HONTI VIKTOR - VÉCSEI LÁSZLÓ
A molekulák
illata
Élettani-orvosi Nobel-díj
Az 1896-ban elhunyt svéd feltaláló,
Alfred Nobel végakarataként a róla elnevezett díjat minden évben halálának
évfordulóján, december 10-én adják át az arra legérdemesebbeknek. Richard
Axel és Linda B. Buck 1991-ben tették közzé azt a tanulmányukat, amelyben
mintegy 1000 olyan gént írtak le, melyek a szaglásban igen fontos szerepet
játszó receptorfehérjéket kódolják (Cell. 1991 Apr 5;65(1):175-87.: A novel
multigene family may encode odorant receptors: a molecular basis for odor
recognition). Nem véletlen, hogy az élettan területén végzett úttörő munkájukért
2004-ben ők kapták a Nobel-díjat.
 |
 |
| |
|
Az idei év élettani-orvosi Nobel-díját
megosztva az amerikai Richard Axel és Linda B. Buck kapták, a szaglórendszer
felépítésének és működésének feltárásában elért eredményeikért. Míg Buck adatai
leginkább az emlősök szaglórendszerének működésére vonatkoznak, Axel kutatásainak
egy része a rovarok szaglórendszerét is érinti. Az eredmények jó része még
a nyolcvanas, kilencvenes évekből származik, amikor Buck még Axel laboratóriumában
dolgozott.
A szaglás alapvető élettani működés, a legősibb érzékek egyike. A legtöbb
egysejtű szervezet képes a kémiai anyagok koncentrációja alapján tájékozódni.
A sejthártyájukban lévő receptorok segítségével kötik meg az életterükben
található kémiai anyagokat; a növekvő tápanyag-koncentráció irányába vándorolnak,
és menekülnek a számukra veszélyes molekulák elől. A szaglás és az ízérzés
ennek az ősi kémiai érzékelésnek egyenes ági leszármazottja, ami nemcsak a
veszély felismerésében töltött és tölt be igen fontos szerepet, hanem a párválasztásban
és a szaporodásban is. (Gondoljunk csak a rovarok feromonjaira, melyek érzékelésére
egészen bonyolult struktúrák fejlődtek ki, vagy az emlősök illatmirigyeire.)
Szaglás nélkül azonban a zsákmányállat követése, az álcázás is lehetetlen
lenne, ahogyan az is, hogy az újszülött anyját megtalálja.
Az élőlények szaglási képességének fejlettsége leginkább az adott szervezet
életmódjától függ. A halaknak meglehetősen kevés receptoruk van, és vízben
élő szervezetek lévén a szagok, illetve az ízek érzékelése nem különíthető
el esetükben. Az egereknek több receptoruk van, mint az embereknek, hiszen
ezek a kisemlősök leginkább a szagok alapján tájékozódnak. Legendásan jó a
kutyák szaglása (kb. egymilliószor jobb, mint az emberé): míg az ember szaglóhámja
csupán 3-4, addig a kutyáé 130 négyzetcentiméter felületű. Fajon belül is
lehetnek komoly különbségek. Az ember esetében ismeretes például, hogy a nők
szaglása jobb, mint a férfiaké; több illatot tudnak egymástól elkülöníteni.
A szaglás tanulható is, minél többet gyakoroljuk az illatok elkülönítését,
annál többféle illatot és szagot tudunk egymástól megkülönböztetni. Különösen
jó szaglásuk van a szakácsoknak és a borkóstolóknak.
Hogyan lehetséges a számtalan - kémiai szerkezetét tekintve is nagyon eltérő
- szag- és illatanyag érzékelése, megkülönböztetése? Miért van az, hogy a
kellemes illatok más töménységben kellemetlennek tűnnek? Hogyan lehetséges
az, hogy emlékszünk a szagokra, és képesek vagyunk újra felismerni őket? Miért
lehetséges, hogy a szagok, illatok különböző emlékképeket idéznek fel bennünk?
Axel és Buck professzorok ezekre a kérdésekre adtak választ munkájuk során.
