I sensi chimici
Dr. Paola Perin
Dipartimento di Scienze Fisiologiche-Farmacologiche
Cellulari-Molecolari – Università di Pavia
Il problema dei sensi chimici
• Riconoscere le molecole
(qualunque esse siano) che
arrivano a contatto con
l’organismo
• Tre categorie speciali:
– Molecole nutritive
– Molecole tossiche
– Molecole “sociali”
La soluzione
• Una molecola non viene
riconosciuta in toto ma
ciascuno dei suoi gruppi
funzionali viene riconosciuto
da un recettore diverso
• Ad uno stadio successivo I
segnali dei recettori vengono
integrati e l’identita’ della
molecola emerge
Ad esempio
• Alcoli e acidi carbossilici con uguale numero di atomi C hanno odori
diversi
• Le strutture stimolate da ciascuna sostanza (glomeruli) sono diverse
Cosa e’ un odore?
•
•
“Nasi” allenati distinguono 5000-10000 odori diversi
Come distinguere due molecole tra loro?
•Gruppi funzionali (ottanolo: arancio; acido ottanoico: rancido)
•Lunghezza della catena (ottanolo: arancio; eptanolo: violetta)
•Stereoselettivita’: (L-carvone: carruba; D-carvone: inodore)
Effetti della concentrazione!!
• Indolo a basse concentrazioni ha odore floreale, concentrato ha odore putrido
• Amil acetato ha profumo di frutta a concentrazioni tra 0.1 mM e 10 mM
Effetti della storia e/o dell’ambiente
• Misture di odori diversi non sono scomponibili negli odori costituenti
• La risposta neuronale ad un odore cambia dopo la prima esposizione
Cosa e’ un sapore?
•
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Sapore: gusto + odore del cibo
La componente olfattiva fornisce informazioni sull’identita’ del cibo
La componente gustativa fornisce informazioni sul potere nutritivo o sulla
possibile tossicita’ del cibo
•
Recettori gustativi danno la stessa risposta a stimoli anche molto diversi
Odori sociali
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•
Feromoni: sostanze escrete nell’urina o altri secreti
Modulano o segnalano fattori socialmente importanti:
•Accoppiamento
•Gravidanza
•Aggressivita’
•Comportamento materno
Odotipo individuale: complesso MHC, feromoni, ormoni, patologie, etc
Non ancora caratterizzati nell’uomo
Effetti olfattivi sul comportamento riproduttivo umano (sincronizzazione del ciclo
mestruale)
Anatomia del sistema olfattivo
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Epitelio olfattivo primario: 5
cm2
Riveste la regione apicale della
mucosa nasale
Turbinati aumentano la
superficie e massimizzano il
tempo di contatto con l’aria
Organo vomeronasale
Localizzazione diversa, il suo
ruolo nell’uomo e’ ancora
controverso
Nel ratto ha un ruolo nella
percezione dei feromoni
Neuroni olfattivi
• I recettori del sistema olfattivo sono veri
neuroni (5-50 milioni)
• Rigenerano in 60 giorni!
• Apparato chemotrasduttore: cilia
Trasduzione del segnale olfattivo
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Il legame di molecole odorose alle
cilia produce un potenziale di
recettore depolarizzante
La depolarizzazione invade il
dendrite apicale e viene codificata in
una scarica di potenziali d’azione
Gli assoni dei neuroni olfattivi (I
nervo cranico) contattano neuroni
nel bulbo olfattivo
Fibre nonmielinate: lente
Sinapsi eccitatoria
Come arrivano le molecole ai
recettori?
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Nei pesci le sostanze che arrivano ai
chemorecettori sono idrofile
Nei tetrapodi le sostanze volatili sono
anche idrofobe
Il muco che ricopre l’epitelio e’ una
soluzione acquosa di mucopolisaccaridi
Per disciogliere le sostanze lipofile ci sono
proteine leganti (OBP)
Evoluzione indipendente nei tetrapodi e
negli insetti
Le sostanze odorose sono percepite ad
ogni respiro: degradazione rapida
Enzimi di biotrasformazione (Cyt P-450)
eliminano le sostanze odorose
I recettori olfattivi
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Recettori accoppiati alle
proteine G
3 Famiglie di geni:
Recettori olfattivi (sostanze
aspecifiche)
Recettori vomeronasali 1:
accoppiati a Gi (feromoni)
Recettori vomeronasali 2:
accoppiati a Go (peptidi?)
