Signaltransduktion Das Schmecken WS 20082009 Signaltransduktion Die Chemischen

Signaltransduktion Das Schmecken WS 2008/2009

Signaltransduktion Die Chemischen Sinne Riechen und Schmecken Geruch und Geschmack sind unsere ältesten Sinne Wenn wir von „Geschmack“ reden, meinen wir meistens „Geruch“!

Signaltransduktion Die Chemischen Sinne Riechen (Fern) Sinn für flüchtige Stoffe (Luft) Schmecken (Nah) Sinn für wasserlösliche Stoffe (Speichel)

Signaltransduktion Die Chemischen Sinne Schmecken: - Reize von Geschmackssinneszellen aufgenommen - Signale von Geschmacksnerven weitergeleitet Funktionen: - Kontrolle der Nahrungsqualität - Kontrolle der Nahrungsaufnahme - Auslösen von Reflexen (Schluckreflex, Würgereflex, Sekretion von Speichel und Pankreassekret)

Signaltransduktion Geschmacksqualitäten salzig, Na+ süß, Zucker „umami“, Na-Glutamat, 5‘GMP sauer, H+ bitter, v. a. Alkaloide

Signaltransduktion Geschmacksqualitäten Geschmack = Bewertungssystem Gut Nahrungsaufnahme Schlecht Schutzfunktion Würgereflex Sind „scharf“ und „kühl“ weitere Geschmacksqualitäten? NEIN: Reizung des N. Trigeminus (V. Hirnnerv)

Signaltransduktion Die Schwellenwerte für verschiedene Geschmacksqualitäten sind sehr unterschiedlich ( Riechen) Entdeckungs- / Erkennungsschwellen sind modulierbar

Signaltransduktion „Anatomie“ des Geschmacks Verteilungsmuster geht auf D. Hanig (1901) zurück, das aber falsch interpretiert wurde!

Signaltransduktion „Anatomie“ des Geschmacks

Signaltransduktion „Anatomie“ des Geschmacks Bei Erwachsenen befinden sich die meisten Geschmackszellen in den Geschmackspapillen auf der Zunge

Signaltransduktion „Anatomie“ des Geschmacks Die Geschmackspapillen enthalten Geschmacksknospen

Signaltransduktion „Anatomie“ des Geschmacksknospe Wallpapille

Signaltransduktion „Anatomie“ des Geschmacksknospen enthalten Geschmackszellen

Signaltransduktion „Anatomie“ des Geschmackszellen sind sekundäre Sinneszellen ohne eigenes Axon Geschmackszellen haben eine Lebensdauer von 7 - 10 Tagen Weitere Zelltypen: Stützzellen, Basalzellen

Signaltransduktion „Anatomie“ des Geschmacks Ein erwachsener Mensch besitzt 7 - 15 Wallpapillen mit je 100 - 150 Geschmacksknospen - 15 - 30 Blätterpapillen mit je 50 - 100 Geschmacksknospen - 150 - 400 Pilzpapillen mit je 2 - 4 Geschmacksknospen - weitere Geschmacksknospen auf dem Kehlkopf und im Gaumen- und Rachenbereich - bei Kindern auch in den Lippen und in der Wangenund Gaumenschleimhaut - jede Geschmacksknospe enthält 15 - 100 Zellen - Signalverarbeitung?

Signaltransduktion Signalverarbeitung Drei Gehirnnerven „transportieren“ gustatorische Information Nervus glossopharyngeus (IX. ) Nervus facialis (VII. ) „chorda tympani“ Kehl- u. Rachenbereich: Nervus vagus (X. )

Signaltransduktion Signalverarbeitung Analyse der Geschmacksqualitäten Bewertung Lemniscus medialis Zungenbewegung Insulinfreisetzung Schlucken Mundöffnung Husten Luftanhalten Speichelfluß gustofazialer Reflex Nucleus tractus Solitarii (Medulla) nach Kandel, Schwartz, Jessell (2000) “Principles of Neural Sciences“, Mc. Graw-Hill

Signaltransduktion Gustatorischer Cortex Insel (Insula) Hanaway, J. et al. (1998) „The brain atlas“, Fitzgerald Science Press

Signaltransduktion Molekulare Prozesse Wie sehen Rezeptoren für Geschmacksstoffe aus? Wie wird „Geschmacksspezifität“ realisiert? eine Zelle - ein Rezeptor? ein Rezeptor - ein Axon? Gibt es Spezialisten oder Generalisten? Wie erfolgt die Signaltransduktion?

