การส่งสัญญาณของตัวรับสารเคมีและการรับรสและกลิ่น

การส่งสัญญาณของตัวรับสารเคมีคือการเปลี่ยนสิ่งเร้าทางเคมี ซึ่งได้แก่โมเลกุลที่ละลายในน้ำลายหรือที่มากับอากาศที่หายใจเข้าไป ให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า ซึ่งเป็นพื้นฐานของการรับรู้รสและกลิ่น กระบวนการนี้ขึ้นอยู่กับโปรตีนตัวรับที่จับกับสารเคมีจำเพาะ และเชื่อมโยงการจับนั้นกับการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าที่เยื่อหุ้มเซลล์ หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงตระกูลของตัวรับและตรรกะการส่งสัญญาณของการรับรสและการรับกลิ่น

Definition

การส่งสัญญาณของตัวรับสารเคมีคือการเปลี่ยนสิ่งเร้าทางเคมีให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าในเซลล์รับสารเคมี โดยมีโปรตีนตัวรับเป็นสื่อกลาง ซึ่งส่วนใหญ่เป็นตัวรับที่จับกับโปรตีนจี (G-protein-coupled receptors) และช่องไอออนจำเพาะ ที่รู้จักโมเลกุลจำเพาะและเปลี่ยนแปลงกระแสไฟฟ้าที่เยื่อหุ้มเซลล์

Scope

เนื้อหานี้ครอบคลุมถึงตัวรับระดับโมเลกุลและวิถีการส่งสัญญาณของการรับรส (หวาน ขม อูมามิ เค็ม และเปรี้ยว) และการรับกลิ่น (ตระกูลตัวรับกลิ่นขนาดใหญ่) รวมถึงการจัดระเบียบของเซลล์ที่เปลี่ยนการรับรู้สารเคมีให้เป็นสัญญาณประสาท นี่คือหัวข้ออ้างอิงในสรีรวิทยาทางประสาทสัมผัส และไม่มีคำแนะนำทางคลินิกหรือโภชนาการ

Core questions

• การจับของสารเคมีกับตัวรับสร้างสัญญาณไฟฟ้าได้อย่างไร?
• ตระกูลตัวรับใดที่เป็นพื้นฐานของคุณภาพรสชาติพื้นฐานและการตรวจจับสารกลิ่น?
• คุณภาพรสชาติและเอกลักษณ์ของกลิ่นที่แตกต่างกันถูกแยกแยะได้อย่างไร?
• กลไกแบบไอออนิกและกลไกที่จับกับโปรตีนจีแตกต่างกันอย่างไรในตัวรับสารเคมี?

Key concepts

• ตัวรับกลิ่น (ตระกูลตัวรับที่จับกับโปรตีนจีขนาดใหญ่)
• ตัวรับรส (ตระกูล T1R และ T2R)
• รูปแบบรสหวาน ขม อูมามิ เค็ม และเปรี้ยว
• การส่งสัญญาณที่จับกับโปรตีนจีและตัวส่งสารตัวที่สอง
• การส่งสัญญาณแบบไอออนิก (เช่น รสเปรี้ยวและเค็ม)
• การจัดระเบียบการรับรสแบบแนวเส้นทางเฉพาะ
• การเข้ารหัสกลิ่นแบบผสมผสาน

Mechanisms

ตัวรับสารเคมีรู้จักโมเลกุลผ่านโปรตีนตัวรับจำเพาะ และเชื่อมโยงการรับรู้นั้นกับกระแสไฟฟ้าที่เยื่อหุ้มเซลล์ ในการรับกลิ่น Buck และ Axel ได้ระบุตระกูลยีนขนาดใหญ่ของตัวรับกลิ่นที่จับกับโปรตีนจี โดยที่เซลล์ประสาทรับความรู้สึกแต่ละเซลล์แสดงออกตัวรับเพียงไม่กี่ชนิด ดังนั้นกลิ่นจึงถูกเข้ารหัสแบบผสมผสาน (combinatorially) ทั่วทั้งเซลล์ประสาทหลายเซลล์ ในการรับรส ตระกูลตัวรับที่แตกต่างกันทำหน้าที่รับรู้รสชาติที่แตกต่างกัน: ตัวรับ T1R เป็นสื่อกลางของรสหวานและอูมามิ และตัวรับ T2R เป็นสื่อกลางของรสขม ซึ่งทั้งหมดจับกับโปรตีนจี ในขณะที่รสเค็มและเปรี้ยวอาศัยกลไกแบบไอออนิก (ionotropic) มากกว่า ดังที่ได้ทบทวนโดย Lindemann, Chandrashekar และคณะ และ Yarmolinsky และคณะ การกระตุ้นตัวรับ ไม่ว่าจะผ่านกระบวนการส่งสัญญาณแบบตัวส่งสารตัวที่สอง (second-messenger cascade) หรือการไหลของไอออนโดยตรง จะทำให้เซลล์ตัวรับเกิดการลดขั้ว (depolarize) และนำไปสู่การหลั่งสารสื่อประสาทไปยัง หรือการสร้างกระแสประสาทใน เส้นใยประสาทนำเข้า (sensory afferent) ระบบการรับรสส่วนใหญ่จัดระเบียบตามแนวเส้นทางเฉพาะ (labeled lines) โดยมีเซลล์และเส้นทางที่อุทิศให้กับรสชาติเฉพาะ

