جهان پیرامون با وجود حواس مختلف ماست که هیجان انگیز شده است.
سیستم بویایی با چالش های پیچیده مواجه است. وجود حواس مختلف مانند بینایی یا بویایی است که سبب درک بیشتر جهان می شود. در سیستم بینایی، ما فقط با کمک سه گیرنده می توانیم رنگ های مختلف را درک کنیم. یک رنگین کمان را به زیبایی بعد از بارش باران ببینیم. میدانیم که رنگ های مختلف به صورت امواج نوری ظاهر می شوند که دارای فرکانس های متفاوت می باشند.
جهان رنگارنگ و پر جنب و جوش اما در مقایسه با پیچیدگی شیمیایی اطراف و با میلیون ها بوی مختلفی که وجود دارد، رنگ پریده است. ترکیبات شیمیایی که به صورت بو درک می شوند از صدها مولکول تشکیل شده اند. همه این مولکول ها از نظر شکل، اندازه و خواص بسیار متفاوت هستند. به عنوان مثال، بوی قهوه از ترکیبی بیش از 200 جزء شیمیایی ناشی می شود. هر کدام از اینها از نظر ساختاری متنوع هستند و هیچ کدام به تنهایی بوی قهوه نمی دهند.
دکتر روتا متخصص علوم اعصاب در راکفلر می گوید:
“سیستم بویایی باید تعداد زیادی مولکول را با کمک فقط چند صد گیرنده بو یا حتی کمتر تشخیص دهد”. “واضح است که باید نسبت به سایر سیستم های حسی با منطق متفاوتی تکامل یافته باشد”.
در یک مطالعه جدید، روتا و همکارانش با ارائه اولین نمای مولکولی از گیرنده های بویایی پرداختند. به سوالی که چند دهه درمورد تشخیص بویایی مطرح بود پاسخ دادند.
یافته های این مطالعه در Nature منتشر شد. نشان می دهد که گیرنده های بویایی در واقع منطقی را دنبال می کنند که به ندرت در سایر گیرنده های سیستم عصبی دیده می شود.
اکثر گیرنده ها دقیقاً به گونه ای شکل گرفته اند که تنها با چند مولکول انتخابی به صورت قفل و کلید جفت می شوند. اما اکثر گیرنده های بویایی هریک به تعداد زیادی مولکول مختلف متصل می شوند. ترکیب شدن آنها با انواع بوها، به هر گیرنده اجازه می دهد تا به بسیاری از اجزای شیمیایی پاسخ دهد. بنابراین، مغز می تواند بوها را با در نظر گرفتن الگوی فعال سازی ترکیب گیرنده ها تشخیص دهد.
شناخت کلی گیرنده های بو
گیرنده های بویایی 30 سال پیش کشف شدند. اما دانشمندان نتوانسته اند عملکردهای مکانیکی آنها را رمزگشایی کنند. یکی از دلایل این است که این گیرنده ها به روش های معمول تصویربرداری مولکولی مشاهده نمی شوند.
با پیچیده شدن موضوع، به نظر می رسد هیچ دلیلی برای ترجیح گیرنده ها وجود ندارد. یک گیرنده بو می تواند به ترکیباتی که از نظر ساختاری و شیمیایی متفاوت هستند پاسخ دهد.
دانشمندان می گویند: “برای ایجاد یک درک اساسی از تشخیص بو، ما باید بدانیم که چگونه یک گیرنده می تواند چندین ماده شیمیایی مختلف را تشخیص دهد. این ویژگی اصلی عملکرد سیستم بویایی است و یک راز است.”
بنابراین دکتر روتا به همراه همکارانش در آزمایشگاه، با استفاده از پیشرفت های اخیر در میکروسکوپ الکترونی کرایو برای حل ساختار گیرنده بو اقدام کردند.
این تکنیک، شامل پرتوهای الکترون در نمونه یخ زده است. می تواند ساختارهای مولکولی بسیار کوچک را به صورت سه بعدی، تا اتم های جداگانه آنها آشکار کند.
روش مطالعه
این تیم تحقیقاتی به سراغ حشراتی خاص رفتند. حشره ای که ژنوم آن به تازگی توالی یابی شده است. تنها پنج نوع گیرنده بویایی دارد. اگرچه سیستم بویایی آن ساده است، گیرنده های آن متعلق به خانواده بزرگی از گیرنده ها با ده ها میلیون نوع مختلف است. تصور می شود 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. تنها زمانی که گیرنده با بوی خاصی برخورد می کند باز می شود. در نهایت سلول های حسی که حس بویایی را تشخیص می دهند، فعال می شود.
محققان OR5 (گیرنده بویایی-5) را انتخاب کردند. گیرنده ای که دارای قابلیت تشخیص وسیع است. به 60 درصد از مولکول های کوچک آزمایش شده پاسخ می دهد.
آنها سپس ساختار OR5 را به تنهایی مورد بررسی قرار دادند.همچنین اتصال آن را به یک ماده شیمیایی، یک مولکول بوی رایج، یا DEET، دافع حشرات بررسی کردند.
