Die Sinne des Menschen -...
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Die Sinne des Menschen
Klassische Einteilung:
5 Sinne der Wahrnehmung
- visuell
- auditorisch
- olfaktorisch
- gustatorisch
- taktil
Moderne Physiologie:
4 weitere Sinne
- Thermorezeption
- Nozirezeption
- Gleichgewichtssinn
- Tiefensensibilität (Wahrnehmung bestimmter Reize aus dem Körperinneren: wichtig für Propriozeption,
Wahrnehmung der Stellung und Bewegung des Körpers im Raum)
Tierische Sinneswelten
jenseits der menschlichen Wahrnehmung
Sensorische Signale: über die menschlichen Wahrnemung hinaus• Größere(s) Sensibilität/Spektrum im Vergleich zu den im Menschen
vorhandenen Sinne (z.B. visuelle, auditorische, olfaktorische, gustatorische, und taktile Wahrnehmung)
Sensorische Signale: außerhalb der menschlichen Wahrnehmnung• Infrarot Strahlen (Schlangen)• Echo-Ortung (Wale, Fledermäuse, Spitzmäuse)• Wahrnehmung von Magnetfeldern (Vögel, Insekten)• Wahrnehmung von elektrischen Feldern (Fische)• etc.
Duftstoff olfaktorisches Epithel Riechkolben Pyriform-Cortex,(olfaktorische Rezeptoren) Hypothalamus u.a.
I. Das olfaktorische System
Viele Säuger und andere Vertebraten besitzen einVomeronasalorgan zur Erkennung von Pheromonen
Riechen mit der Zunge
Die meisten Duftstoffe sind flüchtigeKohlenstoffverbindungen
Mandeln Stinktier Rose
Ingwer
Minze Kümmel
Woran erinnert das? Bei welchem Rezeptor Molekül spielt eine kleine Veränderung der Form des Liganden eine wichtige Rolle?
Kleine Veränderungen in der molekularen Struktur können zu großen Veränderungen im Geruch führen.
Die Transduktion der olfaktorischen Information erfolgt überRezeptorneurone im olfaktorischen Epithel
Rezeptor-axone
Stammzelle
olfaktorischesEpithel
olfaktorischeZilien
zum olfaktorischen Kolben
highly conserved
highly variable
Duftstoffe binden direkt oder via Odorant- bindender Proteine an olfaktorische Rezeptormoleküle in den Membranen der Zilien
• Die Duftstoff (Odorant)-Rezeptoren in den Zilien sind G-Protein gekoppelte 7TM-Rezeptoren
Aktionspotential und Signalweiterleitung an den Riechkolben
Molekulare Mechanismen der Transduktion olfaktorischer Signale
Spezifische Odorant-Rezeptorgene werden in einem kleinen Anteil der olfaktorischen
Rezeptorneurone exprimiert
Olfactory Marker Protein OR M81
Olfaktorisches Epithel der Maus
Es gibt zwischen 350-1000 Olfaktorische Rezeptor (OR) Gene in Säugern!
•Exprimiert im olfaktorischen Epithel
•1 x 106 sensorische Neuronen in der menschlichen Nase
•In jedem Neuron wird nur 1 OR Gene exprimiert
•Die Entscheidung welches OR Gen exprimiert wird ist zufällig
•Sobald ein Rezeptor Gen angeschaltet ist, unterdrückt das gebildete Protein die
Expression der anderen Rezeptorgene in dieser Zelle (negative feedback)
Menschen haben viele ihrer funktionellen OR Gene verloren!
•OR Gene sind nicht essentiell für das Überleben von Menschen und
nahverwandten Primaten
•Säuger, die auf einen guten Geruchsinn angewiesen sind, behalten
dagegen ihr OR Gen Repertoire
(Funktionelle
OR Gene in [%])
Der ‘olfaktorische Code’ Welcher OR wird von welchem Odorant aktiviert?