Signaltransduktion Salzgeschmack Salz- und Sauergeschmack werden über eine einfache, ionotrope Chemotransduktion kodiert. Die Rezeptoren sind gleichzeitig Ionenkanäle.

Signaltransduktion Salzgeschmack ENa. C = epithelial Na+ channel Depolarisation Elektrophysiologischer Nachweis von Natriumkanälen Ca 2+ -70 m. V

Signaltransduktion Salzgeschmack ENa. C = Epithelial Na+ channel Elektrophysiologischer Nachweis von Natriumkanälen Depolarisation INa Na+ Depolarisation Ca 2+ -30 m. V

Signaltransduktion Salzgeschmack ENa. C = Epithelial Na+ channel Elektrophysiologischer Nachweis von Natriumkanälen Depolarisation Ca 2+

Signaltransduktion Salzgeschmack = ein offener Ionenkanal ENa. C

Signaltransduktion Salzgeschmack „Salzigkeit“: Mensch: NH 4+ > K+ > Ca 2+ > Na+ > Li+ > Mg 2+ Fleischfresser: NH 4+ > Ca 2+ > K+ > Mg 2+ > Na+ Pflanzenfresser: Na+ > NH 4+ > Ca 2+ > K+ > Mg 2+ Anionen: SO 42 - > Cl- > Br- > I- > HCO 3 - > NO 3 - Der Geschmack hängt von der Konzentration des Salzes ab. Niedrige Konzentrationen von Na. Cl schmecken süß. Viele Salze schmecken außerdem bitter (z. B. Mg. SO 4).

Signaltransduktion Sauergeschmack Verschiedene Optionen: 1. Einstrom von Protonen (Depolarisation und Ansäuerung des intrazellulären Milieus) 2. Blockade des K+-Ausstroms Depolarisation 3. Aktivierung eines Na+-Einstroms

Signaltransduktion Sauergeschmack - ein neuer Signalweg? Präparat: - Gewebsschnitte der Papilla circumvallata - Patch clamp Elektrophysiologie Ergebnis: - Zellen, die auf Protonen („Sauerdetektoren“) reagieren, besitzen einen besonderen Ionenkanal-Typ - es ist ein spannungsaktivierter Ionenkanal - er wird durch Hyperpolarisation der Membran aktiviert - er leitet einen Na+-Einstrom, der die Zelle depolarisiert „Schrittmacherkanal“

Signaltransduktion Sauergeschmack Aktivierung durch Hyperpolarisierung der Membranspannung

Signaltransduktion Sauergeschmack Aktivierung auch durch Protonen

Signaltransduktion Sauergeschmack Schrittmacherkanäle in Geschmackszellen exprimiert

Signaltransduktion Sauergeschmack HCN Kanäle

Signaltransduktion Süß-, Bitter-, Umami-Geschmack Komplizierte GPCR-vermittelte Signalkaskaden?

Signaltransduktion Süß-, Bitter-, Umami-Geschmack Molekularbiologie bringt Ordnung ins Chaos!

Signaltransduktion Suche nach Süß- und Bitterrezeptoren Sucroseoctaacetat Mutante: unempfindlich „Nicht-Schmecker“ Wildtyp: normal-empfindlich „Schmecker“ Defekt !

Signaltransduktion Suche nach Süß- und Bitterrezeptoren Sucroseoctaacetat Mutante: unempfindlich „Nicht-Schmecker“ Wildtyp: normal-empfindlich „Schmecker“ Defekt !

