Tế bào khứu giác

Thụ thể khứu giác (tế bào khứu giác) là tế bào thần kinh lưỡng cực với một sợi nhánh không phân nhánh. Nó đi qua giữa các tế bào đáy và kết thúc tại thùy khứu giác. Từ đó có đến 20 sợi trục, đại diện cho bề mặt thụ cảm của tế bào khứu giác. Các tế bào này nằm trong lớp chất nhầy bao phủ biểu mô tạo thành một ma trận dày đặc. Tế bào khứu giác giữ đồng thời hai chức năng: nhận biết kích thích và dẫn truyền xung thần kinh đến não, do đó nó là tế bào thần kinh cảm giác (neuron cảm giác). Sợi trục truyền tín hiệu đến hệ thần kinh trung ương họp thành các bó sợi khứu giác. Tế bào thần kinh khứu giác có thể được thay thế khi tế bào cơ sở phân chia.[18][19]

Tiêm mao khứu giác nằm trong chất nhầy chứa một lượng lớn protein kích thước trung bình (20 kDa) do các tuyến mũi tiết ra. Protein này còn được tìm thấy trong chất nhầy không chỉ bao phủ biểu mô khứu giác mà còn cả biểu mô hô hấp thuần túy. Có thể những protein này liên kết với các phân tử chất có mùi một cách tùy ý và đảm bảo tế bào cảm thụ tương tác được với phân tử chất.[18]

Các tiêm mao khứu giác không khác biệt về siêu cấu tạo so với tiêm mao khác, chúng cũng chứa sợi trục bất động thông thường. Tiêm mao khứu giác rất dài và mỏng: dài từ 5 đến 250 µm còn đường kính chỉ có 100–250 nm. Chúng bó lại 5-40 sợi và nhô ra từ thùy khứu giác làm tăng bề mặt cảm thụ. Các thụ thể khứu giác nằm trên bề mặt tiêm mao. Mỗi gen trong họ gen chỉ mã hóa một số loại protein nhất định, trên tiêm mao của cùng một tế bào khứu giác thì cũng chỉ có protein khứu giác cùng loại. Tuy nhiên, không phải tất cả các gen trong họ đều có biểu hiện gen (ví dụ chỉ có khoảng 40% các gen này được biểu hiện ở người). Trong suốt thời gian dài trước đây, vẫn chưa rõ liệu mỗi tiêm mao có thể phản ứng với nhiều loại chất tạo mùi hay chỉ một loại mà thôi.[11] Hiện giờ đã xác định được rằng mỗi loại tế bào khứu giác đặc trưng chỉ cảm thụ được một nhóm hợp chất hóa học cụ thể thông qua mô hình cấu trúc riêng biệt.[19]

Bất kể tính đặc hiệu nào, tế bào khứu giác có độ nhạy rất cao: chúng có khả năng ghi nhận các chất với nồng độ từ 10−4 M đến 10−13 M. Khi cảm lạnh, độ nhạy giảm do các tiêm mao bị chìm trong lớp dịch nhầy quá dày.[11]

Ngoài các tế bào khứu giác liên kết với dây thần kinh khứu giác, trong niêm mạc mũi còn có các đầu mút tự do của dây thần kinh sinh ba; chúng có khả năng phản ứng với một số mùi mạnh như hơi axit hoặc amoniac.[19]

Truyền dẫn tín hiệu

Sự truyền dẫn kích thích khứu giác được mô tả như sau. Mùi hương liên kết với một thụ thể trên màng tế bào khứu giác. Thụ thể khứu giác là một thụ thể bắt cặp với G protein (viết tắt GPCR) và giống như tất cả các GPCR đều chứa 7 vùng protein. Không giống như các thụ thể khác trong siêu họ GPCR, thụ thể khứu giác có đặc trưng đa dạng axit amin lớn trong các vùng xuyên màng 3, 4 và đặc biệt là 5. Ngoài ra, còn điểm khác nữa là ở tính đặc hiệu kém hơn: tùy theo mức độ, chúng có ái lực với một số chất tạo mùi có cấu trúc hóa học lập thể tương tự nhau. Tuy nhiên, thay đổi nhỏ trong cấu trúc hóa học của chất tạo mùi có thể dẫn đến thay đổi của cả một tập hợp thụ thể được kích thích kéo theo cảm nhận khác biệt. Do đó, khi thay nhóm hydroxyl của octanol bằng nhóm cacboxyl dẫn đến nhận thức khứu giác thay đổi đáng kể: mùi cam chuyển thành mùi ôi và mồ hôi. Ngoài ra, số lượng thụ thể được kích thích và cảm nhận chủ quan có thể phụ thuộc vào nồng độ chất tạo mùi. Ví dụ, indol nồng độ thấp có mùi thơm hoa cỏ dễ chịu còn nồng độ cao thì có mùi thối khó ngửi.[20]