Aktivierung von OR’s durch Odorant binding führt zu Ca2+ influx Ca:
380nm: max Anregung bei niedrigen [Ca2+]
340nm: max Anregung bei hohen [Ca2+]
510 nm: max Emission
Rote Farbe spiegelt
[Ca2+] Influx in die
Zelle wider
1. Anregung mit 340nm (Emission 510 nm) Fluoreszenz steigt bei steigender [Ca2+]
2. Anregung mit 380nm (Emission 510 nm) Fluoreszenz nimmt ab mit steigender [Ca2+]
2 Möglichkeiten die Aktivierung der Rezeptorzellen
zu messen:
Der ‘olfaktorische Code’ Welcher OR wird von welchem Odorant aktiviert?
4 Carbonsäuren (z.B. Essigsäure)
3 Alkohole (z.B. Ethanol)
2 Bromcarbonsäuren
Ein einzelnes Neuron antwortet auf:
• Anstieg der [Ca2+]i ist linear zurAbnahme der Fluoreszenz bei 510 nm (380 nm Anregung)
Malnic et al. 1999, Cell 96:713-72398 von 647 getesteten Neuronen zeigten eine Antwort auf zumindest 1 Odorant
• Einzelne olfaktorische Neurone aus der Nase der Maus wurden mit Fura-2 ‚geladen‘ und hintereinander (35 s Intervalle) mit verschiedenen Düften (4 s) exponiert
Der olfaktorische Code
Wie konnte man zeigen, dass nur ein OR Gen pro Neuron exprimiert wird
1. Einzelzell RT-PCRs von mRNA isoliert aus individuellen olfaktorischen
Neuronen
2. PCRs mit Primern für ‘common regions’, z.B., Transmembran Domänen
3. Verdau mit identischen Restriktionsenzymen
Jedes Neuron exprimiert nur ein OR Gen!
Malnic et al. 1999, Cell 96:713-723
•Fast jeder Duftstoff aktiviert mehrereOR’s
•Fast jeder OR wird von mehrerenDuftstoffen aktiviert
•Jeder Duftstoff aktiviert eine einzigartigeKombination an ORs
Der olfaktorische Code
Dunklere Farben deuten hohe
Spezifität an, d.h., der Rezeptor
wird schon bei niedrigeren
Odorant Konzentrationen aktiviert.
Färbung von Axonen olfaktorischer Neurone, die das gleiche OR Gen exprimieren
Olfaktorischer Kolben
Axone aller olfaktorischer Neurone, die diesen und andere OR’s exprimieren projizieren
in den olfaktorischen Kolben
Der olfaktorische Code
1) Die Duftstoffe werden von
olfaktorischen Rezeptor Neuronen
wahrgenommen, die in der Antenne
und dem Maxillarpalpus lokalisiert
sind
2) Diese Neurone projizieren Axone entlang des
antennalen Nervs zu lokalen und Projektionsneuronen in
den Glomeruli des antennalen Lobus. In den Glomeruli
erfolgt die Verschaltung gemäß der jeweiligen
Chemosensitivität (d.h., je nachdem welche Duftstoffe ein
Rezeptor bindet)
3) Die Projektionsneurone leiten die Signale über den inneren
und medialen antennocerebralen Trakt (iACT and mACT) zum
Pilzkörper und zum Lateralen Horn (Lernen und angeborene
Verhaltensmuster)
Geruchsinn von Insekten
Die ORs der Insekten sind Odorant-abhängige Ionenkanäle
• Inverse Topologie im Vgl. zu den Säuger ORs• OR83b als obligatorische Untereinheit • Spezifische ORs (und GRs) für Pheromone in Insekten • In Säugern gibt es vomeronasale Rezeptoren (2 Familien), für die Pheromon Wahrnehmung
Kationen(Orco)
Ionotropische Rezeptoren (IRs) detektieren Säuren und Amine und sind verwandt mit den ionotropischen Glutamat Rezeptoren (iGluR)
•Divergente Liganden-bindende Domänen ohne Glu bindenden Reste
•Werden in senosrischen Neuronen exprimiert, die keine ORs (25%) oder GRs
exprimieren
•Ca. 14 antennale, olfaktorische IRs und 45 IRs für Geschmack
•Aktivierung durch Liganden (diverse Säuren und Amine) führt zu Kationen-influx
•Einer von zwei IR Co-Rezeptoren (IR8a und IR25a), bildet mit dem Odorant-
spezifischen IR einen funktionellen Heterodimer (ähnlich wie bei Insekten OR‘s).
