【7.2.7】嗅觉信号转导(Olfactory Signal Transduction)

嗅觉是最原始的感觉功能之一,起着识别、报警、增强食欲、影响情绪等作用,因此,嗅觉产生的分子机制长期以来一直是神经分子生物学研究的焦点之一。但是,关于人如何识别和记忆约一万种不同气味的原理却知之甚少。2004年诺贝尔生理学或医学奖得主Richard Axel和Linda Buck 所作的一系列开拓性的研究,终于揭开了此领域神秘的面纱。

Axel和Buck在他们的研究中发现,在气味的识别过程中,一个约由1000个不同基因(占到人基因总数的3%)组成的庞大基因家族编码的嗅觉受体(olfactory receptor)蛋白起决定性作用。这些受体蛋白分布在鼻腔上皮上部特定的嗅觉受体细胞(olfactory receptor cell)的质膜上,负责检测吸入的气味分子(odorant molecule)。

嗅觉受体细胞为双极神经元,其周围突触伸向粘膜表面,末端形成带有10~30根纤毛的嗅泡。每一种嗅觉受体蛋白都属于与G蛋白偶联的GPCR,但与其他GPCR不同的是,其细胞外环的长度为38个氨基酸残基,长于其他GPCR。一种嗅觉受体蛋白在与相应的气味分子结合以后即被激活,其构象发生变化,从而激活相偶联的Golf蛋白。被激活的Golf转而激活膜上的AC,致使cAMP的释放。被释放的cAMP作为第二信使,打开嗅觉受体细胞膜上的离子通道,引发Na+和Ca2+内流,最终导致膜的“去极化”——膜电位从“内负外正”变成“内正外负”。膜的去极化作为一种电信号,通过神经转导发送到脑内嗅球(olfactory bulb)上的小球(glomerulus)内,信号从这里还可以进一步传递到脑的更高一级结构,如僧帽细胞(mitral cells),并最终被加工产生特定的嗅觉。

每一个嗅觉受体细胞只表达多个嗅觉受体蛋白基因中的一个,因此,每一个嗅觉受体细胞膜上只有一种类型的嗅觉受体蛋白。但是,每一个受体却可以在几千个嗅觉受体细胞中表达。因此,在鼻腔内,有多少种嗅觉受体分子,就有多少种嗅觉受体细胞。不过,一个单一的嗅觉受体细胞并非只对一种气味物质做出反应,而是能够对有限的几种结构相关的气味物质做出反应,只是强度不同。

大多数气味由多种气味分子组成,而每一个气味分子能激活几种嗅觉受体,每一种受体又能结合多种气味物质,且每一个受体可以在几千个同一种感受细胞中表达,这就导致各种复合型气味样式的形成,也成为人类能够识别和记忆大约一万种不同气味的分子基础。

主要成分(Major players)

  1. 第一信使:嗅味物质(First Messenger: odorants)
  2. 靶细胞:嗅觉受体细胞(Target Cells: olfactory receptor cells)
  3. 受体:与G蛋白偶联的嗅味受体Receptor: olfactory receptor-GPCR)
  4. G蛋白:Golf(G Protein: Golf)
  5. 效应器:腺苷酸环化酶(Effector: AC)
  6. 第二信使:cAMP(Second messenger: cAMP)
  7. 靶蛋白:离子通道(Target proteins: Na+/Ca2+ channel and Cl- channel)
  8. 最后效应:去极化(Final effect: depolarization)

参考资料

  • 南京大学 杨荣武老师 《结构生物学》课件
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