Почему мы любим горький кофе: как организм превращает химическую тревогу во вкус любимого напитка

Восприятие горького вкуса сформировалось в процессе эволюции как базовая система биологической защиты. В отличие от сладкого или соленого вкуса, которые указывают на присутствие углеводов и необходимых электролитов, горечь сигнализирует о контакте с потенциально опасными веществами. К ним относятся различные растительные алкалоиды и токсины, образующиеся при ферментации или порче пищи. При этом в ходе развития культуры люди адаптировались к регулярному употреблению горьких продуктов. Наиболее ярким примером такой адаптации является кофе, химический состав которого включает множество горьких компонентов.

Преобразование химического контакта с веществом в нервный импульс, сообщающий мозгу о горечи, обеспечивают специализированные рецепторы. У человека существует 26 типов таких рецепторов, объединенных в семейство TAS2R. Все они относятся к классу рецепторов, связанных с G-белками. Недавно исследовательская группа из Стэнфордского университета и Университета Северной Каролины опубликовала в журнале Nature Structural & Molecular Biology работу, в которой впервые была полностью расшифрована пространственная структура рецептора TAS2R43. Именно этот белок отвечает за распознавание горьких компонентов кофе, а также реагирует на ряд крайне опасных токсинов. Данное исследование детально объясняет механику работы вкусовых сенсоров и выявляет механизмы, которые можно использовать в медицине.

Проблема стабилизации и методы исследования

Изучение структуры мембранных белков всегда сопряжено с техническими трудностями. Рецепторы обладают высокой подвижностью: они постоянно меняют свою пространственную конфигурацию в зависимости от того, с какими веществами взаимодействуют в данный момент. Чтобы определить точное расположение атомов с помощью криоэлектронной микроскопии, белок необходимо зафиксировать в одном, строго определенном состоянии.

Для стабилизации TAS2R43 исследователи не стали использовать компоненты кофе, так как их связь с рецептором недостаточно прочна для фиксации. Вместо этого они применили аристолохиевую кислоту (AAI) — высокотоксичный алкалоид растительного происхождения, который является сильным канцерогеном и вызывает необратимые повреждения почек. Это вещество обладает крайне высокой химической аффинностью (прочностью связывания) к рецептору TAS2R43.

Соединив рецептор с молекулой кислоты и внутриклеточными сигнальными белками, ученые добились стабилизации комплекса. Заморозив образцы и применив методы криоэлектронной микроскопии, авторы работы получили трехмерную модель рецептора с разрешением около 3 ангстрем. Такое разрешение позволяет с высокой точностью определить координаты отдельных аминокислот, образующих белковую структуру.

Химическая архитектура зоны связывания

Полученные данные позволили исследователям изучить основную зону связывания рецептора — участок, в который попадает и где закрепляется молекула химического вещества.

Анализ показал, что внутренняя поверхность этой зоны у рецептора TAS2R43 имеет выраженный положительный заряд. Это свойство напрямую определяет, какие вещества рецептор будет распознавать лучше всего. Молекула аристолохиевой кислоты содержит карбоксильные группы, которые несут отрицательный заряд. За счет электростатического притяжения между положительно заряженной полостью рецептора и отрицательно заряженными участками токсина происходит надежный захват вещества.

Исследователи выделили конкретные аминокислоты, обеспечивающие удержание молекулы. В частности, аминокислота триптофан (позиция W88) вступает в прямое химическое взаимодействие с ароматическими кольцами молекулы алкалоида, а аргинин (позиция R268) формирует прочную электростатическую связь. Замена этих аминокислот в ходе контрольных экспериментов приводила к тому, что рецептор полностью терял способность реагировать на раздражитель.

Структурная функция молекул воды

Одним из наиболее важных результатов исследования стало обнаружение молекул воды непосредственно внутри зоны связывания. Ранее предполагалось, что вода в таких процессах выступает лишь в качестве фонового растворителя. Однако микроскопия выявила, что молекулы воды имеют строгую пространственную фиксацию и участвуют в процессе распознавания вещества.