•IRs findet man in allen Protostomiern (Arthropoden, Nematoden, Mollusken), also
Urform der Chemosensorik
Domänen Struktur von iGluR’s und IR’s
R. Benton
Kationen
II. Geschmackssinn
Der ‘Schwester Sinn’ der Olfaktorik, da der Geruchs- den Geschmackssinn verstärkt (z.B., die Einschränkung Dinge zu schmecken, wenn man Schnupfen hat)
Im Vergleich zum Geruchssinn ist der Geschmackssinn sehr eingeschränkt
•Substanzen sind chemisch sehr variabel
•Werden durch sensorische Neuronen auf der Zunge wahrgenommen
•Wichtig um zwischen ‘nahrhaften, geeigneten Futter’ (süß, salzig, umami = herzhaft, Japanisch für köstlich) und potentiell giftigen Substanzen (bitter, sauer), unterscheiden zu können
Antikörperfärbung Geschmacksknospen
Existenz von 7TM Geschmacksrezeptoren und Olfaktorik-ähnlicher
Signalkaskade wahrscheinlich
Die Geschmacksknospen auf unserer Zunge exprimieren eine spezifischeG-Protein Untereinheit
Antikörperfärbung G-Protein Gustucin
highly conserved highly variable
Bitter Rezeptoren sind 7TM, G-Protein-gekoppelte Proteine
Ungefähr 36 verschiedene Proteine im Menschen
Jede Geschmack Rezeptorzelle exprimiert verschiedene Bitter Rezeptoren
Geschmackssinn ist weniger akkurat als Geruchssinn. Viele Substanzen
schmecken ähnlich, aber bereits geringe Geruchsunterschiede können
wahrgenommen werden.
Die ‘Süß und Umami’ Rezeptoren (auch 7TM) bilden Heterodimere
T1R2/T1R3 Heterodimer wird durch Zucker und Süßstoffe (Aspartam and Saccharin) aktiviert
Der T1R1/T1R3 Heterodimer bildet den ‘Umami-Rezeptor’ (Glutamat & Aspartat, MSG=Monosodium Glutamat)
Süß
Umami
Nur minimale Antwort auf Zucker, obwohl selber Rezeptor!
Signal Transduktion der Bitter, Süß, und Umami Rezeptoren
α Gustducin
Bekannte Kandidaten (hoffentlich…..): PLC and Trp Kanäle!
Zum Gehirn
Damann et al 2008, Curr Biol 18, R880-R889
Sauer und Salzig aktivieren Ionenkanäle direkt
•Amilorid sensitive Na+ Kanäle: Geschmacks Neurone werden direkt durch den Einstrom von Ionen durch den Kanal aktiviert.
•Kanäle werden durch Amilorid blockiert, wodurch der Geschmack von Salz unterdrückt wird.
•H+ Ionen (saurer Geschmack) passieren H+-sensitive Kationen Kanäle.
•In beiden Fällen Depolarisierung der Rezeptor Zelle und Öffnung spannungsabhängiger Na+
und Ca2+ Kanäle-> Serotonin Freisetzung und AP in nachgeschalteter Ganglienzelle
Geschmackstoffe werden von
Geschmacks Rezeptor Neuronen im
Labellum (Spitze des Proboscis)
wahrgenommen.
