I sensi chimici

1. I sensi chimici Dr. Paola Perin Dipartimento di Scienze Fisiologiche-Farmacologiche Cellulari-Molecolari – Università di Pavia

2. 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”

3. 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

4. Ad esempio • Alcoli e acidi carbossilici con uguale numero di atomi C hanno odori diversi • Le strutture stimolate da ciascuna sostanza (glomeruli) sono diverse

5. 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

6. Cosa e’ un sapore? 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

7. Odori sociali • 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)

8. Anatomia del sistema olfattivo 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

9. Neuroni olfattivi • I recettori del sistema olfattivo sono veri neuroni (5-50 milioni) • Rigenerano in 60 giorni! • Apparato chemotrasduttore: cilia

10. Trasduzione del segnale olfattivo 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

11. Come arrivano le molecole ai recettori? 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

12. I recettori olfattivi 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

13. I recettori olfattivi 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

14. Espressione dei recettori olfattivi 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

15. La trasduzione olfattiva 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 Cl- Ca2+-dipendente Depolarizzazione del ciglio

16. I canali del Cl olfattivi • 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

17. 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

18. Adattamento rapido e desensitizzazione Modulazione Ca-dipendente della attivazione dei canali CNG Adattamento scompare completamente bloccando l’ingresso di Ca2+ Desensitizzazione: ridotta da antagonisti della CaMKII CAMKII inhibitor

19. 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

20. Adattamento rapido Altri effetti simili alla regolazione della cascata visiva

21. 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

22. Adattamento lento Inibizione della eme ossigenasi II elimina l’adattamento GC solubile attivata da CO

23. 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)

24. 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

25. Modulazione del segnale nei neuroni olfattivi

26. Compartimentalizzazione dei neuroni olfattivi Solo i canali coinvolti nella trasduzione 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 Canali del Ca LVA e HVA; canali KCa; scambiatore Na/Ca Canali Nav

27. 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

28. 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

29. Circuiti del bulbo olfattivo • 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 Tufted cell

30. 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

31. 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!)

32. Apprendimento olfattivo Gli oggetti olfattivi vengono ricostruiti da centri nervosi superiori

33. 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)

34. 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

35. Le cellule mitrali • 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 Dendrite principale Dendrite secondario Assone

36. 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

37. Vie olfattive centrali • Le vie olfattive proiettano anche al sistema amigdala-ipotalamo (legato alle risposte emotive) • Il sistema vomeronasale proietta SOLO al sistema amigdala-ipotalamo (percezione inconscia)

38. L’organo vomeronasale • Epitelio separato da quello olfattivo primario • Proietta al bulbo olfattivo accessorio • Non esposto all’aria esterna in condizioni normali

39. 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

40. 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

41. Recettori vomeronasali • 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 V1R V2R

42. 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

43. 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

44. 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

45. Il sistema gustativo • Papille gustative: • Fungiformi • Vallate • Foliate • Bottoni gustativi: gruppi di cellule recettoriali (cellule gustative) – 1% delle cellule dell’epitelio linguale

46. 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

47. 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

48. 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

49. 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

50. 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