Pobierz Biotechnologia - narządy zmysłów: materiały pomocnicze i więcej Skrypty w PDF z Biotecnologia tylko na Docsity!
M ATERIAŁY POMOCNICZE
DO WYKŁADÓW Z PODSTAW BIOFIZYKI
IIIr. Biotechnologii
prof. dr hab. inż. Jan Mazerski
N ARZĄDY ZMYSŁÓW Odpowiednikiem receptorów komórkowych na poziomie organizmu wielokomórkowego są narządy zmysłów. Dają one możliwość odbierania całego zestawu różnorodnych bodźców zewnętrznych. Działanie narządów zmysłów rozpatrywać można z wielu różnych punktów widzenia. Na poziomie anatomicznym interesuje nas jak zbudowany jest narząd odbierający dany bodziec i jak dociera on do komórek wyspecjalizowanych w jego odbiorze. Na poziomie fizjologicznym badamy jak i za pomocą jakich mechanizmów bodziec wywołuje pobudzenie komórek receptorowych i zamienia się w impulsy nerwowe. Z kolei na poziomie neurologicznym analizujemy drogę impulsów nerwowych od komórek receptorowych do mózgu i jak powstają w nim wrażenia zmysłowe. Podczas naszego wykładu zajmować się będziemy narządami zmysłów z punktu widzenia biofizyki i biochemii, czyli analizować jak określony bodziec (czynnik fizyczny lub chemiczny) ulega przemianie w pobudzenie komórki receptorowej i na czym to pobudzenie polega. Skupimy się przy tym na 5 podstawowych zmysłach występujących w ciele człowieka. Zmysłami tymi są: zmysł węchu (detekcja małych cząsteczek w powietrzu, zmysł smaku (detekcja i identyfikacja określonych związków i jonów językiem), zmysł wzroku (detekcja światła), zmysł słuchu (detekcja i analiza częstotliwościowa fal ciśnienia w powietrzu), oraz zmysł dotyku (detekcja zmian nacisku, temperatury i innych czynników przez skórę).
Każdy z tych podstawowych układów zmysłowych posiada wyspecjalizowane komórki receptorowe i dedykowane im szlaki przewodzenia impulsów nerwowych do mózgu.
BodziecBodziec NarzNarząąd zmysd zmysłłuu
Szlaki nerwoweSzlaki nerwowe
MózgMózg
zewnzewn^ narznarzęętrznytrznyąądd receptorowereceptorowekomórkikomórki
korowekorowepolapola zmyszmyswrawrażżeniałeniałoweowe
W mózgu sygnały te są przetwarzane i kojarzone z innymi informacjami dając wrażenia zmysłowe. Wrażenia te mogą prowadzić do określonych zmian w naszym zachowaniu.
VIII.1 Zmysł węchu
Ludzki zmysł węchu potrafi wykryć wiele tysięcy różnych związków chemicznych lub ich mieszanin. Większość związków chemicznych odpowiedzialnych za wrażenia węchowe stanowią małe, względnie lotne związki organiczne. Docierają one do receptorów węchowych zlokalizowanych w nabłonku nosa w postaci par lub aerozoli. Poniżej podano przykłady związków wywołujących określone wrażenia węchowe. O H
aldehyd benzoesowy zapach gorzkich migdałów
OH
geraniol zapach różany
SH
3-metylo-1-butanotiol ohydny zapach wydzieliny skunksa zyngiberen zapach imbiru
Przez wiele dziesięcioleci nie było wiadomo jakie właściwości cząsteczek odpowiedzialne są za takie lub inne wrażenia zapachowe. Sprawa była szczególnie tajemnicza gdyż z jednej strony stwierdzano, że szereg związków chemicznych o zdecydowanie różnej budowie chemicznej
VIII.1.2 Pobudzenie receptora
Wiązanie substancji zapachowej do receptora inicjuje kaskadę przekazywania sygnału i zmianę potencjału błonowego. Receptor aktywowany ligandem uwalnia białko Golf związane z GTP. Białko to aktywuje specyficzną cyklazę adenylanową, zwiększając cytozolowe stężenie cAMP. Wzrost stężenia cAMP otwiera niespecyficzne kanały błonowe bramkowane cAMP. Przez otwarte kanały napływają do wnętrza komórki jony Ca2+^ i Na+.