Clinical relevance

สรีรวิทยาการรับสารเคมีเป็นพื้นฐานของการรับรสและกลิ่น และเป็นกรอบแนวคิดในการทำความเข้าใจความผิดปกติของประสาทสัมผัสเหล่านี้ รวมถึงความผิดปกติของการรับกลิ่นและรสที่อาจเกิดขึ้นพร้อมกับภาวะต่างๆ เนื้อหาในที่นี้อธิบายกลไกปกติเพื่อการอ้างอิงทางการศึกษา และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษา

Evidence & guidelines

คำอธิบายนี้อ้างอิงจากการระบุตัวตนระดับโมเลกุลของตระกูลตัวรับกลิ่นและรส และจากการศึกษาการทำงานของวิถีการส่งสัญญาณของพวกมัน สิ่งเหล่านี้เป็นผลการวิจัยเชิงกลไก ไม่ได้หมายถึงแนวทางปฏิบัติทางคลินิกใดๆ

History

ยุคโมเลกุลของการรับสารเคมีเริ่มต้นขึ้นในปี 1991 เมื่อ Buck และ Axel ระบุตระกูลยีนตัวรับกลิ่นขนาดใหญ่ ซึ่งเป็นพื้นฐานระดับโมเลกุลสำหรับการรับรู้กลิ่น และต่อมาได้รับการยอมรับด้วยรางวัลโนเบล งานวิจัยในช่วงทศวรรษต่อมาได้ระบุตระกูลตัวรับรสและกำหนดให้พวกมันรับรู้รสชาติเฉพาะ โดยชี้แจงว่ารสหวาน ขม และอูมามิใช้ตัวรับที่จับกับโปรตีนจี ในขณะที่รสเค็มและเปรี้ยวอาศัยกลไกแบบไอออนิก และสร้างการจัดระเบียบการรับรสแบบแนวเส้นทางเฉพาะเป็นส่วนใหญ่

Debates

คุณภาพรสชาติถูกเข้ารหัสอย่างไร — แนวเส้นทางเฉพาะ หรือ รูปแบบข้ามเส้นใย?

มีการถกเถียงกันว่ารสชาติพื้นฐานแต่ละชนิดถูกส่งผ่านเซลล์และเส้นทางที่เฉพาะเจาะจงสำหรับคุณภาพนั้นๆ (แนวเส้นทางเฉพาะ) หรือถูกอ่านจากรูปแบบกิจกรรมของเซลล์ที่ตอบสนองได้กว้างๆ หลักฐานทางโมเลกุลและการทำงานได้สนับสนุนแนวคิดแนวเส้นทางเฉพาะสำหรับคุณภาพพื้นฐานเป็นส่วนใหญ่ แม้ว่าจะมีการบูรณาการเกิดขึ้นในส่วนกลาง

Key figures

• Linda Buck
• Richard Axel
• Charles Zuker
• Nicholas Ryba
• Bernd Lindemann

Seminal works

• buck-axel-1991
• lindemann-2001
• chandrashekar-2006
• yarmolinsky-2009

Frequently asked questions

จมูกแยกแยะกลิ่นจำนวนมากได้อย่างไรด้วยชุดตัวรับที่จำกัด?

กลิ่นถูกเข้ารหัสแบบผสมผสาน: สารกลิ่นแต่ละชนิดจะกระตุ้นชุดย่อยเฉพาะของตัวรับกลิ่นหลายชนิด และสมองจะอ่านรูปแบบของตัวรับที่ถูกกระตุ้นนั้นว่าเป็นกลิ่นที่แตกต่างกัน

รสชาติทั้งหมดถูกส่งสัญญาณในลักษณะเดียวกันหรือไม่?

ไม่ รสหวาน อูมามิ และขมใช้ตัวรับที่จับกับโปรตีนจีและกระบวนการส่งสัญญาณแบบตัวส่งสารตัวที่สอง ในขณะที่รสเค็มและเปรี้ยวอาศัยกลไกไอออนิกโดยตรงที่เยื่อหุ้มเซลล์รับรสมากกว่า