Külön érdekessége kutatásaiknak, hogy legősibb érzékünk működését csaknem
kizárólag molekuláris módszerekkel tárták fel. De mindenekelőtt vessünk egy
pillantást szaglószervünk és a szagokat feldolgozó idegrendszeri struktúrák
szerveződésére.
A szaglás anatómiája
Az ember szaglóhámjának 3-4 négyzetcentiméterén kb. 50 millió szaglósejt van. Persze, nemcsak szaglósejtek találhatók a szaglóhámban, hanem például a Bowman-sejtek is. Ezek a felelősek az enzimeket és ellenanyagokat is tartalmazó nyálka termeléséért, mely a szaglóhámot borítja. A nyálka fontos szerepet játszik a szaglási folyamatban, hiszen csak azok a molekulák juthatnak el a szaglósejtek receptoraihoz, amelyek képesek ebben a nyálkában oldódni. A szaglósejtek valójában bipoláris (kétnyúlványú) idegsejtek. Rövidebb nyúlványuk (a dendrit) a szaglóhám felületét borító nyálkába nyúlik, és 8-10 csillót hordoz, hosszabbik nyúlványuk (az axon) az orr porózus csontfalán áthatolva az orrüreg felett található két szaglógumóba fut. A szagokat felfogó receptorokat a csillók hordozzák. Nemcsak a szaglóhám, hanem az V. agyideg (a háromágú ideg) orrüregi végződései is szerepet játszanak a szaglásban. Ezek az idegvégződések is érzékenyek bizonyos anyagokra, ez azonban sokkal durvább érzékelés, mint ami a szaglóhámon történik. Általában a háromágú ideg végződései felelősek a csípős, szúrós, erős szagérzetért, amilyet például a pirospaprika kapszaicinje, a hagyma diallil-szulfátja, vagy a mustár izotiocianátja okoz.
A szaglósejtek a szaglógumók apró, gomolyagszerű képleteiben (a glomerulusokban) az úgynevezett mitrális sejtekhez kapcsolódnak. A mitrális sejtek dendritjei ágas-bogas fához hasonlítanak. Egy mitrális sejthez akár ezer sejt is csatlakozhat. A sejtek között helyet foglalnak még összekapcsoló, illetve gátló funkciójú neuronok is. A receptorokból érkező ingerületek ilyen módon a glomerulusokban koncentrálódnak. Ez a megoldás végső soron növeli az érzékelés hatékonyságát, hiszen egy glomerulusban sok receptor által közvetített információ gyűlik össze (1. ábra).
1. ábra. Szaglórendszerünk felépítése
A szaglógumóból az ingerület az agy egyik legősibb részébe, az uncusba kerül. A legnagyobb pálya innen az agy elsődleges érzékelő központjába, a thalamusba szállítja az ingerületet (ide futnak be a hallás és a látás ingerületei is). Egy másik pálya a nagyagy homloki (frontális) lebenyébe jut, ez a régió az érzékelés nagyagyi központja. Egy harmadik pálya azonban az úgynevezett limbikus rendszerbe szállítja az információt. A limbikus rendszer (melynek részei a hippocampus, az amygdala mag, a szeptális magok) az agy egyik legősibb régiója. Fontos szerepe van érzelmi hangulatunk, motivációink meghatározásában, illetve részt vesz a memória legalapvetőbb funkcióiban. A limbikus rendszer szoros kapcsolatban áll a hypothalamussal, amely a hormonális rendszer elsődleges idegi szabályozója. Ez az ősi, tudattalan réteg lehet a felelős mindazért, ahogy a szagok viselkedésünket tudat alatt befolyásolják.
A nagyagy az érzékelések integrációs központja, itt állnak össze a szagmintázatok, itt történik a szaglási emlékképek tárolása, illetve itt asszociálódhatnak a szagok más típusú (pl. vizuális) ingerekkel. Az agyból visszafelé is vezetnek idegek a szaglógumókba, ezeknek valószínűleg azokban a működésekben lehet szerepük, melyek törlik az addigi ingerületeket, és újak befogadására készítik fel a szaglószervet.