+ GTPGTP
ATP
cAMP^ cAMP
Czzapachowaąsteczka Ca^2 +^ , Na +
Ca^2 +^ , Na +
Napływ kationów powoduje depolaryzację błony i wywołuje zainicjowanie potencjału czynnościowego. Potencjał czynnościowy, wraz z potencjałami czynnościowymi innych komórek receptorowych, wywołuje odczucie specyficznego zapachu.
VIII.2 Zmysł smaku
Odbieramy pięć podstawowych smaków: gorzki, słodki, kwaśny, słony i umami. Te pięć smaków służy do klasyfikacji związków na potencjalnie odżywcze i pożyteczne (słodki, słony i umami) oraz potencjalnie szkodliwych lub toksycznych (gorzki i kwaśny). Cząsteczki w różnych grupach smaków mają bardzo różną budowę chemiczną:
Na+ jon sodowy słony
O
OH
H O
H O
OH
OH
glukoza słodki
O
H 3 N O
H
O
O
glutaminian umami
H + jon wodorowy kwaśny
N
O
H O N
chinina gorzki
Różnice w specyficzności między pięcioma smakami wynikają z różnic w biochemicznych mechanizmach odbioru wrażenia smakowego. Zmysł smaku jest w zasadzie pewną liczbą niezależnych zmysłów wykorzystujących ten sam narząd – język. Cząsteczki smakowe są wykrywane przez wyspecjalizowane struktury zwane kubkami smakowymi które zawierają ok. 150 komórek, w tym neurony czuciowe. Kubki smakowe grupują się w większe struktury zwane brodawkami smakowymi. Z własnego doświadczenia wiemy, że zmysły węchu i smaku są pod niektórymi względami zmysłami siostrzanymi. Ponadto, są ze sobą powiązane na poziomie odczuć. Zapach znacznie wzmacnia nasze poczucie smaku. Pomimo to te dwa zmysły różnią się istotnie od siebie.
VIII.2.1 Receptory smaku gorzkiego
Cząsteczki smakowe odbierane jako gorzkie należą do różnych grup chemicznych. Wiele z nich to alkaloidy lub inne produkty roślinne, chociaż należy do nich również wiele związków syntetycznych. Receptor smaku gorzkiego, podobnie jak receptory substancji zapachowych, należy do receptorów 7TM. Dowodów dostarczyła izolacja specyficznej podjednostki α białka G, tzw. gustducyny, która ulega ekspresji przede wszystkim w kubkach smakowych wrażliwych na smak gorzki. W genomie ludzkim udało się zidentyfikować ok. 30 sekwencji odpowiadających różnym receptorom 7TM współpracującym z gustducyną. Ważne było odkrycie, że każda komórka wrażliwa na smak gorzki wykazuje ekspresję receptorów różnych substancji o smaku gorzkim (panel lewy). Wszystkie te komórki przekazują impulsy do tego samego pola w mózgu. Ten sposób ekspresji receptorów i ich odwzorowanie w mózgu zdecydowanie odbiega od sytuacji występującej w receptorach zapachowych (panel prawy). W tych ostatnich każda komórka posiada tylko jeden rodzaj receptora. Ponadto impulsy z komórek posiadających różne receptory trafiają do różnych pól mózgowych.
