اخبار علمی, مطالب
تحقیقات جدید درمورد نحوه کار گیرنده های بویایی
سیستم بویایی در زیر حس بویایی ما نهفته است، ما فقط به سه گیرنده در چشمانمان احتیاج داریم تا همه رنگهای رنگین کمان را حس کنیم این به این دلیل است که رنگ های مختلف به صورت امواج نوری ظاهر می شوند که فقط در یک بعد ، فرکانس آنها متفاوت است. جهان رنگارنگ و پر جنب و جوش ، در مقایسه با پیچیدگی جهان شیمیایی ، حرفی برای گفتن ندارد ، با میلیون ها بو ، که هر کدام از صدها مولکول تشکیل شده اند ، همه از نظر شکل ، اندازه و خواص بسیار متفاوت هستند. به عنوان مثال ، بوی قهوه از ترکیبی از بیش از 200 جزء شیمیایی بیرون می آید ، که هر کدام از نظر ساختاری متنوع هستند و هیچ کدام در واقع بوی قهوه به تنهایی بو نمی دهند.
نسا روتا ، عصب شناس راکفلر(Rockefeller neuroscientist Vanessa Ruta) می گوید: سیستم بویایی باید تعداد زیادی مولکول با چند صد گیرنده بو یا حتی کمتررا تشخیص دهد. “واضح است که باید منطقی متفاوت از سایر سیستم های حسی ایجاد کند.
یافته های منتشر شده در Nature نشان می دهد گیرنده های بویایی در واقع منطقی را دنبال می کنند که به ندرت در سایر گیرنده های سیستم عصبی دیده می شود. در حالی که اکثر گیرنده ها دقیقاً به گونه ای شکل گرفته اند که فقط با چند مولکول انتخابی به صورت قفل و کلید جفت شوند ، اکثر گیرنده های بویایی هر کدام به تعداد زیادی مولکول مختلف متصل می شوند. بی پروایی آنها در ترکیب با انواع بوها به هر گیرنده اجازه می دهد تا به بسیاری از اجزای شیمیایی پاسخ دهد. از آنجا ، مغز می تواند بو را با در نظر گرفتن الگوی فعال سازی ترکیب گیرنده ها تشخیص دهد.
گیرنده های بویایی 30 سال پیش کشف شدند. اما دانشمندان نتوانسته اند آنها را از نزدیک ببینند و عملکردهای آنها را رمزگشایی کنند ، تا حدی به این دلیل که این گیرنده ها خود را به روش های معمول تصویربرداری مولکولی نشان ندادند. با پیچیده شدن موضوع ، به نظر می رسد هیچ قافیه یا دلیلی برای ترجیح گیرنده ها وجود ندارد – یک گیرنده بو می تواند به ترکیباتی که از نظر ساختاری و شیمیایی متفاوت هستند پاسخ دهد.
Josefina del Mármol ، یک فوق تخصص در Ruta’s می گوید: “برای ایجاد یک درک اساسی از تشخیص بو ، ما باید بدانیم که چگونه یک گیرنده می تواند چندین ماده شیمیایی مختلف را تشخیص دهد ، که این ویژگی اصلی عملکرد سیستم بویایی است و یک راز است.”
بنابراین روتا و دل مورمول ، به همراه مکنزی یدلین ، دستیار تحقیق در آزمایشگاه ، با استفاده از پیشرفت های اخیر در میکروسکوپ الکترونی کرایو برای حل ساختار گیرنده بو اقدام کردند. این تکنیک که شامل پرتوی الکترونها در یک نمونه یخ زده است ، می تواند ساختارهای مولکولی بسیار کوچک را به صورت سه بعدی ، تا اتمهای جداگانه آنها آشکار کند.
تیم به سراغ حشره ای رفت که ژنوم آن به تازگی توالی یابی شده است و تنها پنج نوع گیرنده بویایی دارد. اگرچه سیستم بویایی آن سشاده است ، گیرنده های آن متعلق به خانواده بزرگی از گیرنده است که در صدها هزار گونه مختلف حشره وجود دارد. علیرغم تنوع ، این گیرنده ها به یک شکل عمل می کنند: آنها یک کانال یونی را تشکیل می دهند – منافذی که ذرات باردار از طریق آن جریان می یابند – که تنها زمانی که گیرنده با بوی نامطبوع خود برخورد می کند باز می شود و در نهایت سلول های حسی که حس بویایی را آغاز می کنند فعال می شود.
