Биохимические основы формирования вкусовых ощущений

Вкус — это одно из пяти базовых чувств человека, основанное на хеморецепции. Основная функция — регуляция пищевого поведения за счет идентификации питательных веществ, а также выявления токсичных соединений. Традиционно считается, что человек различает сладкое, кислое, соленое, горькое и умами — пять «базовых» вкусов (рис. 1).

Рисунок 1 ❘ Базовые вкусы и основные продукты, ассоциированные с этими вкусами

Недавние исследования показали, что люди, вероятно, могут различать гораздо больше вкусов, например, жирный (потенциальный кандидат на роль шестого базового вкуса).

Каждый базовый вкус соответствует определенным пищевым характеристикам продуктов или репрезентирует потенциальную опасность для здоровья:

1. Сладкий вкус продуктов сигнализирует о наличии в них углеводов, которые служат источником энергии.
2. Соленый вкус регулирует потребление NaCl и других солей, необходимых для поддержания водно-электролитного баланса в организме.
3. Умами (вкус L-глутамата и некоторых других L-аминокислот) характерен для пищи, богатой белком. Эти аминокислоты и монофосфаты нуклеотидов присутствуют в морепродуктах (креветки, раки, мидии, устрицы), ветчине, некоторых овощах (томатах, пекинской капусте, шпинате, сельдерее), грибах, зеленом чае, естественным образом образуются при ферментировании или сквашивании продуктов (сыры, соевый соус, оливки).
4. Горький вкус, субъективно воспринимаемый как неприятный, защищает от употребления ядов, многие из которых людьми воспринимаются как горькие.
5. Кислый вкус сигнализирует о присутствии пищевых кислот. Употребление большого количества кислот приведет к нарушению кислотно-щелочного баланса в организме, также кислый вкус характерен для некоторых потенциально опасных продуктов (например, незрелых фруктов) или испорченной пищи, поэтому кислый вкус воспринимается как умеренно неприятный, аверсивный.

За распознавание различных вкусов отвечают разные виды вкусовых рецепторов, расположенных, как правило, на разных клетках, которые используют разные механизмы сенсорной трансдукции (передачи сигнала).

Второй важной функцией вкусовой сенсорной системы является участие в процессе пищеварения. Стимуляция вкусовых почек языка инициирует каскад физиологических реакций, которые положительно влияют на абсорбцию в кишечнике (активизируют высвобождение пищеварительных ферментов, усиливают перистальтику). Физиологический ответ обусловлен идентификацией пищи с помощью трех сенсорных систем: зрение, обоняние, вкус.

Вкусовые ощущения можно спутать с ощущениями других сенсорных модальностей. Например, вкусовые ощущения часто путают с соматосенсорными ощущениями: «прохладный вкус мяты», «горячий/обжигающий вкус перца чили». По определению, вкус — это сенсорные ощущения, которые возникают, когда растворенные химические вещества контактируют со вкусовым рецептором в ротовой полости и инициируют передачу импульса в специфические «вкусовые» зоны мозга (первое звено в ЦНС — передняя часть ядра одиночного пути).

Капсаицин (активное вещество перца чили) и ментол активируют полимодальные ноцицептивные рецепторы, например, ванилоидный рецептор типа 1 (в случае капсаицина) или рецептор TRPM8, также известный как рецептор к холоду и ментолу 1 (the cold and menthol receptor 1 — CMR1), т.е. не взаимодействуют со вкусовыми рецепторами. Тактильная или ноцицептивная информация вместе с сенсорной информацией о вкусе передается по волокнам соматосенсорного тройничного нерва (V пара черепных нервов), поэтому возникает контаминация вкусовой информации, следовательно, такие вещества, как капсаицин, могут модулировать вкусовые ощущения (придавать оттенки вкуса), не стимулируя вкусовые рецепторы непосредственно.

