| Chemorezeption, unter diesem Begriff werden alle Sinnessysteme zusammengefaßt, die sich mit der Erkennung von chemischen Signalstoffen beschäftigen. Sie sind für das Überleben vom Einzeller bis hinauf zu uns Menschen notwendig. Wichtige Verhaltensweisen z.B. Nahrungsaufnahme, Orientierung, Fortpflanzung sind unabdingbar mit einem funktionierenden Geruchssinn verbunden. Deshalb hat dieser Sinn sich ganz schnell bis zur höchsten Leistungsfähigkeit entwickelt. Er ist bei uns Menschen noch vielschichtiger geworden, greift auf vielen Ebenen in unser Leben ein, häufig ohne uns bewußt zu werden. So können Gerüche unsere Stimmung beeinflussen, können ebenso gut Lustgefühle wie Unlustgefühle, Sympathie oder Ablehnung bis hin in den sexuellen Bereich erzeugen. Das lymbische System im ältesten Teil unseres Gehirns ist verantwortlich dafür, daß die Riechsinneszellen eng mit den Hirnteilen direkt verbunden sind, in denen Emotionen und Triebe entstehen, die das Zentrum unseres Unbewußten darstellen. | |
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| Wie wird ein Geruch wahrgenommen? |
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| Welche grundlegenden molekularen Mechanismen werden in Gang gesetzt, um ein chemisches Duftsignal in die elektrische Antwort einer Riechsinneszelle umzuwandeln? Neue elektrophysiologische und molekularbiologische Methoden ermöglichen es heute, selbst auf molekularer Ebene die einzelnen Schritte der Signalübertragung zu verfolgen. Alles was duftet, gibt ständig winzige Mengen von spezifischen Molekülen in die umgebende Luft ab, eine Rose natürlich andere Moleküle als z.B. ein toter, stinkender Fisch. Diese gelangen über die Luftströmung zu den Riechsinneszellen. Was dort nun passiert, soll am Beispiel von drei verschiedenen Lebewesen, dem Menschen, dem Schmetterling und dem Flußkrebs, mit denen wir uns in den letzten Jahren intensiv wissenschaftlich beschäftigt haben, dargestellt werden. |
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| Menschliche Nase |
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| In der Riechschleimhaut des Menschen findet man etwa 30 Millionen Riechzellen, die am apikalen* Ende zahlreiche, in den Nasenschleim ragende, dünne Sinneshaare (Cilien) besitzen und am anderen Ende der Zelle über einen langen Nervenfortsatz (Axon) direkten Zugang zum Gehirn haben. Die Transduktion (Umsetzung) eines chemischen Duftsignals in eine elektrische Zellantwort beginnt damit, daß beim Einatmen Duftstoffmoleküle in die Nase gelangen, sich im Schleim des Riechepithels lösen und zu den Cilien der Sinneszellen transportiert werden. Der dort ablaufende Reaktionsweg ist bei Mensch, Schmetterling oder Flußkrebs über weite Strecken nahezu identisch. In der Cilienmembran findet man sog. Rezeptoren, das sind Eiweißmoleküle, die spezifisch für einen bestimmten Typ von Duftstoff gebaut sind. Duft und Rezeptor müssen wie Schloß und Schlüssel zusammenpassen. Kommt es zu solch einer Wechselwirkung, werden die Rezeptoren aktiviert und produzieren über zwischengeschaltete sog. "G-Proteine" und Enzyme eine große Zahl von Botenstoffen, die "second messenger"-Moleküle. Diese zweiten Botenstoffe sind dann in der Lage, direkt oder indirekt Kanäle in der Cilienmembran zu öffnen. Durch diese Kanäle gelangen geladene Teilchen (positiv oder negativ geladene Ionen) in die Zelle und ändern dadurch das Ruhepotential der Sinneszelle. Man nennt dies die Entstehung eines Rezeptor- oder Sensorpotentials. Erreicht dieses Potential eine bestimmte Größe (Schwelle), löst es an der Sinneszelle die Erzeugung von Aktionspotentialen aus. Dabei besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Größe des Sensorpotentials und der Zahl der Aktionspotentiale. Vereinfacht gesagt, je größer das Sensorpotential, desto mehr Aktionspotentiale werden gebildet. Diese werden über den langen Nervenfortsatz direkt in das Gehirn geleitet und beinhalten die Information über die Qualität und Quantität des Duftreizes. Ein wesentlicher Unterschied und die Weiterentwicklung besteht vor allem in den verschiedenen Botenstoffen ("second messenger"), die zur Signalerkennung und Verstärkung benutzt werden und natürlich in der zentralen Verarbeitung. |
