образом, кинетические исследования налиновый и запаховый рецепторы относятся ко помогли установить наличие транспортных процес- второму типу – они входят в состав специализиросов при запаховой рецепции и возможность перено- ванных биомембран. Запаховые рецепторы располоса на рецептор водонерастворимых субстратов че- жены в жгутиках нервных клеток – нейронов. Сами биомембраны представляют собой бимолекулярные рез водную среду слизи.

липидные слои, взаимодействующие с различными После появления ответа на запаховое воздейстбелками. Если молекула белка пронизывает мембвие рецепторные белки должны быть очищены для рану насквозь, белок называют интегральным. Если последующей работы. В удалении молекул, заполня- белок расположен на одной стороне липидного ющих белки-рецепторы, принимают участие также бислоя, его называют периферическим. Адреналиферменты, такие, как цитохром Р450 2G1, который новый и запаховый рецепторы используют в работе оба типа белков: интегральный белок – первичный содержится в обонятельной слизи у млекопитающих.

центр связывания молекулы-стимула на внешней поЦитохром Р450 катализирует реакции окисления верхности биомембраны – и периферический G-бемолекулярным кислородом, при которых органичелок (комплекс из трех белков: G, G, G) на внутренский субстрат RH гидроксилируется до RH–OH, ней стороне мембраны. С помощью G-белков что повышает его растворимость в слизи. Фактичевнутри клетки начинаются химические процессы отски цитохром Р450 – это целое семейство похожих вета на внешний физический акт адсорбции молекубелков. В настоящее время известны несколько сот лы-стимула на внешней части интегрального белка.

членов этого семейства. Широкая субстратная спеНа рис. 3 схематически показан механизм дейстцифичность и относительно высокая каталитичесвия андреналинового рецептора. Согласно последкая эффективность цитохрома Р450 2G1 в стероидним данным [5], строение запахового рецептора соном метаболизме предполагают участие этого вершенно аналогично. Появление ответа связано с фермента в обонятельном процессе на стадии очистпоследовательным протеканием следующих проки рецепторов от прореагировавших и нерастворицессов. Сначала молекула-стимул на внешней стомых в воде неполярных соединений. Работа желез роне мембраны связывается с интегральным белком Боумена также контролируется адсорбцией одоранта и вызывает в нем структурный переход – изменение в их устьицах. Пока обонятельный сигнал усиливаетконформации всей молекулы, и в том числе той ее ся молекулярными механизмами внутри обонятельчасти, которая на внутренней стороне мембраны ного волоска, порция обонятельной слизи, постуконтактирует с G-белком. Интегральный белок пепившей из желез Боумена, освобождает рецепторы реходит из состояния I (“выключено”) в состояние от прореагировавших молекул как ферментативII (“включено”) ным путем с помощью представителей семейства Стимул цитохрома Р450, так и с помощью транспортных II -------------- III. (4) белков, удаляющих их вместе со слизью в виде комплекса ТО. Эти состояния рецептора показаны на рис. 3, а и б.

, ‹11, а Белок G отделяется и “плывет” – смещается в II + аденилатциклаза (неактивная) плоскости мембраны к соседнему белку, до этого неактивной форме фермента аденилатциклазы.

Т О Это драматический момент процесса, поскольку G -молекула белка активирует фермент аденилатциклазу. Благодаря этому в ответ на адсорбцию одной молекулы на белке-рецепторе внутри клетки Биомембрана начинает протекать каталитическая реакция, итоАденилат- гом которой является образование множества молециклаза кул циклического 3',5'-аденозинмонофосфата или, G G G (неакт.) проще, с-АМР. Молекулы с-АМР, в свою очередь, II активируют другой фермент – протеинкиназу. ПроGDP цесс эффективен потому, что появление с-АМР вызывает лавину реакций фосфорилирования с поб мощью большого числа молекул фермента протеинIII +аденилатциклаза (активная) киназы. Это и есть механизм мощнейшего усиления сигнала, приводящий к рекордной чувствительносТ ти рецепторов как анализаторов молекул. Протеинкиназа, фосфорилируя определенные клеточные О белки, вызывает при запаховой реакции открытие канальцев проводимости для ионов, и как результат возникает нервный электрический импульс, переБиомембрана даваемый аксоном.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.