感觉细胞可将不同形式的能量转变成脑的“电流”——跨膜电位。但是,它们的功能远不止这些。它们具有自调节机制,并且,人们已发现,它们的内设多样性所产生的复杂模式是形成感觉影像的基础。在1991年9月5~8日于伍兹霍尔(Woods Hole)海洋生物实验室召开的感觉传导学术讨论会上,对光感觉、机械感觉和化学感觉的机制,与会者提出了一个较为统一的看法。
色觉的基础是具有不同光谱敏感性的三种视锥细胞。出乎意料的是,决定视觉色素最强吸收波长的蛋白质残基是中性的,不带电荷。它们即使吸收单个光子,也可在热噪声的背景上产生显著的能量变化。特定的谷氨酸和组氨酸残基之间协同作用(可能通过一种丝氨酸蛋白酶类机制),利用适当的能量级分,可进一步激活CTP结合蛋白。
GTP结合蛋白(G蛋白)可作为细胞光信号放大器,这个事实激励人们去探索嗅觉过程中类似的途径。现在,人们已克隆出一些嗅觉受体,它们均具有七次跨膜结构域。通过特异抗体与感觉神经元纤毛状突起的特异结合,科学家们发现了受体功能特性的一些新证据。嗅觉受体的种类至少是色觉色素种类的100倍。嗅觉受体如何协调作用产生嗅觉影像,至今仍是一个公开的难题。当初级感觉神经元上的嗅觉受体受到刺激后,兴奋沿轴突传入嗅球,这样,在嗅球上记录到的活动模式可能上升。“嗅觉亚基因组”结构和表达的奥秘不久将被揭开。它可能具有上千个无内含子的受体编码区,并且成簇分布,总共有数百万个碱基。
奇怪的是,味觉配体(即受体)相对较少,味觉更多地利用了多个传导途径,但至今尚未通过克隆的手段得到鉴定。对Gi/G0亚家族中味蕾特异性G蛋白质的定性研究打破了这一僵局。现在,我们可以期待分子的定性研究成果大量涌现。S. Kinnamon利用直接电生理学方法首次发现,cAMP参与甜味反应(Sweet responses),即甜味反应与Gs样蛋白质相关。从而,Ggust更可能与苦味相关(酸味和咸味涉及对正离子通道的直接作用)。这些成果,以及对甜味和苦味配体的“药理学”研究成果,和利用同类(congenic)苦味味盲小鼠(bitter non-taster mouse)的研究成果表明,味觉研究也会很快找到它自己的7次跨膜结构域受体。
听觉的多样性蛋白质检测器是科第氏器(Corti)。科第氏器能产生空间分离的声频反应(spatially segregated acoustic frequency responses)。耳蜗毛细胞并非利用G蛋白质和第二信使获得高敏感性,而是采用了一种离子通道门“盖”(ion-channel gating ‘lid’),它直接挂在硬刚毛(stereocilium)上。连接物为一长约100 nm的“尖端连接体”。尖端连接体在低钙浓度时发生解离,从而破坏听觉机制。小于0.1 nm的位移(接近热噪声)足以影响通道的开关。通道(每根硬刚毛约具有1个)位于硬刚毛的顶端,当通道开放时,这些器官的硬度 - 位移曲线(stiffness-displacement)产生可察觉的下降,这证明,连接是直接的。
*信号在与探测器作用前先经过调制,并且对于味觉,可能还涉及到生物转化酶(biotransformation enzymes)和气味结合蛋白(odorant – binding proteins)。品质编码的显著特点是许多具有不同选择性(通常是较宽的选择性)的探测器共同作用。适应和调制机制除表中所列举的外,还有其他机制。对于味觉,则需作进一步的探索。
感觉信号在与探测器作用前已经过调制(见表),耳蜗外毛细胞是最好的例子,它可作为输入声波的正反馈前置放大器。耳蜗外毛细胞具有一个嵌于膜内的电压驱动细胞骨架运动神经元。在录像记录中可以看到,外毛细胞随着电势的变化作协调运动。在体内,这种电势的变化由传出神经元支配。
适应机制的显著相似性是它们都与钙离子有关,脊椎动物视杆细胞中cGTP门通道的关闭导致钙的减少,从而激发鸟苷酸环化酶,使cGMP回升到较高水平。对于无脊椎动物,这个过程尚未弄清,Ca++可能通过trp蛋白质帮助细胞保持激活状态,并且cGMP通道门控(channel - gating)可能受传导的支配。在嗅觉纤毛中也存在类似的正离子通道,并且奇怪的是它们也具有一段cGMP结合蛋白的标志顺序,事实上,它对cAMP产生反应。细胞内Ca++浓度上升时嗅通道被阻断,这个过程可能是嗅觉适应的机制之一。嗅觉适应还可由cAMP磷酸二酯酶和cAMP依赖性激酶引起。
听觉细胞具有异乎寻常的适应机制,其适应过程受细胞内Ca++浓度变化的影响。细菌的趋化性是适应现象的一个极好的例子,其反应只受化学引诱剂(chemoattractants)浓度梯度的影响。适应现象在听觉过程中是如何产生的呢?在听觉过程中,正信号(Positive signal)导致两根硬刚毛间尖端连接体收缩,而负信号(negative signal)则相反。一个可能的解释是,滑动细丝(a sliding filament)能允许一个接触点沿一个轨道前后滑动,并能保持持续的张力。D. Corey设计了一个漂亮的实验,并进行了数学分析,为这个假说提供了依据。他提出了一个肌动球蛋白样机制。现已用同源克隆技术鉴定出听觉分子。
以人为中心的观念使得我们优先研究动物对光、声和化学信号的感觉过程。而现在对诸如鲑鱼和蜜蜂等的磁感觉研究也已展开。希望这些研究也进入感觉生物学研究的中央舞台。
[Nature,1991年10月31日]