Stwierdzono, że za aktywację komórek receptorowych wywołujących wrażenie słodyczy odpowiedzialne są receptory błonowe należące do klasy 7TM. Na uwagę zasługują przede wszystkim trzy z nich nazywane receptorami T1R1, T1R2 i T1R3. Wyróżniają się one bardzo dużymi domenami zewnątrzkomórkowymi. Wykazano, że dla normalnej wrażliwości komórek receptorowych na węglowodany konieczna jest jednoczesna obecność co najmniej białek receptorowych T1R2 i T1R3. Doprowadziło to do postawienia hipotezy, że funkcjonalny receptor smaku słodkiego jest heterodimerem. Jeżeli hipoteza ta jest prawdziwa, to receptory takie byłyby wyjątkiem wśród dużej rodziny receptorów klasy 7TM. Heterodimeryczny receptor smaku słodkiego reaguje pobudzeniem nie tylko na obecność cukrów, ale również na obecność słodzików i „słodkich” białek. Wydaje się, że jest on pojedynczym, uniwersalnym receptorem smaku słodkiego.
VIII.2.3 Receptory smaku umami
Receptory wrażliwe na glutaminian i asparaginian (smak um ami) są bardzo blisko spokrewnione z receptorami smaku słodkiego. Przede wszystkim, receptory te są również heterodimerami. Ponadto, heterodimeryczny receptor smaku umami zawiera białka T1R1 i T1R3, czyli jedno białko wspólne z receptorem słodyczy.
VIII.2.4 Receptory smaku słonego
Receptory tego smaku nie należą do klasy 7TM, ale do klasy kanałów jonowych przepuszczalnych dla jonów sodu i niektórych innych kationów. Istnieje prawdopodobnie kilka rodzin kanałów odpowiedzialnych za wrażenie smaku słonego. Najlepiej poznane są kanały należące do rodziny kanałów jonowych wrażliwych na amiloryd (struktura amilorydu obok).
N
N NH (^2)
NH
O NH Cl NH (^2) H 2 N
+
Kanał sodowy wrażliwy na amiloryd jest tetramerem. Podjednostki kompleksu mogą być takie same, lub bardzo podobne (homologiczne). Każda podjednostka zawiera dwie helisy transbłonowe połączone dużą domeną zewnątrzkomórkową. Domena ta zawiera dwa (lub czasami trzy) odrębne
N C
regiony bogate w cysteinę. Pomiędzy grupami SH reszt cysteiny występują prawdopodobnie mostki dwusiarczkowe. Tuż przed drugą helisą transbłonową znajduje się fragment łańcucha peptydowego tworzący filtr selektywności kanału. Decyduje on o selektywności kanału względem jonów o tym samym ładunku, ale różnej wielkości. Rodzina kanałów sodowych wrażliwych na amiloryd jest liczna, a jej poszczególni członkowie spełniają w komórce różnorodne funkcje biologiczne. Spotkamy się z nimi ponownie omawiając zmysł dotyku. Gdy stężenie jonów sodowych w ślinie przekroczy wartość fizjologiczną rozpoczyna się ich napływ do wnętrza komórki receptorowej. Towarzyszy temu zmiana znaku potencjału błonowego. To zaburzenie potencjału błonowego może się przemieszczać po powierzchni błony komórkowej i aktywować zakończenia neuronów stykających się z komórką receptorową.
VIII.2.5 Receptory smaku kwaśnego
Podobnie jak wrażenie smaku słonego również wrażenie smaku kwaśnego wywoływane jest zmianą potencjału błonowego odpowiednich komórek receptorowych. Zmiana potencjału błonowego związana jest z prądem jonowym płynącym przez jonowy kanał transbłonowy.
H+
Kanał protonowy
H+^ K+
Kanał potasowy pH-zależny W komórkach receptorowych wywołujących smak kwaśny wykorzystywanych jest prawdopodobnie kilka mechanizmów depolaryzacji błony. Jeden z nich polega na wykorzystaniu kanałów umożliwiających ruch jonów wodorowych. Stwierdzono również, że duże stężenie jonów wodorowych (niskie pH) ma wpływ na stopień otwarcia niektórych kanałów potasowych. Opisano eksperymenty sugerujące, że podobny mechanizm dotyczyć może również innych kanałów jonowych. Wszystkie te mechanizmy są wspólnie odpowiedzialne za depolaryzację błony komórki receptorowej i poprzez włókna nerwowe wywołanie w mózgu wrażenia smaku kwaśnego.