Regioni ipervariabili: contatto
con il ligando
I recettori olfattivi
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•
Famiglia molto ampia (1000 geni nei
mammiferi – 2% del genoma!!)
Recettori dei pesci (100 geni): sostanze
idrofile
Recettori dei tetrapodi: sostanze volatili
(molte famiglie diverse duplicate in vari
stadi)
OR si trovano in cluster su tutti I cromosomi
tranne Y e 20
Il 60% dei geni OR umani sono
pseudogeni: perdita di capacita’ olfattiva
Recettori vomeronasali e gustativi sono
omologhi ma molti meno
Espressione dei recettori olfattivi
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Epitelio olfattivo e’ diviso in tre-quattro zone di
espressione
Ciascun recettore viene espresso in una sola zona
Circa 5000 neuroni esprimono un dato recettore
Ciascun neurone olfattivo esprime solo UN recettore
Neuroni che esprimono lo stesso recettore sono
sparsi nell’epitelio olfattivo
I recettori sono stati clonati ma non si esprimono in
membrana in sistemi eterologhi
Sistemi di trasporto alla membrana specifici dei
neuroni olfattivi
Alcuni individui sono anosmici per determinati odori
Androstenone e’ piacevole per alcuni, sgradevole
per altri, inodore per altri
La trasduzione olfattiva
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•
Nelle cilia dei neuroni olfattivi:
recettori per le sostanze
odoranti
Attivazione dei recettori
Attivazione della proteina Golf
Attivazione della ACIII
Attivazione di un canale CNG
(piu’ permeabile al Ca di quelli
retinici!)
Attivazione di un canale del ClCa2+-dipendente
Depolarizzazione del ciglio
I canali del Cl olfattivi
•
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•
•
•
Nei neuroni olfattivi [Cl]i=60-70 mM
Nella maggior parte dei neuroni [Cl]i=10 mM
Il Cl viene concentrato grazie al cotrasportatore NKCC1 e all’assenza del
cotrasportatore KCC2
NKCC: influsso di Cl legato all’influsso di Na
KCC: estrusione di Cl legata all’estrusione di K
KCC2 e’ assente nei neuroni in cui I segnali di Cl sono depolarizzanti
Adattamento
•
•
Le anosmie selettive possono recuperare con l’esposizione prolungata
L’esposizione a odori provoca anche adattamento e desensitizzazione
Adattamento: riduzione della risposta al secondo
di due stimoli appaiati
Desensitizzazione: riduzione della risposta in
presenza continua della molecola odorante
Adattamento rapido e
desensitizzazione
•
Modulazione Ca-dipendente della attivazione dei canali
CNG
CAMKII inhibitor
•
•
Adattamento scompare completamente bloccando
l’ingresso di Ca2+
Desensitizzazione: ridotta da antagonisti della CaMKII
Adattamento rapido
•
•
ACIII inibita da CaMKII
CNG inibito dal Ca
•
•
Esposizione prolungata agli odori: effetto sul livello basale di cAMP
Esposizione breve: effetto solo sul canale
Adattamento rapido
•
Altri effetti simili alla regolazione della cascata visiva
Adattamento lento
•
•
•
•
•
Effetti prolungati (minuti)
Attivazione prolungata dei canali CNG dal cGMP
Attivazione subliminale del canali: non si vede la corrente ma si ha un
continuo influsso di Ca
In alcuni neuroni l’adattamento lento e’ spontaneo
In tutti e’ possibile indurlo aumentando il cGMP