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| Menschliche Geruchswahrnehmung |
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| Bei Säugetieren bis hin zum Menschen konnten inzwischen alle molekularen Komponenten (Rezeptor, G-Protein, Enzym, Ionenkanal) dieser intrazellulären Botenstoffaktivierung isoliert und die DNA der beteiligten Gene entschlüsselt werden. Von den Riechrezeptoren sind mittlerweile mehr als 100 verschiedene Typen beschrieben. Für diese Rezeptoren gibt es eine mehrere hundert Mitglieder umfassende Genfamilie, vermutlich die größte im Genom bei Säugetieren überhaupt. Es handelt sich um Proteine, die aus einer Kette von ca. 300 Aminosäuren bestehen, die sieben Mal die Zellmembran der Sinneszellen durchqueren. Alle bisher beschriebenen Rezeptorproteine besitzten eine ähnliche Aminosäuresequenz, d.h. sie sind stark homolog. Am schlechtesten konserviert sind einige extrazelluläre Bereiche zwischen der dritten, vierten und fünften Membran-durchspannenden Region. Große Variabilität in diesen Domänen läßt vermuten, daß sich dort die Bindestelle für die Duftmoleküle befindet. Jeder der Rezeptoren erkennt nur eine spezifische, in ihrer chemischen Struktur nah verwandten Gruppe von Duftmolekülen. Neuere Daten zeigen, daß vermutlich jede Riechsinneszelle nur einen Typ von Rezeptorprotein herstellt, also spezifisch nur auf einen bestimmten zum Rezeptor passenden Duft reagiert. Es existieren also etwa tausend verschiedene Typen von Sinneszellen und jeder dieser Zelltypen in vieltausendfacher Zahl (10-30.000). Interessanterweise findet man Sinneszellen mit gleichen Rezeptoren nicht diffus im Riechepithel verteilt, sondern in sehr definierten, umgrenzten Zonen, sog. "expression zones". Dieses charakteristische Verteilungsmuster bleibt während des gesamten Lebens erhalten und ist auch bei jedem Menschen in gleicher Weise ausgeprägt. |
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| Die Wechselwirkung eines Duftmoleküls mit dem Rezeptorprotein bewirkt, daß dieses in der Lage ist, ein in der Membran benachbartes G-Protein zu aktivieren. G-Proteine sind Vermittler im Signalübertragungsweg zwischen Rezeptoren und spezifischen Enzymen. Unter Verbrauch von Guanosintriphosphat* (GTP) können sie im Falle des Riechprozesse das Enzym Adenylatzyklase aktivieren. In den USA konnte ein spezifisches G-Protein für Riechsinneszellen, das sog. Golf nachgewiesen werden. Auch vom Enzym Adenylatzyklase gibt es einen Riechzell spezifischen Typ III. Es kann aus ATP* zyklisches Adenosinmonophosphat (cAMP) herstellen. Biochemische Messungen haben gezeigt, daß sich nach einem Duftreiz sehr schnell (20-50 ms) die Konzentration von cAMP in der Zelle dramatisch erhöht. cAMP Moleküle wiederum sind nun in der Lage, direkt einen Ionenkanal zu öffnen. Auch dieser Ionenkanal ist inzwischen in seiner Struktur aufgeklärt und liegt in Form von DNA vor. Er hat sechs transmembranäre Bereiche und eine Bindestelle für zyklisches AMP am Ende der Aminosäurekette auf der zytosolischen Seite. Seine Verwandschaft zu Transmitter-aktivierten Ionenkanälen (GABA, Acetylcholin, Glycin) ist sehr hoch. Eine detaillierte elektrophysiologische Untersuchung dieses Kanals wurde von uns an sog. "inside-out patches"* von isolierten menschlichen Riechzellen durchgeführt. Dabei wird mit einer Glaspipette ein Stück aus der Zellmembran so gestanzt (ca. 1 µm2), daß die ehemalige Zellinnenseite nach außen schaut. Damit liegt die Bindungsstelle von cAMP in der Membran frei für die experimentelle Zugabe von verschiedenen Aktivatoren. Wir