N H
N H
+
Izomeryzacja retinalu jest procesem bardzo szybkim. Wystarcza zaledwie kilka pikosekund (1 ps = 10 -12^ s) aby rodopsyna przekształciła się w batorodopsynę zawierającą retinal w układzie all-trans. Podczas przejścia od rodopsyny do batorodopsyny sprotonowany atom azotu zasady Schiffa przemieszcza się o ok. 0,5 nm (5 Ă). Tym samym przestaje być ekranowany przez grupę karboksylanową. Przemieszczenie wywołuje również powstanie naprężeń konformacyjnych we fragmentach łańcucha peptydowego sąsiadujących z retinalem.
N
Naprężenia te ulegają relaksacji na drodze globalnych zmian konformacyjnych opsyny i utworzeniu tzw. metarodopsyny II (wzór powyżej). W formie tej zasada Schiffa nie jest już sprotonowana. Globalne zmiany konformacyjne towarzyszące przejściu batorodopsyny w metarodopsynę II są analogiem zmian konformacyjnych towarzyszących w typowych receptorach związaniu ligandu (rysunek poniżej).
O
O
hν
VIII.3.3 Wzmocnienie i przekazanie sygnału
Podobnie jak w innych receptorach 7TM zaktywowana rodopsyna (metarodopsyna) aktywuje heterotrimeryczne białko G, w tym wypadku zwane transducyną. Aktywacja transducyny polega, jak w większości białek G, na rozpadzie trimeru i wymianie GDP na GTP w podjednostce α. Cząsteczka rodopsyny aktywowana absorpcją pojedynczego kwantu światła może aktywować wiele cząsteczek transducyny. Tym samym początkowy sygnał ulega wzmocnieniu.
hν
GTPGTP GMP
fosfo-^ cGMP dieste-raza
Ca^2 +
Związana z GTP podjednostka α aktywuje fosfodiesterazę cGMP. Uaktywniona fosfodiestaraza jest enzymem bardzo wydajnym i szybko doprowadza do obniżenia wewnątrzkomórkowego poziomu cGMP. Obniżenie poziomu cGMP powoduje zamknięcie kanałów wapniowych bramkowanych cGMP, hiperpolaryzację błony i ostatecznie powstanie impulsu nerwowego. Zarówno na etapie działania fosfodiesterazy jak i bramkowania kanału błonowego dochodzi do wzmocnienia sygnału. Dzięki temu trójstopniowemu wzmocnieniu sygnał pierwotny w postaci absorpcji pojedynczego kwantu zamienia się w makroskopowy impuls nerwowy.
VIII.3.4 Wygaszenie sygnału
Układ wzrokowy reaguje na zmiany natężenia światła w czasie kilku milisekund. Pozwala to aktualizować obraz otoczenia w tempie kilkuset „klatek” na sekundę. Warto jednak zdawać sobie sprawę, że przed uzyskaniem kolejnego kadru należy przywrócić układ fotoreceptora do stanu początkowego. Wymaga to szybkich i wydajnych mechanizmów wygaszania sygnału na każdym etapie. Za wygaszanie sygnału na etapie rodopsyny odpowiedzialna jest kina za rodopsyny fosforylująca C-koniec metarodopsyny. Ufosforylowana rodopsyna traci powinowactwo do trimeru transducyny. Dodatkowo, białko inhibitorowe arestyna wiąże się z ufosforylowanym C-końcem rodopsyny uniemożliwiając Fosforylacja
receptorowa^ Kinaza
Fosforylacja
receptorowa^ Kinaza
VIII.3.5 Widzenie barwne
Czopki mają mechanizm pobudzenia bardzo podobny do opisanego powyżej dla pręcików. Różnica polega przede wszystkim na rodzaju białka receptorowego. Białko do również należy do klasy 7TM i jego sekwencja jest bardzo podobna do rodopsyny. Wykorzystywanym chromoforem jest również 11-cis-retinal. Różne są natomiast zakresy widma wzbudzające fotoreceptor. W ludzkich czopkach występują trzy białka fotoreceptorowe o maksimach absorpcji: 426, 530 i 560 nm. Odpowiada to barwom niebieskiej, zielonej i czerwonej. Maksimum absorpcji dla rodopsyny przypada przy ok. 500 nm. W danym czopku ekspresji ulega tylko jeden rodzaj receptora. Czopki wrażliwe na poszczególne barwy rozmieszczone są w przybliżeniu równomierne w całym polu widzenia.