A szaglás kémiája, a molekulák illata
Az első hipotézist a szagok érzékelésével kapcsolatban Arisztotelész állította fel. Elmélete szerint az illatos anyagok sugárzást bocsátanak ki, amit szaglószervünk érzékelni képes. W. K. Miles és L. H. Beck 1947-ben azzal az állítással próbálta alátámasztani az elméletet, hogy a legyek a méz illatát olyan edényen át is megérzik, amely a távoli infravörös spektrumban átlátszó.
A huszadik század első felében még számos különös elmélet született a szagok érzékelésének magyarázatára, pedig meglepő módon már Epikurosz is közel járt az igazsághoz. Epikurosz elmélete szerint az illatos anyagok különböző alakú és felszínű atomokat juttatnak a levegőbe, és a szag milyensége az atomok tulajdonságaitól függ.
A legismertebb modern elmélet John Amoore-tól származik. Amoore szerint az orrban korlátozott számú, különböző receptor van, ezek mindegyike adott molekulaalakot ismer fel, és amikor inger éri, egy alapszagnak megfelelő jelet állít elő. Az alapszagok hasonlóak a színérzékelés alapszíneihez. Tehát a sokféle illat alapillatok keveréke, mint ahogy a színárnyalatok vörös, kék és sárga színből állnak össze.
M. G. J. Beets 1968-ban vetette fel, hogy a szagmolekulákat a funkciós csoportjaik illesztik a receptorhoz, és a szagot a receptor elé tárt molekulaprofil határozza meg.
Jelenlegi tudásunk szerint Epikurosz jó nyomon járt. Az illatos anyagok, ha nem is atomokat, de molekulákat "párologtatnak". A szagmolekulák a levegővel terjedve jutnak el orrnyálkahártyánkig. Ahhoz, hogy a szagokat érzékelni tudjuk, a molekuláknak át kell jutniuk a szaglóhámot borító nyálkán. Tehát elvileg csak olyan molekulák kerülhetnek kapcsolatba receptorainkkal, melyek vízoldékonyak, de némiképp képesek zsírokban is oldódni. Ennek a feltevésnek ellentmond, hogy olyan molekuláknak is van szaguk, melyek vízben egyáltalán nem oldódnak (pl. az izooktánnak). Egyes elméletek szagkötő fehérjékről szólnak, melyek a szagmolekulákat receptoraikhoz szállítják. Ezek után vagy disszociálnak a szagmolekuláról, vagy a receptor magát a szagmolekula-szagkötő fehérje komplexet ismeri fel. Más fehérjék a szagmolekula bontásában játszhatnak szerepet, így gátolva meg a receptorok folyamatos aktivációját a szaginger megszűnte után.
A szagmolekulák mérete, alakja, szerkezete, kémiai összetétele, felszínének struktúrája és töltései határozzák meg, hogy milyen receptorokhoz képesek kötődni. A legkisebb változtatás a molekula szerkezetében (mégha kémiai összetétele azonos marad is) megszüntetheti az adott receptorhoz való kötődést, vagy drasztikus változásokat okozhat a kötődés erősségében. Bonyolítja a képet, hogy a molekulák kémiai szerkezetén kívül a koncentrációjuk is nagyban befolyásolja az adott illat kellemes vagy kellemetlen voltát.
A szerkezet-szag korreláció egyik híres problémája a keserűmandula illata; melyet leginkább a benzaldehid és a hidrogén-cianid idéz elő. A benzaldehidhez hasonló és a benzaldehidet helyettesítő vegyületek vizsgálata azt mutatja, hogy minél inkább hasonlít egy molekula tér- és elektronszerkezete a benzaldehidéhoz, annál inkább megközelíti a mandula illatát. A hidrogén-cianid kémiailag nagyon különbözik a benzaldehidtől. A "mandulareceptor" feltételezésével nagyon nehezen magyarázhatjuk meg az eredményeket. De ha arra gondolunk, hogy a mandulaillat csak az agyunkban létezik az idegimpulzusok eredményeként, már nem vagyunk bajban, hiszen feltehetjük, hogy az agy megtanulta a kétféle jelsorozat (a benzaldehiddel és a hidrogén-cianiddal keltett jelek) hasonló értelmezését, mert a természetes mandulában a két molekula együtt jelenik meg az íz előanyaga, az amigdalin (a benzaldehid-cianohidrin glikozidja) lebontásának eredményeként.