konnten zeigen, daß sich nach Bindung von cAMP die Konformation des Kanalproteins ändert und dadurch eine Öffnung (Kanal) entsteht, durch positiv geladene, unspezifische Kationen, wie Natrium, Kalium oder Kalzium strömen können. Pharmakologisch gesehen, zeigte die Bindungsstelle des Kanals eine hohe Spezifität für cAMP, interessanterweise war aber auch cGMP (zyklisches Guanosinmonophosphat) ähnlich effektiv. Dies erklärt, warum ein Kanal ähnlichen Typs in Sehzellen des Menschen vorkommt und zur Transduktion von Lichtreizen benutzt wird. Wir konnten inzwischen sogar zeigen, daß auf menschlichen Spermien ein solcher Kanaltyp existiert, dessen Bedeutung vermutlich im chemotaktischen Verhalten der Spermien beim Auffinden der Eizelle liegt. |
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| Da die herausgestanzten Membranen meist nur wenige Kanäle enthielten, und es schwierig ist, lebende menschliche Riechzellen zu erhalten, haben wir ein in vitro System etabliert. Hierzu wurde die genetische Information (cDNA) des Kanals in menschliche Nierentumorzellen eingeschleust und dadurch die funktionale Expression von großen Mengen von Kanalprotein erreicht. Die so zu "Riechzellen" umfunktionierten menschlichen Nierentumorzellen konnten dann untersucht werden. Dabei waren nun auf einem herausgestanzten Membranstück mehr als tausend Ionenkanäle durch cAMP oder cGMP zu aktivieren. Die Messungen zeigten, daß der rekombinante Kanal die gleichen Eigenschaften besaß, wie der an echten Riechzellen. |
| Besonderheiten |
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| Vor allem zwei funktional wichtige Besonderheiten wurden von uns mit Hilfe dieser neuen Methoden gefunden: |
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| 1. Selbst ein sehr kurzer Anstieg der cAMP Konzentration von nur wenigen msec Dauer genügt, um den Ionenkanal für etwa eine halbe Sekunde lang zu öffnen. Dies ist um so interessanter, da biochemische Studien gezeigt haben, daß nach einem Duftreiz Riechzellen nur für eben diesen kurzen Augeblick einen cAMP-Anstieg aufweisen. Trotzdem bleibt der Ionenkanal sehr lange offen und gestattet in dieser Zeit, positiv geladenen Ionen in die Zelle zu strömen und das Ruhepotential zu verändern. Diese Abkopplung der chemischen Zellreaktion von der elektrischen Zellantwort hat zwei Vorteile, zum einen kann während der eine halbe Sekunde dauernden elektrischen Antwort die chemische Reaktionskaskade regeneriert werden, zum anderen ist sie Bestandteil des enormen Verstärkungsfaktors für kurze Duftpulse, die eine lang dauernde starke elektrische Zellantwort auslösen können. |
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| 2. Der Kanal zeigte auch eine sehr spezifische Empfindlichkeit für Kalzium, sowohl von der extrazellulären, wie auch von der intrazellulären Seite. Erhöht man extrazellulär das Kalzium (physiologisch wäre dies im Nasenschleim), so reduziert sich die Leitfähigkeit des Kanals für Ionen dramatisch. Mit anderen Worten, je höher die Kalziumkonzentration im Schleim ist, desto weniger Strom kann durch den Kanal fließen. Bei der physiologischen Kalziumkonzentration im menschlichen Schleim hat dies zur Folge, daß sich viele tausend Ionenkanäle öffnen müssen, um genug Strom in die Zelle zu bringen und eine Zellerregung auszulösen. Erhöhung des intrazellulären Kalziums (zusammen mit Calmodulin) hat dagegen den Effekt, daß sich die Empfindlichkeit des Kanals für cAMP-Moleküle verschlechtert. Funktional bedeutet dies, daß die durch den Kanal von außen einströmenden Kalziumionen mit der Zeit die intrazelluläre Konzentration erhöhen und damit die Wirkung von cAMP verschlechtern, d.h. der Kanal schaltet sich selbst ab, die Riechantwort adaptiert. Dies ist mit eine Erklärung für den uns allen bekannten Mechanismus, daß wir nach kürzerem Aufenthalt in einem Raum mit starkem Duft, diesen nicht mehr wahrnehmen. Ähnliches kennt man von Tieren, die einer Duftspur folgen. Auch sie müssen ständig die Duftspur wieder verlassen, um dem Phänomen der Adaptation an den Duft zu entgehen. |
