Signaltransduktion WS 2008/2009

2. Signaltransduktion WS 2008/2009 Das Schmecken

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

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

5. Die Chemischen Sinne Signaltransduktion 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)

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

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

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

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

10. „Anatomie“ des Geschmacks Signaltransduktion

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

12. „Anatomie“ des Geschmacks Signaltransduktion Die Geschmackspapillen enthalten Geschmacksknospen

13. „Anatomie“ des Geschmacks Signaltransduktion Geschmacks- knospe Wallpapille

14. „Anatomie“ des Geschmacks Signaltransduktion Geschmacksknospen enthalten Geschmackszellen

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

16. „Anatomie“ des Geschmacks Signaltransduktion • 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 Wangen- • und Gaumenschleimhaut • jede Geschmacksknospe enthält 15 - 100 Zellen • Signalverarbeitung?

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

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

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

20. Molekulare Prozesse Signaltransduktion 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?

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

22. ENaC = epithelial Na+ channel Ca2+ Salzgeschmack Signaltransduktion Elektrophysiologischer Nachweis von Natriumkanälen Depolarisation Depolarisation -70 mV

23. ENaC = Epithelial Na+ channel Na+ Ca2+ Salzgeschmack Signaltransduktion Elektrophysiologischer Nachweis von Natriumkanälen Depolarisation INa Depolarisation -30 mV

24. ENaC = Epithelial Na+ channel Ca2+ Salzgeschmack Signaltransduktion Elektrophysiologischer Nachweis von Natriumkanälen Depolarisation

25. Salzgeschmack Signaltransduktion Salzgeschmack = ein offener Ionenkanal ENaC

26. Salzgeschmack Signaltransduktion „Salzigkeit“: Mensch: NH4+ > K+ > Ca2+ > Na+ > Li+ > Mg2+ Fleischfresser: NH4+ > Ca2+ > K+ > Mg2+ > Na+ Pflanzenfresser: Na+ > NH4+ > Ca2+ > K+ > Mg2+ Anionen: SO42- > Cl- > Br- > I- > HCO3- > NO3- Der Geschmack hängt von der Konzentration des Salzes ab. Niedrige Konzentrationen von NaCl schmecken süß. Viele Salze schmecken außerdem bitter (z.B. MgSO4).

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

28. Sauergeschmack - ein neuer Signalweg? Signaltransduktion 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“

29. Sauergeschmack Signaltransduktion Aktivierung durch Hyperpolarisierung der Membranspannung

30. Sauergeschmack Signaltransduktion Aktivierung auch durch Protonen

31. Sauergeschmack Signaltransduktion Schrittmacherkanäle in Geschmackszellen exprimiert

32. Sauergeschmack Signaltransduktion HCN Kanäle

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

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

35. Defekt ! Suche nach Süß- und Bitterrezeptoren Signaltransduktion Sucrose- octaacetat Mutante: unempfindlich „Nicht-Schmecker“ Wildtyp: normal-empfindlich „Schmecker“

36. Suche nach Süß- und Bitterrezeptoren Signaltransduktion Sucrose- octaacetat Mutante: unempfindlich „Nicht-Schmecker“ Wildtyp: normal-empfindlich „Schmecker“ Defekt !

37. Süß- und Bitterrezeptoren Signaltransduktion Zwei Klassen von Geschmacksrezeptoren: T1R: T1R1, T1R2, T1R3 T2R: ca. 30 Rezeptorgene Bilden Dimere Alle Geschmackszellen, die T1 oder T2 Rezeptoren exprimieren, exprimieren ebenfalls: - die Phospholipase 2 und - den Ionenkanal TRPM5 Signalweg: T-Rezeptor - G-Protein - PLC2 - ... - TRPM5

38. Bitterrezeptoren Signaltransduktion Kationeneinstrom T2R Rezeptoren binden Bitterstoffe Wichtige Funktion, deshalb viele Rezeptorgene (ca. 30)! 30 Populationen von Bitterdetektoren?

39. Süßgeschmack Signaltransduktion T1R2 / T1R3-Rezeptoren binden Zucker Zucker und Süßstoffe binden: - an die gleichen Rezeptoren - aktivieren den gleichen Signalweg

40. Umami Geschmack Signaltransduktion mGluR4 oder T1R1/T1R3? Natriumglutamat

41. Umami Geschmack Signaltransduktion Bitter X X Sucroseoctaacetat X X Süß Sucrose Knock-out Versuche zeigen:PLCß2 ist beteiligt Umami X X Natriumglutamat

42. Umami Geschmack Signaltransduktion X Bitter X Sucroseoctaacetat X X Süß Sucrose Knock-out Versuche zeigen:TRPM5 ist beteiligt Umami X X Natriumglutamat

43. Umami Geschmack Signaltransduktion Eine entscheidende Frage: Sind Geschmackszellen Spezialisten oder Generalisten? Zellen, die T2-R exprimieren, scheinen keine T1R zu exprimieren. Test: PLC2 knock-out kombiniert mit PLC2 knock-in unter dem Promotor eines T2-Rezeptors (= Bitterrezeptor).

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

45. Gibt es spezifische Geschmackssinneszellen? Signaltransduktion

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

47. Zusammenfassung Signaltransduktion 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

48. Zwei Familien von Rezeptorproteinen: T1R und T2R, stehen am Beginn der metabotropen Signaltransduktion. Zusammenfassung Signaltransduktion 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. Verschiedene Kombinationen von dimeren Rezeptoren erzeugen unterschiedliche Selektivität in Geschmacks- sinneszellen.

49. Zusammenfassung Signaltransduktion 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