嗅觉的科学:研究人员获取到气味受体工作时的首批分子图像

标签:科学研究
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我们的嗅觉似乎是最复杂的,因此它也是最不为人所知的。为了帮助阐明该系统的一些情况,洛克菲勒大学的研究人员在昆虫的简单系统中首次拍摄了嗅觉受体工作的低温电子显微镜图像。感受器是帮助我们通过五种感官了解我们周围世界的关键结构。

皮肤上有触摸感受器,视网膜上有光感受器,舌头上有味觉感受器,内耳有声觉感受器,鼻子有嗅觉感受器。它们都对不同的刺激作出反应,打开离子通道,将信号传递给大脑,以解释我们正在经历的事情。

但嗅觉受体是所有受体中最神秘的。虽然我们只需要在眼睛里有三种类型的受体就可以观察事物,在耳朵里有六种类型的受体来聆听声音,但嗅觉却需要超过400种受体--甚至这些受体也要承担双重任务来检测数百万种不同的气味分子。像咖啡或玫瑰这样的特定气味是由数百种化学成分组成的,它们刺激不同排列的受体,这种精确的激活模式有助于大脑解码它到底闻到了什么。

 

 

嗅觉受体在未激活状态(蓝色)和被气味分子激活(粉红色)时的图示。当被激活时,中心的一个离子通道会扩张,向大脑发送一个信息,即该受体已被激活。

"嗅觉系统要识别大量的分子,而气味受体只有几百个甚至更少,"该研究的通讯作者Vanessa Ruta说。"很明显,它不得不进化出一种与其他感官系统不同的逻辑"。

因此,在这项新的研究中,该团队开始研究这种复杂的逻辑。他们想要回答的主要问题是一个单一的受体如何能够识别不同的化学物质,尽管这些分子具有不同的尺寸和形状。

为了找到答案,他们使用了一种叫做低温电子显微镜的技术,其中包括向冷冻样品发射一束电子,以产生其微小分子结构的三维图像。这是在一种叫做跳跃鬃尾的昆虫的嗅觉受体上进行的,这种昆虫有一个相对简单的气味感应系统,只包含五种类型的受体。

在这些受体中,研究小组选择了一种名为OR5的受体,它对他们测试的60%的气味分子都有反应。然后他们研究了OR5受体的结构,当它单独存在时,以及当它与两种气味分子之一结合时--丁香酚(或丁香油)和驱虫剂避蚊胺DEET。

"我们从比较这三种结构中学到了很多东西,"Ruta说。"有趣的是,在未结合的结构中,孔是封闭的,但在它与丁香酚或DEET结合的结构中,孔已经扩张,为离子流动提供了一个通道。"

接下来,研究人员检查了这些分子与受体结合的确切位置。尽管这两种分子非常不同,但它们似乎在完全相同的位置结合,在受体的一个口袋里。这实际上违背了两个主要的假设--受体与分子的一个特定部分结合,而该部分可能是一大群气味所共有的,或者受体使用不同的口袋来容纳不同的分子。更奇怪的是,这些受体和分子对只是微弱地结合。

Ruta说:"这类非特异性的化学相互作用使不同的气味剂被识别。以这种方式,受体对一个特定的化学特征没有选择性。相反,它是在识别气味剂的更普遍的化学性质"。

该团队说,这一观察有助于解释受体如何能够与大片的气味分子结合,但不是全部。这有助于较小数量的受体构建成一个能够识别数百万种不同化学物质的嗅觉系统。

他们还发现,只需要结合点的氨基酸发生一次突变就能改变哪些分子会被粘住。这反过来可以解释为什么在昆虫中进化出这么多种类的气味受体。该小组总结说,这背后的一般原则可能也发生在其他动物身上,包括人类。

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