محققان OR5 را انتخاب کردند ، گیرنده ای که دارای قابلیت تشخیص وسیع است و به 60 درصد از مولکول های کوچک آزمایش شده پاسخ می دهد.
آنها سپس ساختار OR5 را به تنهایی مورد بررسی قرار دادند و همچنین به یک ماده شیمیایی ، یا اوژنول ، یک مولکول رایج رایحه ، یا DEET ، دافع حشرات ، متصل شدند. روتا می گوید: “ما از مقایسه این سه ساختار چیزهای زیادی آموختیم.” “یکی از چیزهای زیبایی که می توانید مشاهده کنید این است که در ساختار بدون اتصال به DEET منافذ بسته است ، اما در ساختاری که به یا DEET متصل است ، منافذ متسع شده و مسیری را برای جریان یون ها فراهم می کند.”
با در دست داشتن ساختارها ، تیم به نظر می رسید تا دقیقاً ببیند که دو مولکول شیمیایی متفاوت کجا و چگونه به گیرنده متصل می شوند. دو ایده در مورد تعامل گیرنده های بو با مولکول ها وجود دارد. یکی این است که گیرنده ها تکامل یافته اند تا بخشهای بزرگی از مولکولها را با پاسخ به ویژگی جزئی اما تعیین کننده یک مولکول ، مانند بخشی از شکل آن ، تشخیص دهند. محققان دیگر پیشنهاد کرده اند که هر گیرنده به طور همزمان چندین جایگاه روی سطح خود قرار داده و به آن اجازه می دهد تعدادی مولکول مختلف را در خود جای دهد.
اما آنچه روتا یافت هیچ کدام از آن سناریوها مناسب نبود. مشخص شد که DEET به یک مکان متصل می شوند. و در کمال تعجب ، اسیدهای آمینه پوشاننده آن مکان، پیوندهای شیمیایی قوی و انتخابی با مواد معطر ایجاد نکردند ، بلکه فقط پیوندهای ضعیفی ایجاد کردند. در حالی که در اکثر سیستم های دیگر ، گیرنده ها و مولکول های هدف آنها مطابقت شیمیایی خوبی دارند ، در اینجا آنها بیشتر شبیه آشنایان دوستانه به نظر می رسند. روتا می گوید: “این نوع فعل و انفعالات شیمیایی غیر اختصاصی اجازه می دهد تا بوهای مختلف شناخته شوند.” روتا می گوید: “به این ترتیب ، گیرنده نسبت به یک ویژگی شیمیایی خاص انتخابی نیست. بلکه طبیعت شیمیایی عمومی بو را تشخیص می دهد.”
و همانطور که مدل های محاسباتی نشان داد ، همان مکان می تواند بسیاری از مولکول های بوی دیگر را به طور یکسان در خود جای دهد. روتا می گوید اما بی پروایی گیرنده به این معنا نیست که ویژگی خاصی ندارد. اگرچه هر گیرنده به تعداد زیادی از مولکول ها پاسخ می دهد ، اما نسبت به بقیه حساس نیست. علاوه بر این ، یک جهش ساده در اسیدهای آمینه محل اتصال ، گیرنده را مجدداً پیکربندی می کند و مولکول هایی را که ترجیح می دهد با آنها متصل شوند ، تغییر می دهد. این یافته اخیر همچنین توضیح می دهد که چگونه حشرات توانسته اند میلیون ها نوع گیرنده بو را برای طیف گسترده ای از شیوه های زندگی و زیستگاه هایی که با آنها روبرو هستند تکامل دهند. روتا می گوید: یافته ها به احتمال زیاد نماینده بسیاری از گیرنده های بویایی هستند. “آنها به اصول کلیدی در تشخیص بو ، نه تنها در گیرنده های حشرات ، بلکه در گیرنده های داخل بینی خود اشاره می کنند که باید جهان شیمیایی غنی را نیز تشخیص داده و تبعیض قائل شوند.”
