№11 ноябрь 2022

Портал функционирует при финансовой поддержке Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций.

Зачем обоняние лёгким

Кирилл Стасевич

Обоняние в лёгких? Это что, шутка? Вовсе нет! Обонять могут не только лёгкие, но и печень, почки, кожа, иммунные клетки… Правда, лёгкие или печень обоняют не совсем так, как это делает нос. Но чтобы понять, что такое обоняние в лёгких, нужно вспомнить, как оно работает в носу.

Фото Натальи Домриной.
Когда на обонятельный рецептор садится молекула из внешней среды, рецептор связывается с G-белком, а G-белок передаёт полученный сигнал разным клеточным исполнителям. Сигнал от G-белка может прийти к мембранным белкам, работающим ионными насосами: благодаря ионным насосам по обе стороны мембраны меняется количество положительных и отрицательных ионов, и по мембране начинает бежать потенциал действия — электрохимический импульс, который несёт информацию от рецептора в мозг. Сигнал от G-белка может через цепочку посредников повлиять на энергетические реакции в клеточных органеллах митохондриях, а может прийти к ядерной ДНК, чтобы усилить или ослабить работу тех или иных генов. Рисунок Кирилла Стасевича.
Электронная микрофотография крысиного обонятельного нейрона. Обонятельный нейрон чувствует запаховые молекулы обонятельной булавой — утолщением на отростке-дендрите, из которого выходят длинные реснички. Белки-рецепторы сидят как раз на этих ресничках. Источник: lsaesser R., Paysan J. The sense of smell, its signalling pathways, and the dichotomy of cilia and microvilli in olfactory sensory cells. BMC Neurosci 8 (Suppl 3), S1 (2007).
Макрофаг с растянутыми в стороны «руками» — цитоплазматическими выростами, с помощью которых он ползает и захватывает всякие подозрительные частицы. Макрофаги — одни из множества клеток организма, у которых есть свои обонятельные рецепторы. Источник: Obli/Wikimedia Commons/CC BY-SA 2.0.
Наука и жизнь // Иллюстрации

Органы чувств — это нос, глаза, уши, язык, ну а осязаем мы всей кожей. Любой орган состоит из клеток. В органах чувств есть особые клетки, которые называют рецепторными: они чувствуют сигналы из окружающей среды и мгновенно сообщают о них в мозг. А чем чувствует сигналы сама рецепторная клетка? Для этого у неё есть рецепторный белок, который сидит в наружной клеточной мембране. Из окружающей среды к клетке приходит свет или звук, или запахи, или же она чувствует механическое давление. Белок-рецептор ощущает это воздей-ствие и передаёт сигнал другим клеточным белкам, они помогают клетке запустить нервный импульс, который по нервам побежит в соответствующий отдел мозга — зрительный, обонятельный и т. д.

Если мы заглянем в нос, то обнаружим в нём обонятельные рецепторные нейроны с обонятельными белками-рецепторами. На них из воздуха приземляются самые разные молекулы, и после того, как сигнал от обонятельных нейронов добежал до мозга, мы понимаем, чем пахнет.

Белков для обоняния существует очень много: в целом у млекопитающих есть порядка тысячи генов, кодирующих обонятельные рецепторы. Человек — не самый выдающийся нюхач, если сравнивать с животными, но и у него таких генов насчитывается примерно 400. По разным оценкам, люди могут различить от десяти тысяч до триллиона запахов! Несоответствие между числом генов и количеством запахов кажется странным, но готовый запах получается после комбинирования сигналов от множества разных обонятельных нейронов, сообщающих о разных молекулах.

Исследователи, изучавшие молекулярные механизмы обоняния, искали гены, которые должны работать в клетках, передающих в мозг информацию о запахах. Подразумевалось, что эти гены неактивны больше ни-где: действительно, зачем лёгким или коже, или печени белки, помогающие чувствовать запахи? Но вскоре оказалось, что обонятельные белки есть в органах, которые к обонянию не имеют никакого отношения.

