Вкусовые рецепторные клетки являются волосковыми нейроэпителиальными клетками, расположенными во вкусовых сосочках на поверхности языка. Как и обонятельные рецепторы, вкусовые клетки регенерируют на протяжении жизни. В отличие от обонятельных рецепторов, вкусовые клетки не имеют аксонов, но формируют химические синапсы с афферентными нейронами во вкусовых сосочках. Микроворсинки направляются от апикального полюса вкусовой клетки в открытую пору вкусового сосочка, где они вступают в контакт с вкусовыми стимулами, растворенными в слюне на поверхности языка.
Вкусовые стимулы обычно подразделяются на пять категорий: соленые, кислые, горькие, сладкие и «умами» - последняя категория обозначается японским словом, обозначающим вкус глутамата натрия, или, в более общем виде, вкус аминокислот. Это многообразие молекул вкусовых стимулов, от простых ионов до сложных карбогидратов и протеинов, сопряжено с широким многообразием механизмов трансдукции. Последние подразделяются на две обширные категории: прямое действие на ионные каналы и опосредованная рецепция вкусовых стимулов, вовлекающая систему вторичных посредников, включая G-протеины.
Общепринято, что соленый вкус передается непосредственным током натрия (или других одновалентных катионов) по каналам в апикальной мембране вкусовой клетки, открытым в состоянии покоя. Натрий присутствует в более высокой концентрации в соленой пище (> 100 ммоль), чем в слюне, поэтому он просто диффундирует внутрь вкусовых клеток по своему электрохимическому градиенту. Возникающая в результате этого деполяризация приводит к выбросу нейромедиатора в химических синапсах, образованных вкусовыми клетками на отростках афферентных нейронов. Натриевые каналы вкусовых клеток не являются потенциалзависимыми, они сходны с эпителиальными натриевыми каналами, расположенными в коже и почках лягушки. Эти натриевые каналы блокируются диуретиком амилоридом (amiloride), и состоят из трех гомологичных субъединиц. Субъединица а была обнаружена в эпителии языка.
Кислый вкус вызывается высокой концентрацией протонов в кислых продуктах, которые могут проникать во вкусовые клетки через амилорид-блокируемые каналы. Другой механизм, ведущий к деполяризации, является следствием блокады K+ каналов протонами. Вкусовые клетки лягушки имеют катионные каналы, которые открываются протонами и также вызывают деполяризацию.
В дополнение к воздействию на реснички вкусовых клеток, соли и протоны могут проникать через вкусовые поры (околоклеточный путь) к базолатеральным участкам мембраны рецепторной клетки, действуя там на те же или другие ионные каналы (включая и такие, которые являются амилорид-нечувствительными).
Этот механизм, вероятно, является общим принципом вкусового восприятия: для каждого отдельного класса вкусовых веществ имеется несколько параллельных путей трансдукции.
Сладкие вещества (сахар) и горькие вещества (часто это растительные алкалоиды, прототипом которых является хинин) обычно представляют собой крупные молекулы, которые связываются с макромолекулярными рецепторами с высокой степенью специфичности. За немногими исключениями, сладкие и горькие вещества активируют систему вторичных посредников путем взаимодействия с G-протеин сопряженными рецепторами.
Только немногие из этих макромолекулярных вкусовых рецепторов были идентифицированы (см. следующий раздел), но G-протеин, специфичный для вкусовой клетки, густдуцин (gustducin), был клонирован и оказался гомологичен трансдуцину - фоторецепторному G-протеину.
Во вкусовых клетках обнаружен широкий спектр молекул, участвующих в последующих каскадах, включая цАМФ фосфодиестеразу, фосфолипазу С и другие компоненты путей, ведущих к синтезу циклических нуклеотидов и IР3.
G-протеиновая гипотеза горького и сладкого вкуса подтверждается наблюдением, что трансгенные мыши, лишенные гена густдуцина, могли ощущать соленое и кислое, но не горькое и сладкое 101).
Молекулярные рецепторы для глутамата и чили
Свободный глутамат встречается во многих продуктах, включая мясо, сыр и некоторые овощи, и используется как пищевая приправа в форме глутамата натрия (ГН). Вкус глутамата передается G-протеин-сопряженным метаботропным глутаматным рецептором, который специфически экспрессируется во вкусовых сосочках, но не в окружающем нечувствительном языковом эпителии.
Методом условной вкусовой аверсии было показано, что как ГН, так и специфичный агонист mGluR4 рецепторов (метаботропных глутаматных рецепторов 4-го типа) L-AP4, вызывают сходные вкусовые ощущения у крыс.
В таких исследованиях используют тесную связь между вкусом продукта и вызванной им тошнотой, чтобы определить, подобны ли вкусовые ощущения. Крысы, у которых после вкусовых ощущений, обусловленных ГН, вызывали тошноту (внутрибрюшинной инъекцией LiCl), затем боялись вкуса mGIuR4-специфичного агониста L-AP4 (а также ГН), но не специфичных агонистов других глутаматных рецепторов.