| In jüngster Zeit gibt es vermehrt Hinweise, daß Duftstoffe nicht nur den eben beschriebenen sog. cAMP Transduktionsweg aktivieren können, sondern auch einen von vielen anderen Zellen im menschlichen Organismus bekannten zweiten Transduktionsweg, die sog. IP3-Kaskade. Dabei scheinen bestimmte Düfte speziell den einen Weg, andere Düfte spezifisch den anderen Weg zu aktivieren. Welche Auswirkungen ein IP3 Anstieg in der Riechzelle hat, ist bei Vertebraten bisher nicht bekannt. Wir konnten aber gerade zeigen, welche Bedeutung der cAMP und IP3-Kaskadenweg beim Riechen von Krebstieren (Flußkrebs, Hummer) hat. |
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| Wie riecht der Krebs? |
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| Die beiden kleinen Antennen am Kopf von Flußkrebsen oder Hummern sind die Nase des Tieres. Auf der kutikulären Oberfläche findet man Tausende von sehr kleinen Sinneshäarchen. In diesen Haaren befinden sich die dendritischen* Ausläufer der Riechzellen. Die Zellkörper findet man im dicken Schaft der Antenne. Es sind bipolare Sinneszellen, die auf der einen Seite einen langen dendritischen Ausläufer haben in das Sinneshaar, auf der anderen Seite einen Nervenfortsatz zum Gehirn des Tieres schicken. Mit Hilfe einer von uns entwickelten Präparationsmethode kann man Haare auf diesen Antennen abschneiden und daraus einzelne Stücke des Dendriten gewinnen. Mit einer ähnlichen Technik, wie vorher beim Menschen beschrieben, werden dann wiederum Stücke aus der dendritischen Membran herausgestanzt. Aus elektrophysiologischen Messungen am ganzen Tier weiß man, daß einzelne Aminosäuren von diesen Tieren gerochen und unterschieden werden können. Ein und dieselbe Aminosäure kann an einem Typ von Riechsinneszellen eine Erregung auslösen, an anderen Zellen aber hemmend wirken. Eine Erklärung hierfür könnten biochemische Daten sein, so daß einige dieser wirksamen Aminosäuren einen Anstieg von cAMP in der Riechsinneszelle bewirken, andere Aminosäuren dagegen einen Anstieg von IP3 erzeugen. Unsere Messungen an isolierten dendritschen Membranen erbrachten den aufregenden Befund, daß auf ein und demselben kleinen herausgestanzten Stück Membran sowohl Ionenkanäle vorkommen, die direkt durch Bindung von cAMP aktiviert werden, als auch andere Kanäle, die direkt durch IP3 geöffnet werden. Zusätzlich fanden wir, daß der IP3 Kanal positiv geladene, unspezifische Kationen permeieren* läßt (also dem bei Wirbeltieren beschrieben cAMP Kanal entspricht), dagegen der durch cAMP aktivierte Ionenkanal bei Krebsen eine sehr selektive Leitfähigkeit für Kaliumionen hat. Die physiologische Bedeutung dieser Befunde ist folgende: Duftstoffe, die den IP3 Signalweg aktivieren, werden durch Öffnung von unspezifischen Kationenkanälen eine Erregung der Zelle (Depolarisation) hervorrufen, Duftstoffe, die einen Anstieg in der cAMP Konzentration erzeugen, werden dagegen eine Hemmung der Zelle (Hyperpolarisation) bewirken. Da beide Systeme offensichtlich in ein und derselben Zelle vorkommen, können durch Stimulation mit Mischungen von Düften, was in normalen Nahrungsmitteln das Übliche ist, bereits auf zellulärer Ebene Informationsverarbeitungsprozesse bei diesen Tieren stattfinden. Erste, noch vorläufige, Daten haben gezeigt, daß vermutlich auch bei höheren Wirbeltieren ähnliche Mechanismen ablaufen. |
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| Riechen Schmetterlinge anders? |