В этих органах сначала всё происходит так же, как в носу: какая-то молекула садится на обонятельный рецептор, а тот передаёт сигнал белку-напарнику внутри клетки. Но никакой импульс в мозг не бежит. Обонятельные рецепторы за пределами носа сидят не на нейронах, а на других клетках, которые не умеют генерировать электрические импульсы. Да им это и не нужно, у них другие задачи. Что же случается с ними, когда у них активируется обонятельный рецептор?

Стоит назвать напарника, с которым работает обонятельный рецептор. Это G-белок*, и он такой не один — их очень много разных видов, и все они служат промежуточными передатчиками сигналов от рецепторов к внутриклеточным получателям. Если надо сгенерировать нейронный импульс, G-белок передаёт сигнал тем белкам, которые управляют электрическим зарядом на клеточной мембране. Но точно так же G-белок может передать сигнал другим исполнителям, которые управляют биохимическими реакциями или, например, включают либо выключают определённые гены в ядре. Этот белок можно сравнить с электрической розеткой, в которую мы втыкаем ноутбук, зарядку для смартфона или настольную лампу. Ведь что на самом деле делают обонятельные рецепторы, если отвлечься от обоняния? Они связывают разные молекулы, то есть служат химическими датчиками. В носу обонятельные рецепторы сидят в нейронах, вот и получается обоняние. В лёгких, в коже и в других органах химическая информация от рецепторов не бежит в обонятельный отдел мозга, а используется для других целей. Иными словами, это не лёгкие приспособили обоняние к своим нуждам, это нос использует систему химической детекции, чтобы сообщать в мозг об окружающих запахах.

Статья с описанием обонятельных генов, которые работают в носу, появилась в журнале «Cell» в 1991 году, а буквально в следующем году в «Nature» была опубликована новая статья о том, что гены того же обонятельного семейства работают в половой системе самцов крыс. Однако почти до конца 90-х годов к «обонянию» в половой системе относились в лучшем случае как к странному казусу природы. Возможно, свою роль сыграло то, что к этим рецепторам изначально прилипло определение «обонятельные».

Вненосовыми обонятельными рецепторами стали заниматься более или менее плотно только в 2000-е годы. Оказалось, что если судить по активности генов, то едва ли не в каждой ткани и органе должно быть от нескольких десятков до сотни рецепторов. Хотя исследования проводили на животных, результаты менее удивительными от этого не выглядели. Но на самом деле мало увидеть активность гена, нужно ещё убедиться, что рецептор действительно работает и что его присутствие за пределами носа не есть признак какой-то странной аномалии.

Функцию обонятельного рецептора понять непросто. Для этого хорошо бы найти вещество, которое он «чует» (то есть с которым он связывается), и выбор часто оказывается просто огромным. Да и далеко не всегда то вещество, которое удаётся найти, есть в живом организме. Однако обонятельные рецепторы способны ловить не один какой-то вид молекул, а несколько видов; среди них могут оказаться и те, с которыми имеют дело живые клетки. Можно пойти иным путём: отключить ген рецептора и посмотреть, что получится. Так или иначе, для многих вненосовых обонятельных рецепторов удалось определить физиологические функции.

Возьмём, например, лёгочные обонятельные рецепторы — они сидят на клетках гладких мышц в стенках бронхиол. Бронхиолы — конечные ответвления дерева бронхов, заканчивающиеся гроздьями пузырьков-альвеол. Газообмен идёт в альвеолах, но бронхиолы контролируют ток воздуха, сокращая и расслабляя мышечную ткань. Обонятельные рецепторы как раз помогают управлять мышечными стенками бронхиол. Также они участвуют в воспалительных процессах, будучи связаны с некоторыми заболеваниями, в которых задействован иммунитет — такими, как астма.