Анатомия периферического звена вкусового анализатор

Вкусовая почка (caliculus gustatererius) — периферический орган вкуса (рис. 2, рис. 3). Большая часть вкусовых почек расположена в эпителии языка, незначительное количество — на щеках, мягком небе, в начале пищевода. На языке вкусовые почки сгруппированы во вкусовые сосочки (papillae linguales). В среднем один человек имеет 2000–8000 вкусовых почек, каждая из которых содержит 50–150 рецепторных клеток.

Вкусовая почка состоит из двух типов клеток: вкусовые клетки (первое звено вкусовой системы, отвечают за распознавание вкусов) и базальные клетки (недифференцированные стволовые клетки, которые необходимы для восполнения популяции вкусовых клеток). Белки-рецепторы расположены на микроворсинках апикального конца рецепторных клеток. Частички пищи, растворенные в слюне, попадают на вкусовые рецепторы через небольшое отверстие — пору — на апикальном конце вкусовой почки, которое открывается на поверхность эпителия языка.

Вкусовые почки — первое звено системы оценки химического состава продуктов и напитков и распознавания питательных веществ, вкусовых качеств и потенциальной токсичности.

Рисунок 2 ❘ Вкусовая почка кролика (электронная микроскопия; *отмечены рецепторные клетки II типа)

Классификация вкусовых клеток

Согласно классификации на основании структурных особенностей, закономерностей экспрессии генов и функции клеток, выделяют три типа вкусовых клеток (в соответствии с их относительной численностью): клетки I типа, II типа и III типа.

Клетки I типа схожи с глиальными. Это наиболее распространенный тип клеток, они составляют 50 % всех рецепторных клеток во вкусовой почке. Имеют узкие ядра неправильной формы и цитоплазматические выросты по периметру, которые плотно прилегают к мембранам соседних клеток. Это относительно малоизученный тип. На данный момент считается, что клетки I типа имеют функции, схожие с функциями глиальных клеток.

Они экспрессируют энзимы и белки-транспортеры, которые необходимы для нейтрализации нейротрансмиттеров в синапсах, что в ЦНС является функцией глии (отсюда и второе название данных клеток — схожие с глиальными). Клетки I типа — довольно гетерогенная группа с точки зрения моделей экспрессии генов и функций.

Соленый вкус (NaCl) по-прежнему является загадкой, но предполагается, что именно клетки I типа могут распознавать соленый вкус. В экспериментах было показано, что и животные, и люди употребляют NaCl в растворах ниже изотонической концентрации (0,9 % водный раствор NaCl). Более высокие концентрации NaCl обычно являются аверсивными, субъективно неприятными (механизм, призванный защищать от гипернатриемии и обезвоживания). Остается неизвестным, какой тип вкусовых рецепторных клеток специфичен для NaCl и каковы механизмы трансдукции. Предполагается, что роль рецептора может выполнять ионный натриевый канал, который позволяет ионам Na⁺ проникать внутрь клетки, вызывать деполяризацию клеточной мембраны и генерацию потенциала действия (рис. 4).

Эксперименты на грызунах с использованием амилорида (мочегонного средства — селективного блокатора эпителиального натриевого канала (eNaC)) показали, что эпителиальный натриевый канал (eNaC) может играть ключевую роль в восприятии соленого вкуса. Результаты экспериментов с участием людей неоднозначны.

Рисунок 4 ❘ Рецептор к соленому вкусу

Клетки II типа (рецепторные) составляют приблизительно 30 % рецепторных клеток во вкусовой почке. Эти клетки имеют больший диаметр, чем клетки I типа, обладают крупными сферическими ядрами и имеют рецепторы, связанные с G белками (GPCRs). Данные клетки распознают умами, сладкий и горький вкусы. Выделяют два типа вкусовых рецепторов, связанных с G белками:

1) Класс 1 (сладкий вкус и умами), кодируются тремя генами T1R1 – T1R3:

• Рецептор к сладкому вкусу представляет собой гетеродимер T1R2–T1R3,
• Умами рецептор — гетеродимер T1R1–T1R3.