Signaltransduktion Süß- und Bitterrezeptoren Zwei Klassen von Geschmacksrezeptoren: T 1 R 1, T 1 R 2, T 1 R 3 T 2 R: ca. 30 Rezeptorgene Bilden Dimere Alle Geschmackszellen, die T 1 oder T 2 Rezeptoren exprimieren, exprimieren ebenfalls: - die Phospholipase 2 und - den Ionenkanal TRPM 5 Signalweg: T-Rezeptor - G-Protein - PLC 2 -. . . - TRPM 5

Signaltransduktion Bitterrezeptoren Kationeneinstrom T 2 R Rezeptoren binden Bitterstoffe Wichtige Funktion, deshalb viele Rezeptorgene (ca. 30)! 30 Populationen von Bitterdetektoren?

Signaltransduktion Süßgeschmack T 1 R 2 / T 1 R 3 -Rezeptoren binden Zucker und Süßstoffe binden: - an die gleichen Rezeptoren - aktivieren den gleichen Signalweg

Signaltransduktion Umami Geschmack m. Glu. R 4 oder T 1 R 1/T 1 R 3? Natriumglutamat

Signaltransduktion Süß Bitter Umami Geschmack X X X Sucroseoctaacetat X Sucrose Umami Knock-out Versuche zeigen: PLCß 2 ist beteiligt X X Natriumglutamat

Signaltransduktion Süß Bitter Umami Geschmack X X X Sucroseoctaacetat X Sucrose Umami Knock-out Versuche zeigen: TRPM 5 ist beteiligt X X Natriumglutamat

Signaltransduktion Umami Geschmack Eine entscheidende Frage: Sind Geschmackszellen Spezialisten oder Generalisten? Zellen, die T 2 -R exprimieren, scheinen keine T 1 R zu exprimieren. Test: PLC 2 knock-out kombiniert mit PLC 2 knock-in unter dem Promotor eines T 2 -Rezeptors (= Bitterrezeptor).

Signaltransduktion Süß X X Umami Bitter Umami Geschmack X Sucroseoctaacetat ! X Sucrose X Natriumglutamat Zhang, Y. (2003) Cell 112, 293 -301

Signaltransduktion Gibt es spezifische Geschmackssinneszellen?

Signaltransduktion Reaktionsstärke Neuronale Antwort Quinin Unter den Axonen der Geschmacksnerven gibt es Spezialisten und Generalisten

Signaltransduktion Zusammenfassung Papillen auf der Zungenoberfläche enthalten Geschmacksknospen mit chemosensorischen Zellen. Die chemosensorische Membran der Geschmackszellen reicht in die Geschmackspore (Mikrovilli Riechen). Die Geschmackszellen sind sekundäre Sinneszellen. Sie bilden Synapsen mit afferenten Neuronen der Hirnnerven: N. facialis (Chorda tympani) = VII. Hirnnerv N. glossopharyngeus = IX. Hirnnerv N. vagus = X. Hirnnerv

Signaltransduktion Zusammenfassung In jeder Geschmacksknospe befinden sich Zellen unterschiedlicher Spezifität. Vermutlich sind (viele) Geschmackszellen Spezialisten. Viele Axone dagegen sind Generalisten. Die Auswertung erfolgt als Musteranalyse ( Riechen). Salz- und Sauergeschmack werden ionotrop vermittelt; Süß-, Bitter- und Umamigeschmack metabotrop. Zwei Familien von Rezeptorproteinen: T 1 R und T 2 R, stehen am Beginn der metabotropen Signaltransduktion. Verschiedene Kombinationen von dimeren Rezeptoren erzeugen unterschiedliche Selektivität in Geschmackssinneszellen.

Signaltransduktion Zusammenfassung Vergleich der chemosensorischen Systeme Gustatorisches System: wenig Reize, klar definiert = wenige Rezeptoren mit hoher Spezifität, feste Verdrahtung (gustofaciale Reflexe) Vomeronasales System: mehr Reize, sonst ähnlich Olfaktorisches System: viele Reize, wenig definiert = viele Rezeptoren mit niedriger Spezifität, Verdrahtung weniger fest