Таким образом, молекулярный рецептор глутамата является специфическим вкусовым рецептором на языке. «Жгучий» вкус перцев чили представляет другой пример многофункциональности молекулярных рецепторов. Жгучие перцы чили не воспринимаются самими вкусовыми клетками, но скорее болевыми волокнами в языке, которые активируются капсаициновыми соединениями. Рецептор капсаицина клонирован, и доказано, что это кальций-селективный катионный канал. Рецептор «жгучести» (обозначенный VRI, потому что он был первым из членов рецепторного семейства ваниллоидов) образован волокнами мелкого размера (С-волокна) от клеток спинальных ганглиев, сигнализирующих о боли. Таким образом, природа снабдила перцы чили химической нацеленностью на данный рецептор, возможно, чтобы отпугивать травоядных путем активации болевых волокон, - что оказалось не столь успешной стратегией в случае с человеком, с его пристрастием к острой пище.
Трансдукция ноцицептивных и температурных стимулов
При температуре около 33°С у нас обычно не возникает температурных ощущений. Когда температура кожи поднимается или опускается выше или ниже этой нейтральной точки, это вызывает ощущение тепла или холода. Существуют два вида температурных рецепторов в коже: один сигнализирует о тепле, другой - о холоде. Вы можете легко продемонстрировать это на тыльной стороне кисти руки: если касаться кожи в различных местах каким-либо предметом, имеющим комнатную температуру (например, острием обычного карандаша), то в некоторых точках это вызовет ощущение холода. Вне этих точек ощущается только прикосновение. Чтобы обнаружить другие точки, пространственно отличающиеся от Холодовых, где ощущается тепло, используется теплый металлический пробник. Таких мест меньше, и их нужно долго искать. Кожные температурные афференты отличаются от тех, которые сигнализируют об экстремальных температурных воздействиях, вызывающих болевые ощущения.
Активация и сенситизация ноцицепторов
Ноцицепция (восприятие стимулов боли и повреждения) возникает из сочетания прямых и непрямых воздействий на периферические сенсоры. Болезненное нагревание (выше 43° С) вызывает открывание неспецифических катионных каналов в окончаниях С-волокон. Ионы кальция и натрия входят в клетку и деполяризируют ее, вызывая генерацию потенциала действия. Кислоты могут также напрямую открывать катионные каналы. Кислотно-чувствительные ионные каналы (ASIC) были клонированы из ноцицептивных нейронов. Механическое повреждение кожи может привести непосредственно к деполяризации ноцицепторов. Когда клетки, содержащие капсаициновые рецепторы VR1, быстро нагреваются, то открывание этих рецепторов приводит к возникновению болезненного теплового ощущения. Продолжительное воздействие капсаицина вызывает постепенное накопление кальция и смерть клетки. Парадоксально, но капсаицин используется и как долговременный анальгетик, поскольку, убивая С-волоконные афференты, он облегчает тем самым хронические боли.
Помимо болевых стимулов, таких как тепло или кислота, которые могут воздействовать непосредственно на ноцицепторы, поврежденные клетки выделяют химические активаторы, такие как аденозинтрифосфат (АТФ). Одна из субъединиц АТФ-рецептора (Р2Х3) специфична для клеток ганглиев задних корешков, образующих С-волокна, и может объединяться с другими субъединицами, вызывая медленно десенситизирующееся возбуждение ноцицепторов аденозинтрифосфатом. Клеточное повреждение также ведет к выделению цитоплазматических протеаз, которые затем расщепляют белки плазмы крови. Таким образом, из кининогена, распространенного неактивного предшественника, производится пептид брадикинин, состоящий из 9 аминокислотных остатков. Брадикинин является сильным активатором окончаний С-волокон, вызывающим в них входящий ток и генерацию потенциалов действия. Рецептор брадикинина может действовать через повышение уровня вторичного посредника IР3.
Брадикинин и другие химические вещества в поврежденной коже также повышают чувствительность ноцицептивных окончаний. Активируемые теплом катионные токи больше по величине и возникают при более низких температурах, как результат активации брадикинином протеинкиназы С. Другими медиаторами воспалительного процесса являются простагландины, серотонин, гистамин и субстанция Р. Простагландин Е2 и серотонин повышают уровень цАМФ, увеличивая тем самым амплитуду и потенциалочувствительность натриевого тока в ноцицепторах. Повреждение тканей также повышает экспрессию адренергических рецепторов в нейронах ганглиев задних корешков - это еще один из механизмов увеличения возбудимости. Активированные болевые волокна выделяют вещество Ρ не только из своих синапсов внутри спинного мозга, но также из своих терминалей в коже. На периферии вещество Ρ может увеличивать возбудимость С-волокон, блокируя К+ каналы. Процесс сенситизации сопровождается локальной вазодилятацией и опуханием. Поврежденная область становится «гиперальгезивной», т. е. приобретает пониженный болевой порог.