Nobel Lý sinh học/ Dược phẩm năm 2004 Richard Axel và Linda B. Buck

Các thụ quan mùi và tổ chức của hệ thống khứu giác

I-Vai trò quan trọng của hệ thống khứu giác:
+ Khứu giác chiếm vai trò quan trọng đối với chất lượng cuộc sống:
Khi ta nếm một món ngon nào, hệ thống khứu giác sẽ giúp chúng ta đánh giá chất lượng của món đó. Một loại rượu ngon hoặc một loại mứt ngon sẽ kích hoạt một loạt các thụ quan mùi và nhờ đó chúng ta nhận biết được các mùi khác nhau.
Một mùi nào đó từ thời thơ bé hoặc liên quan đến cảm xúc, dù là mùi tích cực hay tiêu cực, có thể để lại ấn tượng trong suốt thời gian sau này. Một con sò bốc mùi hoặc gây dị ứng để lại ấn tượng xấu trong nhiều năm sau và khiến người ta không nuốt nổi bất cứ món sò nào khác cho dù nó rất thơm ngon .
Mất đi khứu giác sẽ là một bất lợi nghiêm trọng, chúng ta sẽ không thể nhận biết chất lượng thức ăn cũng như không cảm nhận được các dấu hiệu nguy hiểm như mùi khói từ các đám cháy.
+ Khứu giác có vai trò quan trọng đối với hầu hết các loài
Tất cả các sinh vật sống đều có khả năng nhận biết và xác định các hoá chất có trong môi trường sống của chúng. Đó chính là khả năng sống còn giúp chúng tìm được các loại thức ăn thích hợp cũng như tránh xa những chất có hại. Cá có khá ít thụ quan mùi, chỉ khoảng 1 trăm loại còn những con chuột Axel và Buck nghiên cứu có đến khoảng 1.000. Số loạI thụ quan mùi của người cũng ít hơn chuột do một số gen của chúng ta đã thoái hoá theo tiến hoá.
Khứu giác có vai trò rất thiết yếu đối với các con non của động vật có vú, giúp chúng tìm được vú mẹ. Nếu không ngửi được mùi, các con non sẽ không thể sống sót. Khứu giác cũng rất quan trọng đối với thú trưởng thành. Nhờ đó chúng có thể đánh hơi nhận biết lãnh địa của mình. Như ở loài chó, lớp biểu mô mũi của chúng nhiều gấp 40 lần so với ở người.
II-Các thụ quan mùi và tổ chức của hệ thống khứu giác
Khứu giác là giác quan bí ẩn nhất trong các giác quan của chúng ta. Cho đến nay, các nhà khoa học vẫn chưa lý giảI được khả năng nhận biết và ghi nhớ khoảng 10.000 mùi khác nhau của con người.
GiảI Nobel Lý sinh học/ Dược phẩm 2004 đã làm sáng tỏ được vấn đề này cũng như chỉ ra được cách thức hoạt động của hệ thống khứu giác của chúng ta.
Các nhà khoa học phát hiện có một nhóm gen lớn với khoảng 1.000 gen khác nhau, chiếm 3% trong bộ gen qui định một số lượng tương đương các loại thụ quan mùi. Các thụ quan này nằm trên các tế bào cảm nhận mùi phân bố hẹp ở lớp trên của biểu mô mũi và đón các phân tử mùi có trong không khí khi ta hít vào.
Mỗi tế bào cảm nhận mùi chỉ chứa 1 loại thụ quan mùi, và mỗi loại thụ quan mùi chỉ nhận biết một số lượng phân tử mùi nhất định. Do đó tế bào cảm nhận mùi có tính chuyên hoá cao đối với một số mùi.
Các tế bào cảm nhận mùi sẽ truyền các xung thần kinh trực tiếp tới vi khu (glomerulus) rồi đến các phần khác của não. Ở đó, các thông tin từ nhiều tế bào cảm nhận mùi sẽ được kết hợp lại thành một dạng mùi mẫu . Nhờ vậy, chúng ta có thể nhớ lại những mùi đã từng ngửi trước đây.
Phân tử mùi --> Thụ quan mùi --> glomerulus --> tế bào tháp khứu giác --> các vùng khác của não
1/ Các thụ quan mùi
Khứu giác là giác quan đầu tiên của con người được giải mã chủ yếu bằng các kỹ thuật phân tử.
Công trình của Axel và Buck cho thấy 3% bộ gen chúng ta được dùng để mã hoá cho các thụ quan mùi nằm trên màng các tế bào cảm nhận mùi. Mỗi thụ quan mùi gồm một chuỗi acid amin được gắn vào màng tế bào và xếp ngang 7 lần. Chuỗi này tạo thành một túi đón các phân tử mùi. Khi phân tử mùi gắn vào túi, hình dạng của protein thụ quan sẽ biến đổi và hoạt hoá protein G.