Особое внимание авторы уделили молекуле воды, обозначенной в исследовании как W4. Она располагается между молекулой токсина и стенкой рецептора, образуя водородные связи с обеими сторонами. Чтобы подтвердить ее значимость, исследователи провели компьютерное моделирование молекулярной динамики. В виртуальной среде они убрали молекулу W4 из структуры. Без ее участия связь между токсином и аминокислотами рецептора быстро разрушалась, и вещество покидало зону связывания. Это доказывает, что вода является полноправным структурным элементом, необходимым для химической фиксации раздражителя.

Изменение формы рецептора и распознавание компонентов кофе

Структура, идеально подходящая для связывания токсичной кислоты, вызывает вопрос о том, как рецептор TAS2R43 способен реагировать на кофе. Кофеин, кафестол и кахвеол — основные горькие компоненты кофе — имеют совершенно иную форму и химический состав по сравнению с аристолохиевой кислотой.

Для решения этой проблемы ученые использовали длительные симуляции, рассчитывающие движение всех атомов белка с течением времени. Выяснилось, что рецептор обладает высокой структурной гибкостью. Трансмембранные спирали, из которых состоит TAS2R43, способны изменять расстояние между собой. Когда рецептор находится в свободном состоянии (без связанной молекулы яда), спирали смещаются, увеличивая общий объем внутреннего пространства.

В результате этого смещения образуются дополнительные скрытые полости. Расширение зоны связывания позволяет рецептору взаимодействовать с веществами различного размера и конфигурации. Именно эта способность к изменению собственной геометрии позволяет одному типу рецептора распознавать большое количество разнообразных химических соединений, от сложных дитерпеноидов кофе до простых токсичных алкалоидов.

Внутриклеточная передача сигнала

Контакт с химическим веществом на поверхности клетки должен быть преобразован во внутриклеточный сигнал. Эту задачу выполняют G-белки, которые присоединяются к нижней части рецептора, находящейся внутри клетки. При связывании горького вещества рецептор меняет свою форму, что приводит к активации G-белка и запуску каскада химических реакций.

Исследователям удалось определить структуру TAS2R43 в комплексе с двумя различными типами G-белков, что отражает две разные функции этого рецептора в организме человека.

Первый тип — густдуцин (Ggust​). Этот белок присутствует преимущественно в клетках вкусовых почек ротовой полости. Активация густдуцина запускает нервный импульс, который передается в мозг и формирует субъективное вкусовое ощущение горечи.

Второй тип — ингибирующий G-белок (Gi​). Взаимодействие рецептора с этим белком происходит во внеротовых тканях. Научные данные последних лет показывают, что рецепторы семейства TAS2R массово представлены во внутренних органах, где они выполняют функции химического мониторинга окружающей клеточной среды, никак не связанные с осознанным восприятием вкуса.

Внеротовые функции и практическое применение данных

Присутствие рецепторов TAS2R43 во внутренних органах открывает принципиально новые направления для медицины. В частности, эти рецепторы экспрессируются в гладкой мускулатуре дыхательных путей. Экспериментально доказано, что активация TAS2R43 в легких приводит к расслаблению мышечной ткани и быстрому расширению бронхов. В желудочно-кишечном тракте стимуляция этих рецепторов вызывает высвобождение глюкагоноподобного пептида-1 (ГПП-1) — гормона, который регулирует секрецию инсулина и контролирует уровень глюкозы в крови.

Расшифровка точной атомной структуры рецептора TAS2R43 предоставляет фармакологам физическую карту зоны связывания. Обладая данными о точных координатах аминокислот и механике расширения скрытых полостей, исследователи получают возможность целенаправленно синтезировать новые химические соединения.

В пищевой химии эти данные позволят разработать специфические ингибиторы. Молекулы, точно соответствующие размеру зоны связывания, смогут блокировать рецептор, предотвращая его активацию компонентами пищи. Это даст возможность устранять горький профиль продуктов питания и напитков на уровне физиологии восприятия, избегая добавления подсластителей.

В медицинской сфере знания о структуре TAS2R43 позволят создать новые классы препаратов. Задачей биоинженеров становится разработка молекул, которые будут эффективно связываться с рецептором и активировать ингибирующие G-белки во внутренних органах, но при этом не будут обладать токсичностью, свойственной природным алкалоидам. Такие препараты смогут применяться для купирования приступов астмы через расслабление бронхов или для терапии метаболических нарушений, таких как сахарный диабет второго типа, через стимуляцию выработки ГПП-1 в кишечнике.

Источник: Nature Structural & Molecular Biology