Adattamento lento
•
•
Inibizione della eme ossigenasi II elimina l’adattamento
GC solubile attivata da CO
Neuroni olfattivi cGMP-ergici
•
•
•
•
Una sottoclasse di neuroni olfattivi non trasduce gli stimoli tramite il cAMP ma
tramite il cGMP
Questi neuroni hanno una guanilato ciclasi di membrana (GC-D; isoforme
retiniche GC-E, GC-F) e una cGMP-PDE ma non esprimono la ACIII
Non e’ chiaro cosa attivi la GC-D (non I recettori olfattivi)
I neuroni cGMP-ergici proiettano a strutture anomale nel bulbo olfattivo
(glomeruli a collana)
•
•
Possibile ruolo nel riconoscimento di
sostanze particolari (ormoni, feromoni)
Regolano il comportamento neonatale
(ricerca e suzione del capezzolo nel
ratto)
Altre anomalie nella trasduzione
olfattiva
•
•
•
Una sottoclasse di neuroni olfattivi trasduce gli stimoli tramite l’IP3 - in questi
neuroni la Golf e’ accoppiata ad una PLC
In alcuni casi lo stimolo odoroso produce iperpolarizzazione invece che
depolarizzazione
La risposta evocata da un dato odorante puo’ essere tonica o fasica
Modulazione del segnale nei
neuroni olfattivi
Compartimentalizzazione dei
neuroni olfattivi
Solo i canali coinvolti
nella trasduzione
Canali del Ca LVA e
HVA; canali KCa;
scambiatore Na/Ca
Canali Nav
•
•
•
•
•
•
Fino a 2500 CNG/mm2 nelle ciglia
Elevata resistenza di ingresso:
migliore risoluzione in ampiezza,
segnali lenti
Canali del Ca LVA e HVA nel soma e
dendrite prossimale: boost del segnale
sensoriale
Canali K(Ca): ripolarizzazione
Scambiatore Na/Ca: separa le
variazioni di Ca nelle ciglia da quelle
nel soma
Vz=-70/-80 mV, mantenuto da IR e
delayed rectifier
Il bulbo olfattivo
•
•
•
•
Nel bulbo olfattivo i neuroni olfattivi formano glomeruli sinaptici
Forte convergenza: 5000-20000 neuroni/glomerulo
2000 glomeruli/bulbo nel topo
Nessuna divergenza: 1 neurone olfattivo innerva 1 solo glomerulo
I glomeruli
•
•
•
Tutti I neuroni che esprimono lo stesso recettore convergono sullo stesso
glomerulo
La posizione dei glomeruli corrispondenti a un dato recettore e’ conservata tra
individui e tra specie, ma non fissa
La posizione del neurone non e’ significativa, quella del glomerulo si
Circuiti del bulbo olfattivo
Tufted cell
• Cellule principali del bulbo olfattivo:
– Cellule mitrali (Glu)
– Cellule “tufted” (Glu)
• Interneuroni:
– Cellule granulari (GABA)
– Cellule periglomerulari (GABA,
dopamina)
• Input efferenti
– Corteccia olfattiva
– Braccio orizzontale della banda diagonale
– Rafe e locus ceruleus
• La scarica dei neuroni olfattivi primari puo’
venire modulata da vari neurotrasmettitori
Codice di popolazione
•
•
•
I singoli recettori olfattivi e le cellule mitrali
associate rispondono ad una grande
varieta’ di odori
La combinazione delle risposte da’ la
percezione olfattiva
Le cellule mitrali associate variano con la
concentrazione
Apprendimento olfattivo
•
•
•
•
•
L’isoamil acetato e l’etil pentanoato hanno gruppi funzionali molto simili
IAA: arancio-rosso-blu
EP: arancio rosso giallo verde
I neuroni olfattivi primari e le cellule mitrali rispondono alle singole parti
delle molecole
I neuroni della corteccia piriforme distinguono tra le due sostanze (in modo
plastico!)