VIII.4 Słuch
Cechą charakterystyczną zmysłu słuchu jest szybkość jego działania. Słyszymy dźwięki o częstotliwości od 20 do 20 000 Hz co odpowiada okresowi fali od 5 do 0,05 s. Nasza zdolność do lokalizacji źródła dźwięku, jedna z najważniejszych funkcji słuchu, wynika z możliwości wykrycia opóźnienia czasowego dotarcia dźwięku do jednego i drugiego ucha. Wymaga to oceny czasu dotarcia dźwięku na poziomie co najmniej 0,7 ms. W rzeczywistości człowiek potrafi uchwycić różnice rzędu 0,02 ms. Osiąganie tak dużej rozdzielczości czasowej sugeruje, że słuch musi wykorzystywać bardzo szybkie, bezpośrednie mechanizmy przekazywania sygnału. Powinny to być mechanizmy nawet szybsze niż w przypadku widzenia w którym czas przekazania sygnału jest na poziomie pojedynczych milisekund.
VIII.4.1 Ślimak ucha wewnętrznego
Fale dźwiękowe są wykrywane w strukturze anatomicznej zwanej ślimakiem ucha wewnętrznego. Pierwotny odbiór bodźców dokonuje się za pomocą komórek receptorowych zwanych komórkami włoskowatymi. Komórki te wyścielają wewnętrzną powierzchnię ślimaka. Geometria ślimaka powoduje, że dźwięki o różnej częstotliwości generują drgania rezonansowe płynu w różnych częściach ślimaka. Tak więc ślimak stanowi analizator częstotliwości.
Ślimak zawiera ok. 16 000 komórek włosowatych, a każda komórka posiada pęczek od 20 do 300 włosopodobnych wypustek zwanych stereociliami. Stereocilie ułożone są zgodnie z ich długością. Drgania rezonansowe płynu wewnątrz ślimaka powodują falowanie pęczków. Ugięcie pęczka indukuje zmianę potencjału błonowego komórki włosowatej. Przechylenie w kierunku najwyższej części pęczka powoduje depolaryzację błony, a ruch w kierunku przeciwnym jej hiperpolaryzację. Do wywołania mierzalnej zmiany potencjału błonowego wystarczy wychylenie czubka pęczka o ok. 0,3 nm czyli o 0,003 stopnia.
VIII.4.2 Zmiana potencjału błonowego
Szybka odpowiedź na wychylenie, w czasie μs, sugeruje, że ruch pęczka jest bezpośrednio związany z uaktywnieniem kanałów jonowych. Stwierdzono, że sąsiadujące ze sobą stereocilie połączone są włóknami białkowymi zwanymi łącznikami wierzchołkowymi. Odkrycie obecności łączników wierzchołkowych pozwoliło zaproponować prosty, mechaniczny model przekazu sygnału. Wg tego modelu w stereociliach znajdują się kanały błonowe bramkowane stresem mechanicznym (czerwona klapka). W stanie spoczynku jedynie część z tych kanałów jest otwarta. Kiedy pęczek zostanie przechylony w kierunku dłuższych stereocilii łącznik ulega naprężeniu i powoduje otwarcie dodatkowych kanałów. Przepływ jonów przez nowo otwarte kanały powoduje depolaryzację błony. Przy wychyleniu w przeciwną stronę kanały zostają zamknięte i błona ulega hiperpolaryzacji.
stan spoczynku aktywacja Takie bezpośrednie połączenie ruchu mechanicznego z prądem jonowym zapewnia skrajnie krótki czas reakcji.