Умами и сладкий вкус являются субъективно приятными вкусами, вызывают схожие поведенческие реакции, направленные на потребление пищи, содержащей их триггеры. Рецепторы к данным вкусам имеют схожее строение и генетическое происхождение.

2) Класс 2 (горький вкус). У человека выделяют 25 функциональных генов: T2R1 – T2R64 (с большим количеством пропусков из-за псевдогенов и неаннотированных генов), кодирующих рецепторы к горькому. Наличие большого количества рецепторов связано с необходимостью точно распознавать разнообразные потенциально вредные вещества.

Большинство клеток II типа экспрессируют только один вкусовой рецептор класса GPCR, а именно рецептор типа 1 (T1R) или типа 2 (T2R), и чувствительны только к одной вкусовой модальности (например, сладкое или горькое, но не оба). Следует отметить, что рецепторы типа 1 (T1R1, T1R2 и T1R3) могут коэкспрессироваться во вкусовых клетках, и, соответственно, одна и та же клетка может реагировать как на сладкие стимулы, так и на умами. Клетки данного типа были названы «рецепторными», чтобы подчеркнуть, что они специфически настроены на распознавание умами, сладкого и горького вкусов.

Так как рецепторы к сладкому, горькому и умами связаны с G белками, они имеют сходные механизмы передачи сенсорного сигнала (рис. 5). Связывание пищевой молекулы с рецептором вызывает конформационные изменения трансмембранного белка, что запускает каскад вторичных мессенджеров. Инозитолтрифосфат (IP3) инициирует высвобождение ионов кальция из эндоплазматического ретикулума. Ca²⁺ связывается с неселективным катионным каналом (TRPM5-channel), что обеспечивает приток ионов натрия в клетку, деполяризацию клеточной мембраны и генерацию потенциала действия. Также Ca²⁺ инициирует высвобождение нейротрансмиттера — аденозинтрифосфата (ATP), который ингибирует или активирует соседние клетки (в зависимости от типа рецепторов на этих клетках).

Рисунок 5 ❘ Вкусовые рецепторы, связанные с G-белками

Клетки III типа (пресинаптические) — наименее многочисленная группа: они составляют 2–20 % клеток во вкусовой почке. Клетки III типа имеют продолговатую форму и такие же ядра. Данные клетки отвечают за обнаружение кислого вкуса и формируют синапсы с сенсорными нервными волокнами.

Рисунок 6 ❘ Рецептор к кислому вкусу

Кислый вкус. Ранее считалось, что за генерацию кислого вкуса отвечает повышенная концентрация ионов в межклеточной среде. Однако в исследовании Lyall et al (2001) было показано, что основную роль в восприятии кислого вкуса играет повышенная кислотность внутриклеточной среды — цитозоля. Поэтому органические (слабые) кислоты, например, лимонная и уксусная, являются более потентными (и субъективно имеют более сильный вкус), чем сильные кислоты, такие как HCl.

Это объясняется тем, что мембрана более проницаема для молекул органических кислот, которые впоследствии диссоциируют в цитоплазме с образованием протонов, которые блокируют специфический класс калиевых каналов (двупоровые калиевые каналы, «каналы утечки» (leak channels)), что вызывает деполяризацию клеточной мембраны и генерацию потенциала действия (рис. 6).

Источники:

1. Chaudhari, N., & Roper, S. D. (2010). The cell biology of taste (The Journal of Cell Biology (2010) 190, 3, (285–296)). Journal of Cell Biology, 191(2).
   
2. Roper SD, Chaudhari N. Taste buds: cells, signals and synapses. Nat Rev Neurosci. 2017;18(8):485–97.
   
3. Lyall V, et al. (2004) The mammalian amiloride-insensitive non-specific salt taste receptor is a vanilloid receptor-1 variant. J Physiol 558:147–159.
   
4. E. Adler, et al. A novel family of mammalian taste receptors. 2000. Cell. 100:693–702.