Apprendimento olfattivo
•
Gli oggetti olfattivi vengono ricostruiti da centri nervosi superiori
Codice di popolazione
•
Si ritiene che la percezione di un odore sia
associata ad un pattern spaziotemporale di
attivazione ed inibizione nel bulbo olfattivo
•
•
•
Le cellule mitrali ricevono il
segnale dai neuroni olfattivi
di un clone ma il segnale
che viene portato ai centri
superiori non e’ uguale alla
somma delle attivazioni dei
neuroni olfattivi primari
L’attivazione dei glomeruli
puo’ non mostrare
adattamento
Ritmi intrinseci: lento (2Hz)
e rapido (40-80 Hz)
Circuiti nel bulbo olfattivo
•
Nei glomeruli:
– trasmissione tra neuroni olfattivi (5000) e
cellule mitrali (25, glutamato, recettori
AMPA)
– Trasmissione retrograda mitrali-olfattive
– Trasmissione eccitatoria tra cellule mitrali
dello stesso glomerulo (spillover?)
– Trasmissione inibitoria dalle cellule
periglomerulari (GABA-B, D2)
•
A livello dei dendriti delle cellule mitrali:
– Le cellule mitrali eccitano le cellule
granulari (glutamato, recettori NMDA)
– Le cellule granulari inibiscono le cellule
mitrali (GABA)
Inibizione laterale tra glomeruli: contrasto del
segnale olfattivo
Eccitazione retrograda: riverbero del segnale
•
•
Le cellule mitrali
Dendrite principale
Dendrite secondario
Assone
• Trasmissione sinaptica dendrodendritica
• Dendriti attivi: propagazione del segnale
sinaptico dal glomerulo al soma e ai
dendriti secondari – generano pda
• EPSP>10mV, costante di spazio>1mm
Vie olfattive centrali
• Le cellule mitrali proiettano alla
corteccia olfattiva (direttamente)
e alla corteccia orbitofrontale
(attraverso il talamo)
• La via talamo-orbitofrontale da’
la percezione cosciente degli
odori
• La via alla corteccia olfattiva da’
la componente affettiva degli
odori
Vie olfattive centrali
• Le vie olfattive proiettano anche al sistema amigdala-ipotalamo
(legato alle risposte emotive)
• Il sistema vomeronasale proietta SOLO al sistema amigdalaipotalamo (percezione inconscia)
L’organo vomeronasale
• Epitelio separato da quello olfattivo primario
• Proietta al bulbo olfattivo accessorio
• Non esposto all’aria esterna in condizioni normali
Reazione di Flehmen
• In presenza di un odore potenzialmente interessante dal punto di
vista comportamentale molti mammiferi esibiscono la reazione di
Flehmen
• L’aria viene pompata attraverso l’organo vomeronasale
Feromoni
• Sostanze che segnalano l’identita’ di un conspecifico
• Feromoni primer: favoriscono un comportamento
• Feromoni releaser: scatenano un comportamento
• Nell’uomo si ritiene esistano I feromoni primer ma non I releaser
• Probabile candidato: ghiandole ascellari
Recettori vomeronasali
V1R
V2R
•
•
Sensibili a molecole intere, non a gruppi funzionali
V1R:
– 137 nel topo – 1-3 funzionali nell’uomo (espressi nell’epitelio olfattivo!)
– Accoppiati con proteina Gi2
– Espressi nella parte luminale del VNO
•
V2R:
– 100 nel topo – nessuno nell’uomo?