Geschmackssinn bei Insekten
…aber auch von Rezeptor Neuronen im Pharynx, den Beinen, Flügeln und Ovipositor (‘Legestachel’)
Geschmackssensillen auf dem Labellum
Einzelnes Sensillum mit 4 Dendriten
•Finden von reichhaltiger Nahrung•Vermeiden von toxischen Substanzen •Partnersuche•Geeignete Eiablage Stellen
Geschmack Rezeptoren (GR) sind entfernte Verwandte der OR
•68 GR kodierende Gene
•Unklar, ob sie als Liganden-abhängige Ionenkanäle, oder als GPCRs (oder Beides) fungieren
•Mehrere GRs werden in einem GR Neuron exprimiert (wie in Säugern)
•Wahrscheinlich bilden verschiedene GR Untereinheiten (> 2) Multidimere, um einen funktionellen Rezeptor zu generieren
GR68a mutante: ♂ werben nicht um ♀
GR32a mutante: ♂ werben um andere ♂ und bereits befruchtete ♀(Herabgesetzte Wahrnehmung eines während der Paarung vom ♂ zum♀ übertragenen Pheromons)
IRs sind auch an Pheromon Detektion beteiligt: IR84a verstärkt♂Werbegesang und detektiert Fruchtgerüche
R. Benton
Pheromone werden von spezifischen GR detektiert
III. Der Hörsinn
•Sehr schneller Prozess: Das menschliche Ohr kann Schallwellen mit einer Frequenz von 200 – 20,000 Hz (Zyklen pro Sekunde) hören
•Die Geräuschortung beruht auf der zeitlichen Differenz mit der die Signale das linke und rechte Ohr erreichen.
•Die hohe Geschwindigkeit legt einen direkten Transduktions Mechanismus nahe
Haarzellen werden durch mechanische Kräfte angeregt
Tatsächliche Geräusch Sensoren. Senden
afferente Projektionen zum GehirnGenerieren konstante Vibration durch efferenten Input
Hören ist kein passiver mechanischer Prozess!
Stereocilien sind über ein ‘tip link’ verbunden
Verschiebung in Richtung der längeren Cilie verursacht Depolarisierung, Verschiebung in die entgegengesetzte Richtung verursacht Hyperpolarisierung
0.3 nm Verschiebung ändert das Membranpotential. Das entspricht einer 2.5 cm Schwankung der Spitze des Empire State Building!
(Besteht aus 2 verschiedene Cadherinen)
Ionen Kanäle, die über mechanische Kräfte geöffnet werden, sind essentiell für die Geräuschwahrnehmung
Durch Luft- und Schallwellen induzierte Vibration der Arista rotiert das 3te Segment der Antenne
‘Stretch Rezeptoren’ im 2ten Segment werden aktiviert
Rotierender Stab
Stretch Rezeptoren
(Johnston’s organ)
Johnston’s Organ ist ein Chordotonal Organ, das aus 200 Scolopodien besteht
Scolopodien sind mit dem flexiblen Ring verbunden
Während der Rotation kommt es zu abwechselndem ‘Stretching’ und ‘Relaxing’
TRP Kanäle
Ganz wie beim Menschen: Hören ist kein rein passiver mechanischer Prozesss
Spontane Vibrationen einer wild typ Arista beruhen auf dem Mechanorezeptor nompC (TRPN)
iav/nan
nompC
Für das Schmerzempfinden sind in der Hauptsache TRP Kanäle verantwortlich
Keine Transduktionskaskade oder Signalverstärkung involviert!!
Der Capsaicin Rezeptor ist ein TRP Kanal
Ankyrin repeats
4 dieser Untereinheiten bilden einen funktionellen Kanal
Gleicher Mechanismus für die Wahrnehmung extremer Hitze und Säure
Antwort des Capsaicin Rezeptors auf Absenkung des pH und steigende Temperaturen
TRP Kanäle in den freien sensorischen Nerv Endigungen unserer Haut
Direkte Aktivierung führt zu Depolarisierung
In Insekten wird die extreme Kälte- und Hitze Perzeption auch durch direkte Aktivierung von TRP Kanälen vermittelt