В печени один из обонятельных рецепторов ловит из крови гормон аспросин и, поймав его, заставляет клетку выбросить в кровь побольше глюкозы (печень — один из главных органов, следящих за метаболизмом углеводов). А в почках обонятельный рецептор реагирует на небольшие жирные кислоты, вроде уксусной или пропионовой, производимые желудочно-кишечными бактериями. Почувствовав жирные кислоты, рецептор даёт почкам сигнал повысить в крови уровень гормона ренина, который регулирует кровяное давление. Правда, тут пока не очень понятно, действительно ли «бактериальных» жирных кислот в крови хватает для того, чтобы через почечный обонятельный рецептор управлять кровяным давлением.

Один из кожных обонятельных рецепторов стимулирует заживление ран и рост волос, причём активировать его можно запахом сандала (кожа реагирует на настоящее пахучее вещество, пусть мозг об этом и не знает). Эксперименты с кожным рецептором проводили на людях, и оказалось, что некоторые виды сандаловой косметики действительно помогают сделать волосы более пышными.

Ещё один пример — иммунные клетки макрофаги, которые с помощью своего обонятельного рецептора чувствуют в крови каприловый альдегид, или октаналь. (Кстати, если понюхать сильно разбавленный октаналь, то чувствуется приятный цитрусовый запах, а если понюхать сильно концентрированный октаналь, то ощущается неприятный резкий запах жира, который иногда сравнивают с несвежей подогретой курицей.) Макрофаги — блуждающие клетки, которые бродят по тканям и ищут, что где не так. В частности, макрофаги запускают и поддерживают воспалительную реакцию, которая, как мы знаем, служит иммунным оружием против инфекций. Но октаналь провоцирует их на воспаление сам по себе, без всяких микробов. Макрофаги, раздражённые октаналем, повышают вероятность атеросклероза — во всяком случае, об этом говорят опыты на мышах. У некоторых людей уровень октаналя в крови повышен, причём это повышение нередко совпадает с повышенным уровнем холестерина.

Ещё раз напомним, что обонятельные рецепторы способны связывать разные вещества. Предположительно, похожим образом на активацию обонятельных рецепторов могут реагировать и клетки некоторых других видов рака. Как видим, изучение вненосовых обонятельных рецепторов может быть полезно не только с точки зрения общей биологии, но и в сугубо практическом смысле.

Гены обонятельных рецепторов лёгких, печени, иммунных клеток и т. д. входят в число тех нескольких сотен, о которых мы говорили в начале. Про обычное обоняние мы знаем, что оно тем лучше, чем больше таких генов есть в геноме. А что насчёт вненосового обоняния? Если у человека генов обонятельных рецепторов около четырёх сотен, а у мыши чуть больше тысячи, значит ли это, что мыши шире используют обонятельную регуляцию лёгких, печени и иммунитета? На этот вопрос ответа пока нет: даже у обычного обоняния ещё не все секреты раскрыты, что уж говорить про вненосовое.

Но раз уж мы снова начали считать, у кого больше обонятельных генов, то стоит заметить, что человек тут не самый последний вид зверей: у орангутанов их вообще только 296. А вот чемпионы здесь не собаки, как можно было ожидать, и вообще не хищники, а африканские слоны — у них обонятельных генов насчитали 1948. В выдающемся обонянии слонам не откажешь: например, известно, что они по запаху отличают людей из двух африканских племён — масаев и камба. Камба слонов никак не беспокоят, а вот юноши масаи охотятся на них, чтобы доказать свою зрелость, вот слоны и стараются не попадаться им на глаза.

Комментарии к статьи

* Сами обонятельные рецепторы относятся к обширному семейству белков, которые так и называются — рецепторы, сопряжённые с G-белком (GPCR, G-protein-coupledreceptors). К ним же относятся фоточувствительные белки палочек и колбочек.

Другие статьи из рубрики «Биологические беседы»

Портал журнала «Наука и жизнь» использует файлы cookie. Продолжая пользоваться порталом, вы соглашаетесь с хранением и использованием порталом и партнёрскими сайтами файлов cookie на вашем устройстве. Подробнее