– Accoppiati con proteina Go
– Espressi nella parte basale del VNO
Recettori V2R
• Eteromultimeri con MHC-1b
• Riconoscimento dell’identita’
dell’individuo
• Lipocaline: proteine emesse con
alcune secrezioni (es. Urina)
– Altamente eterogenee tra
individui
– Legano alcuni feromoni
Trasduzione nel sistema
vomeronasale
• Il meccanismo di trasduzione
vomeronasale e’ diverso da
quello olfattivo
• Proteine Gi e Go
• Attivazione del canale TRPC2
• La cascata che collega le
proteine G con il canale TRPC2
e’ ancora poco chiara
• Possibili intermedi: PLC/IP3/AA
• Topi KO per TRPC2 hanno forti
deficit nelle risposte
vomeronasali ma non totale
abolizione
• Nell’uomo TRPC2 e’ uno
pseudogene
Organizzazione del bulbo olfattivo
accessorio
• I neuroni vomeronasali proiettano a piu’ glomeruli
• Le cellule mitrali vomeronasali proiettano a piu’ glomeruli
• I neuroni sensoriali primari di un dato clone proiettano tutti alle
stesse cellule mitrali
Il sistema gustativo
•
•
Papille gustative:
•Fungiformi
•Vallate
•Foliate
Bottoni gustativi: gruppi di
cellule recettoriali (cellule
gustative) – 1% delle cellule
dell’epitelio linguale
Modalita’ gustative
•
•
•
Sostanze gustate: finalita’ alimentare
Distinguere sostanze nutrienti da sostanze tossiche
5 modalita’ gustative:
•Dolce
•Amaro
•Salato
•Acido
•Umami
•
•
•
Input somatosensoriali (consistenza del cibo)
Input di temperatura e dolore
Input olfattivi
Le cellule gustative
•
Le singole cellule gustative
rispondono a diversi stimoli
•
Sostanze con struttura chimica
diversa evocano simili
percezioni (Es. Ca2+, chinino
sono amari)
•
Stati fisiologici influenzano la
risposta gustativa
•
Ciascuna papilla e’ piu’
sensibile a determinati stimoli
ma alzando la concentrazione
risponde anche agli altri
Trasmissione del segnale gustativo
•
•
•
•
•
Le cellule gustative sono cellule epiteliali (20-100/bottone)
Giunzioni strette apicali: regione apicale gustativa, regione basolaterale
sinaptica
I gustanti sono disciolti nella saliva
Enzimi digestivi salivari: campionano la composizione (es. lipasi, amilasi)
Proteine di trasporto dei gustanti
Trasmissione del segnale gustativo
Tipo III
•
•
•
•
•
Tipo II
Trasmissione sinaptica molto complessa
Cellule gustative di tipo I (scure), II (chiare), III (N-CAM+)
Cellule di tipo I non hanno contatti sinaptici (funzione gliale? Cellule immature?)
Cellule di tipo II hanno contatti anomali (cisterne subsinaptiche)
Cellule di tipo III hanno sinapsi convenzionali con le fibre afferenti
Trasmissione del segnale gustativo
•
•
•
Le cellule di tipo II e III producono pda e contattano terminali afferenti
Le cellule di tipo Ia non generano pda
Le cellule di tipo Ib generano pda solo per stimoli molto forti
Trasmissione del segnale gustativo
•
•
•
Le cellule III hanno canali del Ca (presinaptici?) e accumulano serotonina
Tutte o quasi le cellule che trasducono l’amaro sono di tipo II
Contatti sinaptici anomali tra cellule di tipo II e terminazioni afferenti
Trasduzione degli stimoli gustativi
•
•
•
Trasduzione del dolce, amaro, umami utilizzano meccanismi simili
Trasduzione del salato e dell’acido utilizzano meccanismi diversi e ancora
parzialmente da chiarire
Altre modalita’ gustative (es. piccante) derivano dalla interazione con recettori
tattili, termici e dolorifici
Salato (1)
ENaC
•
•
•
•
•
•
•
•
Canali del Na+ amiloride-sensibili (ENaC)
Permeabili solo agli ioni Na+ e Li+
L’ingresso di Na depolarizza la cellula
Gli anioni modificano la risposta (NaCl piu’ salato di NaAc)
Agonisti del canale danno sensazione di salato
Antagonisti eliminano la sensazione
Inibito da aumenti di temperatura (70% inibito a 43oC)
Apertura del canale: depolarizzazione, attivazione canali del
Ca2+
•
•
Deplezione salina riduce la risposta
Trascrizione regolata dall’aldosterone
Salato (2)
VR-1
•
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•
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•
•
Recettori amiloride-insensibili
Canale VR-1 simile
Canale cationico nonselettivo
Permeabile a Na+, K+, NH4+
Recettore predominante nell’uomo
Modulato dal cloruro di cetilpiridinio
Insensibile al pH
Potenziato da aumenti di temperatura
Apertura del canale: depolarizzazione, attivazione
canali del Ca2+
Acido (1)
•
•
•
ENaC
Il canale amiloride-sensibile e’ permeabile agli H+!