دکتر 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 فاقد اتصال گیرنده، منافذ بسته اند. اما در ساختاری که به DEET متصل است، منافذ متسع شده است. پس مسیری را برای جریان یون ها فراهم می کند”.
با مشاهده ساختارها، این تیم تحقیقاتی به نظر می رسید که دقیقا محل و چگونگی اتصال دو مولکول شیمیایی متفاوت به گیرنده بو را کشف کردند.
دو نظریه در مورد تعامل گیرنده های بو با مولکول ها وجود دارد.
یک نظریه این است که گیرنده ها به نحوی تکامل یافته اند تا بخش های بزرگی از مولکول ها را با پاسخ به ویژگی جزئی، اما تعیین کننده یک مولکول، مانند بخشی از شکل آن، تشخیص دهند. محققان در نظریه دیگر پیشنهاد کرده اند که هر گیرنده به طور همزمان چندین پاکت روی سطح دارد. پس به آن اجازه می دهد تعدادی مولکول مختلف را در خود جای دهد.
دانشمندان مشاهده کردند که DEET و مولکول دیگر در یک مکان متصل می شوند. درواقع در یک پاکت واقع روی گیرنده قرار می گیرند. در کمال تعجب، اسیدهای آمینه پوشاننده این پاکت، پیوندهای شیمیایی قوی و گزینشی 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. دکتر روتا می گوید: ” این نوع فعل و انفعالات شیمیایی غیر اختصاصی باعث می شود که بوهای مختلف تشخیص داده شوند”. دکتر روتا می گوید: “به این ترتیب، گیرنده نسبت به یک ویژگی شیمیایی خاص انتخابی نیست. بلکه طبیعت شیمیایی کلی بو را تشخیص می دهد”.
همانطور که مدل های محاسباتی نشان داد، همان پاکت یا جیب می تواند بسیاری از مولکول های بوی دیگر را به طور یکسان در خود جای دهد.
دکتر روتا می گوید اما آزادی گیرنده بو 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. 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.
دکتر روتا می گوید: این یافته ها به احتمال زیاد نماینده بسیاری از گیرنده های بویایی هستند. آنها به اصول کلیدی در تشخیص بو، نه تنها در گیرنده های بویایی حشرات، بلکه در گیرنده های داخل بینی انسان اشاره می کنند که باید جهان شیمیایی غنی را نیز تشخیص دهد “.
خلاصه
سیستم بویایی باید انواع مختلف بوها را از هم تشخیص دهد. برای مقابله با این چالش، گونه های مختلف بر اساس یک استراتژی مشترک که در آن، بو بوسیله فعال سازی ترکیبی از خانواده های بزرگ گیرنده های بویایی رمزگذاری می شود، همگرا شده اند.
بنابراین تعداد محدودی گیرنده قادر به تشخیص یک جهان شیمیایی وسیع هستند. در اینجا ما بینش ساختاری و مکانیکی را ارائه می دهیم که چگونه یک گیرنده بویایی انعطاف پذیر، می تواند بوهای متنوع را تشخیص دهد. ما نشان می دهیم که گیرنده بویایی MhOR5 از یک بخش خاصی از ساختارش به عنوان کانال یونی، با تنظیم شیمیایی گسترده مونتاژ می شود.
با استفاده از میکروسکوپ الکترونی کرایو، ما ساختار MhOR5 را در چندین حالت، به تنهایی و در ترکیب با دو آگونیست آن بررسی کردیم. هر دو لیگاند از طریق فعل و انفعالات آبگریز توزیع شده در یک پاکت اتصال دهنده هندسی ساده واقع در ناحیه غشایی هر زیر واحد تشخیص داده می شوند. این بخش یک منطق ساختاری برای حساسیت شیمیایی این گیرنده را نشان می دهد. جهش آمینو اسیدها درناحیه پاکت اتصالی گیرنده، حساسیت MhOR5 را نسبت به DEET تغییر می دهد.
داده های ما از مدلی پشتیبانی می کند که در آن رایحه های متنوع، عوامل تعیین کننده ساختاری یکسانی را برای اتصال به اشتراک می گذارند. این یافته ها نشان دهنده مکانیسم های تشخیص مولکولی است که در نهایت به سیستم بویایی، ظرفیت تبعیض آمیز عظیمی اعطا می شود.
منبع: https://www.sciencedaily.com/releases/2021/08/210804123451.htm
درباره نویسنده
خجسته رحیمی جابری، پژوهشگر دکترای تخصصی علوم اعصاب دانشگاه علوم پزشکی شیراز و نویسنده وب سایت انستیتو سلامت مغز دانا. زمینه کاری تخصصی ایشان مشکلات حافظه و آلزایمر است وی بیش از 20 مقاله معتبر بین المللی در این زمینه به چاپ رسانده است. می توانید پژوهش های او را در اینجا (کلیک کنید) دنبال کنید.