A szagok közvetlen érzékelői a receptorok
Axel és Buck zseniális kísérlete az illatok receptorainak megtalálására irányult. A már régebben ismeretes volt, hogy a szagok érzékelésében szerepet játszó receptorok a szaglósejtjeink dendritjének csillóin helyezkednek el. Ha ezeket a csillókat szelektíven eltávolítjuk, a szagok érzékelése megszűnik. A szaglási szignáltranszdukciós folyamatok is ezekben a csillókban zajlanak. A szagingerek aktiválják az adenilil-cikláz-enzimet, melynek működése a cAMP (ciklikus adenozin-monofoszfát) molekula szintjének emelkedéséhez vezet. Mivel az adenilil-cikláz aktivációjához GTP is szükséges, valószínűnek tűnt, hogy a receptorok és az adenilil-cikláz között egy GTP-áz fehérje (az úgynevezett G-fehérje) biztosítja a jel sejten belüli átadását. A szagok által aktivált receptor tehát a G-fehérjén keresztül fokozza az adenilil-cikláz működését; a cAMP-szint emelkedése pedig a szaglósejtek depolarizációjához vezet. Ez azért lehetséges, mert a szaglósejtek membránjában olyan kationcsatornák (nátrium- és kalciumcsatornák) foglalnak helyet, melyek a cAMP-molekula hatására megnyílnak. A nyitott csatornán keresztül beáramló kationok a szaglósejt membránjának depolarizációját okozzák (2. ábra). Így az emelkedett cAMP-szint membránpotenciállá "fordítódik át". Az így kialakult ingerület jut tovább a sejtek axonjain át a szaglórendszer felsőbb központjaiba.
2. ábra. A szaganyag kötése
a receptorhoz a G-fehérje és az adenilil-cikláz aktivációján keresztül
cAMP-molekulák keletkezéséhez és kationok beáramlásához vezet
Amikor Axel és Buck elkezdték munkájukat, már számos hormon és idegi ingerületátvivő anyag receptorának szerkezete ismert volt. Ezek a receptorok úgynevezett transzmembránfehérjék, a sejthártyában rögzülnek. Három főbb doménre (önálló fehérjeszerkezeti elemre) tagolhatók: van egy sejten kívüli doménjük, mely a ligand (a receptor által felismert elsődleges jelmolekula) megkötéséért felelős; egy sejten belüli doménjük, mely a ligand megkötése után a sejtszintű változások (aktiváció) előidézésére képes; illetve egy középső, hét, egymáshoz nagyon hasonló alfa-hélixből álló szakaszuk, mely a receptornak a sejtmembránba való pányvázásáért felel (3. ábra). A receptorok ligandjuk megkötése után sejten belüli, vagy a sejt membránjában helyet foglaló más fehérjék megkötésére válnak képessé. A receptor által okozott aktiváció eredménye mindig valamilyen másodlagos hírvivő molekula (second messenger) megjelenése, mely a sejten belül szállítja az információt. Mivel egy receptor aktivációja mindig számos másodlagos hírvivő molekula felszabadulásával jár, a folyamat önmagát erősíti: úgynevezett aktivációs kaszkád jön létre.
3. ábra. Hét transzmembrán-doménnel
rendelkező receptor. A receptor sejten kívüli doménjével köti meg ligandját,
míg sejten belüli doménje a G-fehérje aktivációjára képes
A nyolcvanas évek végén, a különféle receptorok szerkezetének és működésének megismerése után alapvetően két elmélet állt egymással szemben a szagok érzékelésére vonatkozóan. Az egyik szerint - a fényérzékeléshez hasonlóan - csak két-három receptor vesz részt a szagmolekulák megkötésében. Ezen elmélet szerint a szaglóreceptorok nem túl specifikusak; több különböző szagmolekulával is képesek interakcióba lépni. A másik elmélet szerint a szaglóreceptorok rendkívüli mértékben specifikusak az egyes illatok molekuláira. Ebben az esetben viszont igen nagy számú szaglóreceptornak kell a szaglórendszer rendelkezésére állnia.