I recettori del salato amiloride-sensibili rispondono anche
all’acido
Acido e salato si sopprimono in parte tra loro
Acido
•
K2P
•
•
•
•
•
H+ bloccano un canale del K+: meccanismo sensibile
agli acidi ma non al salato
Canale di leak a due pori costitutivamente attivo
Il blocco del canale del K+ depolarizza il recettore
Acido e salato sono distinti per differenza di
popolazione
Riluzolo aumenta la sensazione di acido
Alotano inibisce la sensazione di acido
Recettori metabotropici
•
•
•
Dolce, amaro e umami sono in realta’ classi di
composti
T1R: 3 isoforme, formano eterodimeri
•T1R1+T1R3: umami
•T1R2+T1R3: dolce
•Omodimeri T1R2 e T1R3: dolce (meno sensibili)
•T1R2 nel topo non riconosce l’aspartame
•I recettori T1R riconoscono classi ampie di
composti
T2R: 30 isoforme
•Diverse classi di composti amari
•Piu’ T2R vengono espressi nelle stesse cellule
Amaro
•
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•
•
•
•
•
•
•
2 classi di meccanismi:
Blocco di un canale per il K+
Attivazione di recettori T2R accoppiati alla proteina Ggust
Le cellule positive per Ggust non hanno canali voltaggiodipendenti per il Ca2+
Ggust: Gagust/Gb3/Gg13
Gagust: attiva una PDE
Gb3/g13: attivano la PLCb2
Possibile trasmissione dovuta ad aumenti di Ca2+ da
stores IP3-sensibili
Nell’uomo: 26 recettori T2R: diverse classi di amaro
Sensibilita’ a PTC: sito altamente polimorfico nell’uomo
Dolce
•
•
•
•
Recettore T1R2/T1R3 riconosce come dolce la
saccarina ed il saccaroso ma non l’aspartame e il
galattoso
In alcune cellule: recettori accoppiati alla proteina Gs:
aumento dell’AMP ciclico, chiusura di un canale al K+
In altre cellule, la trasduzione e’ simile a quella per I
recettori dell’amaro
Leptina attiva un canale del K, iperpolarizzando la
cellula
Umami
•
•
•
2 meccanismi
Attivazione di un canale cationico aspecifico
Attivazione di recettori T1R1/T1R3
•
Attivazione di T1R1/T1R3 segue le stesse
vie dei recettori del dolce
•
Una forma troncata di mGluR4 viene
espressa dalle cellule umami
mGluR4D ha una KD per il glutamato molto
bassa (mM), confrontabile con le
concentrazioni alimentari
KO per questo recettore non hanno
alterazioni gustative
•
•
Cellule dolce-amaro
•
•
•
•
Alcune cellule esprimono sia I recettori per il dolce che per l’amaro
Funzionalmente antagonisti (recettore per l’amaro attiva una fosfodiesterasi)
Anomalie in queste cellule: disgeusia dolce-amaro (alcune sostanze amare
vengono percepite come dolci)
Illusioni gustative (es. miracolina)
Cascata della trasduzione
metabotropica
•
•
•
•
•
•
KO per PLCb2 sono insensibili a stimoli dolci, amari e umami
PLCb2, TRPM5 e IP3R3 sono espressi dalle stesse cellule
TRPM5: canale cationico nonselettivo per I monovalenti
Attivato dal Ca e dalla depolarizzazione
Inattivato dal Ca
Inattivazione impedita da PIP2
Vie gustative centrali
•
•
I nervi che portano le sensazioni del
gusto portano anche temperatura,
dolore e tatto
I recettori per l’amaro sono in
maggioranza nelle regioni posteriori
della lingua: segnale portato da IX-X
ma non da VII
Vie gustative centrali
•
•
•
•
•
Riflessi del vomito
memoria aversiva gustativa
Nucleo gustativo (nucleo del
tratto solitario)
Talamo
Corteccia opercolare
(adiacente alla
somatosensoriale per la
orofaringe)