Khi một thụ quan mùi được một mùi nào đó kích hoạt, một xung điện sẽ được tạo ra trong tế bào cảm nhận mùi và truyền đến não. Đầu tiên, thụ quan mùi sẽ kích hoạt một protein G, protein G này sẽ được nhân đôi và kích hoạt phân tử thông tin AMP vòng (cAMP). Đến lượt AMP vòng hoạt hoá các kênh ion trên màng tế bào làm mở kênh. Tế bào được kích hoạt sẽ tạo ra một xung điện truyền tới não.
Axel và Buck cũng cho thấy có một họ lớn các thụ quan mùi liên quan đến thụ quan hai phân tử protein G (GPCR). Tất cả các thụ quan mùi đều là những protein tươnng tự nhau nhưng khác nhau về chi tiết, do chúng sẽ nhận các phân tử mùi khác nhau.
2/ Tính chuyên hoá của các tế bào cảm nhận mùi
Các nghiên cứu độc lập của Axel và Buck cho thấy mỗi một tế bào cảm nhận mùi chỉ biểu hiện một và chỉ một loại gen qui định loại thụ quan cảm nhận mùi. Do đó, có bao nhiêu loại tế bào cảm nhận mùi thì sẽ có bấy nhiêu loại thụ quan mùi. Bằng cách thu nhận các tín hiệu điện từ tế bào cảm nhận mùi, các nhà khoa học cho thấy tế bào này không chỉ đáp ứng với một loại phân tử mùi mà là với một vài loại phân tử mùi tương đồng với cường độ đáp ứng khác nhau.
Để nghiên cứu khả năng nhận biết các mùi chuyên biệt của mỗi tế bào cảm nhận mùi, họ dùng pipet cực nhỏ hút dịch tế bào đó rồi xác định chính xác loại gen nào đang được biểu hiện ở tế bào. Nhờ đó họ biết được loại thụ quan mùi nào sẽ đáp ứng với các mùi chuyên biệt với chúng.
Hầu hết các mùi là một hợp chất của nhiều phân tử mùi, và mỗi phân tử mùi sẽ kích hoạt một vài loại thụ quan mùi nhất định. Sau đó chúng sẽ kết hợp lại tạo thành một bộ mã qui định mùi. Đây chính là nguyên lý cơ bản lý giải cho khả năng nhận biết và ghi nhớ của con người đối với khoảng 10.000 mùi khác nhau.
3/ Các glomerulus
Axel và Buck đã xác định các tổ chức nhận thông tin mùi đầu tiên trong não. Họ phát hiện các tế bào cảm nhận mùi gửi các tín hiệu thần kinh đến hành khứu giác, nơi tập trung khoảng 2.000 glomerulus (nhiều gấp đôi số loại tế bào cảm nhận mùi)
Nhóm nghiên cứu của Axel đã dùng các kỹ thuật gen phức tạp để xác định vai trò của các thụ quan mùi trong quá trình này. Theo các nghiên cứu độc lập của Axel và Buck, các tế bào chứa cùng loại thụ quan mùi sẽ gửi tín hiệu đến các glomerulus giống nhau. Sự đồng qui thông tin này cho thấy ở các glomerulus cũng có sự chuyên hoá.
Các glomerulus không chỉ nhận các tín hiệu thần kinh từ các tế bào cảm nhận mùi mà còn tương tác với các tế bào thần kinh cấp trên, các tế bào tháp khứu giác. Mỗi tế bào tháp khứu giác chỉ được kích hoạt bởi một glomerulus do đó tạo nên sự chuyên hoá của các dòng thông tin. Nhờ các tín hiệu thần kinh dài, các tế bào tháp khứu giác gửi thông tin đến nhiều phần khác nhau của não. Nghiên cứu của Buck cho thấy các tín hiệu này sẽ đến các vi khu thần kinh ở phần vỏ não. Tại đây, thông tin từ nhiều loại thụ quan mùi được kết hợp thành một dạng mẫu với các đặc tính riêng của mỗi mùi. Nhờ đó chúng ta cảm nhận các mùi khác nhau đồng thờI nhận ra những mùi quen thuộc.
III-Pheromon và vị giác
Phát hiện của Axel và Buck về hệ thống khứu giác có thể ứng dụng đối với các giác quan khác. Pheromon là những phân tử có thể gây ảnh hưởng đến các hành vi xã hội khác nhau, đặc biệt là ở thú. Nghiên cứu độc lập của Axel và Buck cho thấy pheromon được xác định bởi 2 họ GPCR nằm ở một vùng khác của biểu mô mũi. Và các vùng vị giác trên lưỡi cũng là một họ khác của GPCR liên quan đến vị giác.



Liên Thương- theo Nobelprizes.org