Axel és Buck egy egyszerű elgondoláson alapuló, ám igen sok munkát igénylő módszert használtak fel a kérdés eldöntésére. A már ismert receptorok szerkezeti elemeihez való feltételezett hasonlóság alapján próbálták azonosítani a szaglóreceptorokat. Úgynevezett "degenerált" oligonukleotidok segítségével próbálták felerősíteni azokat a patkány szaglóhámjából származó RNS-szakaszokat, melyek a feltételezett receptorokat kódoló génekről íródnak át. Az oligonukleotidokat a már ismert receptorok DNS-szerkezete alapján tervezték meg, majd az összes lehetséges kombinációban használták őket az úgynevezett polimeráz-láncreakcióban (PCR). Ezen reakció során a kifejeződő génekről átíródó RNS- molekulák DNS-molekulákká másolódnak át. Az átmásolt (és így felerősített) molekulák ezek után már könnyen vizsgálhatók. Ha adott DNS-szakaszokat restrikciós endonukleázokkal (a DNS rövid, specifikus szakaszait felismerő és azokat hasító enzimekkel) hasítjuk, olyan DNS-darabokat nyerünk, melyek hosszát összeadva megkapjuk az eredeti szakasz hosszát. Axel és Buck azonban azt tapasztalták, hogy az általuk felerősített DNS-szakaszokra ez az állítás nem igaz, mert a kapott hasítási termékek méretét összeadva az eredeti DNS méretét jócskán meghaladó nukleotidszámokat kaptak. Ez csak úgy lehetséges, hogy az általuk felerősített DNS-szakaszok számos génből származó hasonló méretű szakaszokból álló kevert mintát jelentenek, melyeket elhasítva a kapott DNS-darabok elválaszthatók egymástól. Ez pedig azt jelenti, hogy a degenerált oligonukleotidokkal végzett polimeráz-láncreakció egy géncsalád igen sok, hasonló szerkezetű tagját azonosította.
Mint említettük, a láncreakcióhoz a kutatók patkány szaglóhámjából kivont RNS-eket használtak kiindulási mintaként. Az azonosított receptorgének tehát kizárólag olyanok, amelyek valóban kifejeződnek a patkány szaglósejteiben. Levonhatjuk tehát azt a következtetést, hogy a szaglásban nagy számú, hasonló szerkezetű (egy családot alkotó) receptor vesz részt.
Az új "multigén-receptorcsalád" számos hasonlóságot mutatott a korábban azonosított receptorokkal, de lényeges eltérések is megfigyelhetők voltak. Az újonnan azonosított receptorok is hét transzmembrándomént tartalmaztak, és G-fehérjéken keresztül közvetítették az információt az ioncsatornák felé, ám egyes doménjeik közel sem mutattak olyan fokú konzerváltságot, mint a hormonreceptorok. Ez érthető is, mivel a hormonok megkötésére képes receptorokkal szemben ezeknek a fehérjéknek igen nagy számú, különböző liganddal kell kölcsönhatásba lépniük, és ez a kölcsönhatás nagyfokú változatosságot feltételez.
A szaglóreceptorok családja tehát a receptorok DNS-szekvenciája alapján alcsaládokra tagolható. Az egyes alcsaládok a kémiailag különböző típusú szagmolekulák felismerésére specializálódtak. Az azonos alcsaládba tartozó receptorok az egymással kémiai hasonlóságot mutató, ám kisebb szerkezeti eltéréseket hordozó molekulák megkülönböztetéséért felelősek. Axel és Buck megjegyzik, hogy a korábbi sztereokémiai elméletekkel ellentétben ez nem jelenti azt, hogy a hasonló szerkezetű molekuláknak hasonló szaguk lenne, hiszen az egyes receptorok által közvetített jelhez a szagot agyunk rendeli hozzá.
A receptorcsalád egyes tagjai csak igen kis számú szaglósejtben jelennek meg. Szaglóhámunk sejtjei tehát igen változatosak a receptorgének kifejeződési mintázatát tekintve.