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| Sehr wenig weiß man bisher über die molekularen Mechanismen, die den Riechprozessen von Insekten zugrunde liegen. Dabei können gerade Schmetterlinge besonders gut riechen. Seit Jahrzehnten weiß man, daß weibliche Tiere einen sehr spezifischen Duft, das sog. Pheromon, abgeben, mit dem sie über viele Kilometer Entfernung Männchen anlocken können. Dabei hat jede Schmetterlingsart ihren eigenen Sexuallockstoff entwickelt. Nur Männchen der eigenen Art besitzen auf ihren riesigen Antennenbäumen Rezeptoren für diesen Duft. Ähnlich den Krebstieren findet man auch auf den Antennen der Schmetterlinge kleine Sinneshaare, die wiederum die dendritischen Ausläufer der Riechzellen beinhalten. Auf der männlichen Antenne sind etwa 95 % aller Riechsinnneszellen hoch spezifisch empfindlich nur für den Sexualduft des Weibchens (nur die restlichen 5 % werden für Erkennung von Nahrung und anderen Stoffen verwendet). Mit Hilfe dieses hoch getrimmten Systems können bereits einzelne Pheromonmoleküle eine Riechzelle erregen und nur wenige erregte Riechzellen sind notwendig, um die Verhaltensreaktion, d.h. das Losfliegen des Tieres in Richtung Weibchen, auszulösen. Da die Antennen aus sehr harter Kutikula* bestehen, war es bisher nicht möglich, Untersuchungen an den dendritischen Membranen der Riechzellen durchzuführen. Wir haben vor einigen Jahren eine Technik entwickelt, die solche Messungen erlaubt. Hierzu wurden die dünnen Sinneshaare an der äußersten Spitze abgeschnitten, wodurch die darin befindlichen Dendriten etwas eingesaugt werden konnten. Das "leere" Ende des Haares wird wieder abgeschnitten. Mit etwas Druck können dann die vorher eingesaugten Dendriten aus den abgeschnittenen Enden wieder herausgepreßt werden. Ihr Durchmesser ist weniger als 0,2 µm. Messungen an diesen "reinen" dendritischen Membranen ergaben, daß kein direkt durch cAMP oder IP3 aktivierter Ionenkanal für den Primärprozess der Zellerregung verantwortlich zu sein scheint. Wir konnten zeigen, daß nach Aktivierung mit dem weiblichen Sexuallockstoff in geringsten Konzentrationen bereits von dem zugehörigen spezifischen Rezeptor in der Zelle eine Signaltransduktionskaskade angeschaltet wird, an deren Ende die Herstellung von Phospholipase C und Proteinkinase C steht. In Gegenwart von ATP verursacht dann Proteinkinase C die Phosphorylierung eines Kanalproteins. Dies bewirkt eine Konformationsänderung, wodurch sich der Kanal öffnet und positiv geladene, unspezifische Kationen in die Zelle strömen können. Interessanterweise besitzt dieser Kanal auch eine Bindestelle für cGMP. Ob cGMP dabei zur verstärkten Aktivierung oder zur Adaptation der elektrischen Zellantwort beiträgt, ist bis heute noch nicht geklärt worden. Kalziumionen haben in diesem System keinen direkten Effekt auf den Ionenkanal, es bedarf aber der Erhöhung der Kalziumkonzentration durch den Duftstoff, vermutlich um einige der beteiligten Enzyme aus der zytosolischen Flüssigkeit in der dendritischen Membran zu stabilisieren. Man kann nach diesen Befunden gesichert davon ausgehen, daß die molekularen Grundprozesse der Signaltransduktion bei Insekten sich grundlegend von denen von Wirbeltieren und Crustacean unterscheiden. Ob diese Unterschiede die deutlich höhere Empfindlichkeit für bestimmte Duftstoffe bei Insekten bewirken, muß noch erforscht werden. |
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| Zusammenfassend läßt sich sagen, daß sich das Riechsystem bei Invertebraten (wirbellosen Tieren) und Vertebraten (Wirbeltieren) im Laufe der Entwicklung auf nahezu perfekte Weise angepaßt hat an die extremen Bedürfnisse, tausende von verschiedenen Geruchsstoffen in geringsten Konzentrationen zu erkennen und zu unterscheiden, und entsprechend zu höchster Entwicklungsstufe gelangt ist. Viele Details in den molekularen Mechanismen sind trotz der enormen Fortschritte der letzten Jahren noch unbekannt. Der nächste entscheidende Schritt für die Forschung wird sein: Wie werden die elektrischen Signale der Riechzellen im Gehirn verarbeitet und die darin enthaltenen Informationen entschlüsselt? |
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