Khi chất tạo mùi liên kết với thụ thể sẽ kích hoạt Gs alpha subunit, kích hoạt enzym adenylat cyclaza, khiến GTP bị phân giải thành phosphat và GDP. Adenylat cyclaza chuyển ATP thành cAMP, liên kết với kênh ion dương phụ thuộc cyclonucleotide bên trong màng và mở cho dòng ion Na+ và Ca2+ chạy vào tế bào khứu giác, kích hoạt điện thế hoạt động, sau đó được truyền đến tế bào thần kinh tới.[19] Tuy nhiên, đôi khi các thụ thể khứu giác không hoạt hóa adenylat cyclaza mà là phospholipase, và chất truyền dẫn thứ cấp không phải là cAMP mà là inositol triphosphate và diacylglycerol. Hơn nữa, do sự kích hoạt của canxi NO-synthase có thể trong các tế bào khứu giác tạo ra NO kéo theo hình thành cGMP.[21]

Các kênh truyền dẫn phụ thuộc cyclonucleotide có sáu phân đoạn kỵ nước và có cấu trúc giống như kênh ion. Khác biệt là các kênh phụ thuộc cyclonucleotide có vùng tế bào chất ở đầu tận cùng C lớn, liên kết với kênh truyền thứ cấp. Có 2.400 kênh/µm2 trên tiêm mao (chỉ có 6 kênh/µm2 trên thùy khứu giác và sợi nhánh). Khi không có canxi, các kênh phụ thuộc cyclonucleotide có thể thấm qua tất cả cation một hóa trị: Na+ > K+ > Li+ > Rb+ > Cs+. Khi tiếp xúc với chất tạo mùi, dòng ion qua các kênh phụ thuộc cyclonucleotide thay đổi, dẫn đến khử cực màng tế bào và kích hoạt điện thế hoạt động.[22]

Các tế bào khứu giác cùng loại truyền tín hiệu đến cùng một quản cầu của hành khứu giác, và tổ chức trên hành phụ lặp lại vị trí của các thụ thể trên bề mặt vỏ khứu giác. Cần lưu ý rằng một thụ thể khứu giác có thể bị kích thích bởi một phân tử của chất có mùi.[23]

Năm 2004, Linda Buck và Richard Axel đoạt Giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học cho nghiên cứu thụ thể khứu giác ở loài thú.[24] Hai nhà khoa học khám phá bản chất hóa học của protein thụ thể khứu giác, ước tính số lượng gen trong bộ gen động vật có vú mã hóa các protein này và chứng minh nguyên tắc một tế bào khứu giác chứa một loại protein thụ thể khứu giác cũng như tế bào khứu giác cùng loại chịu trách nhiệm xử lý tín hiệu giống như quản cầu hành khứu giác.[25][26]

Thích ứng cảm thụ

Điều thú vị là các kênh phụ thuộc cyclonucleotide tại tiêm mao khứu giác không bị giải cảm ứng, nghĩa là độ nhạy không suy giảm khi tiếp xúc nhiều với chất có mùi. Tuy nhiên, sự thích ứng diễn ra trong tế bào khứu giác. Điều này có thể do ion Ca 2+ xâm nhập vào tế bào trực tiếp hoặc thông qua sự hoạt hóa calmodulin dẫn đến đóng các kênh ion và ngoài ra còn giải đáp ứng GPCR.[27]

Phản ứng với kích thích khứu giác diễn ra từ từ, tức là nồng độ chất tạo mùi càng lớn thì phản ứng càng nhanh. Điều này là do AMP vòng tăng hoặc giảm mở số lượng kênh phụ thuộc cyclonucleotide. Việc phân biệt tín hiệu thời gian thực hiệu quả đòi hỏi phản hồi nhanh. Thực tế chứng minh nồng độ AMP vòng đạt đỉnh sau 40–75 ms tính từ lúc tiếp xúc với chất có mùi và về 0 sau 100–500 ms. Tầng G-protein khuếch đại tín hiệu, một xung chất có mùi đơn sẽ kích hoạt nhiều kênh. Tuy nhiên, tính động lực của kênh khá chậm và trạng thái mở có thể trễ hơn xung AMP vòng vài mili giây. Khi chất tạo mùi GPCR hoạt hóa trong thời gian dài, xung AMP vòng duy trì các kênh phụ thuộc cyclonucleotide ở trạng thái mở liên tục.[27]