1000 receptor, 10 000 szag
Axel és Buck becslései alapján összesen mintegy 1000 receptorunk van a szagok érzékelésére. Ez azt jelenti, hogy genomunk 3-5 százaléka szaglóreceptorokat kódol. A receptorok meglehetősen specifikusak a szagok molekuláira. Általában több különböző, de szerkezetileg nagyon hasonló ligandot képesek megkötni, bár a kötés erőssége (a receptor affinitása a különböző ligandokhoz) igen különböző lehet. A szaglósejtek specifikusan csak egy bizonyos receptort fejeznek ki. A szaglógumó egyes glomerulusaiba csak egy bizonyos receptort hordozó szaglósejtek szállítanak ingerületet. Ezt a jelenséget az ingerület konvergenciájának nevezik, mert egy glomerulusba számos azonos receptort kifejező szaglósejtből érkezik ingerület. Ez a konvergencia szerepet játszik a szaglás érzékenységének felerősítésében is.
Azt is tudjuk, hogy az egyes glomerulusokból csupán egyetlen idegsejt szállít információt a felsőbb központok felé. Mindez azt jelenti, hogy a szagok érzékelése rendkívüli módon specifikus folyamat, és az egyedi szagmolekulákból csak a felsőbb központokban áll össze a "szaglási minta". A pályákon specifikusan szállított jelek végül mozaikként összeállva szagérzetet hoznak létre, illetve szagmemóriaként tárolódnak. Egyes becslések szerint az ember körülbelül 10 000 különféle szag megkülönböztetésére képes, melyekről ma már tudjuk, hogy mintegy 1000 különféle receptor által érzékelt szaganyag kombinációjából adódnak. Ez azt jelenti, hogy a szaglóreceptorok családja az egyik legnagyobb géncsaládja genomunknak.
A szaglásunk sokkal több receptort igényel, mint színlátásunk. Míg a három fényreceptorunk - átfedő érzékelési tartománnyal - elegendő ahhoz, hogy a teljes színes spektrumot érzékeljük, a szagok általunk érzékelt spektruma 1000 receptort vesz igénybe.
Hogyan alakulhatott ki ennyi szaglóreceptorunk az evolúció során? Egy feltételezés szerint a szaglóreceptorok az immunglobulinokhoz hasonló géncsaládot alkotnak. Az immunglobulinokat kódoló gének úgynevezett "génklaszterekbe" szerveződnek. A génkonverziónak nevezett mechanizmus felelős azért, hogy az immunglobulingének egyes egységeiket egymás között könnyen kicserélhessék, és így jöhet létre az ezekre a génekre jellemző igen nagyfokú változatosság. Az Axel és Buck által azonosított receptorgének szerkezete azonban nem enged ilyenfajta következtetéseket. A kutatók sokkal valószínűbbnek tartják, hogy a szaglóreceptorok esetében nagy számú egyedi génnel állunk szemben, azonban nem kizárható, hogy a konverziós jelenség részt vesz a receptorgének kifejeződésének szabályozásában.
Szaglóhámunk - a szaglósejtek között
elhelyezkedő alapsejtek osztódásának köszönhetően - 30-60 naponta megújul,
és ezen folyamat során nem veszíthetünk el receptorokat. Ha az egyes receptorokat
kifejező szaglósejtek meghatározott pozícióban helyezkednek el a szaglóhámban,
akkor lehetséges, hogy az ott lévő szaglósejtek adnak információt a frissen
keletkező sejtnek arra nézve, hogy annak melyik receptorgénjét kell kifejeznie.
Persze, a szaglás sok vonatkozásában különbözik más érzékelési működéseinktől.
Nem vagyunk képesek érzékelni a szagok térbeli helyzetét vagy a forrás irányát,
mint ahogyan ez a látás vagy a hőérzékelés esetében nyilvánvaló. A szagok
által hordozott információ mégis elsődleges szerepet tölt be az élőlények
életében, és a szagok érzékelésére létrejött apparátus igen bonyolult szerveződésű.