Успехи физиологических наук, 2023, T. 54, № 4, стр. 73-92

ВВЕДЕНИЕ

Углеводы – основной легко метаболизируемый источник энергии, а также источник глюкозы, метаболита, необходимого для работы мозга, в связи с чем, очевидно, сладкий вкус приобрел наибольшую гедонистическую привлекательность [41, 171]. Эмоции, сопровождающие потребление сладкого, отражают сложные процессы, опосредованные вкусовыми рецепторами на периферии и многочисленными структурами мозга, которые у позвоночных очень хорошо прослеживаются филогенетически [19].

В настоящее время выявлены значительные вариации в восприятии и предпочтении сладкого вкуса как внутри, так и между видами. Хотя обучение и гомеостатические механизмы [133, 184, 199] вносят свой вклад в реакции на сладкое, большая их часть имеет наследственную природу. Недавние исследования показали, что полиморфизм генов Tas1r, кодирующих субъединицы димерных рецепторов сладкого вкуса, лежит в основе многих внутривидовых и межвидовых различий в восприятии сладкого [2, 4, 5, 203]. В работах с использованием инбредных линий мышей установлено, что некоторая часть вариаций в предпочтениях сахаров и некалорийных подсластителей зависит также от генов, которые непосредственно не вовлечены в периферическую обработку вкусового сигнала, но, вероятно, влияют на центральные механизмы анализа, вознаграждения и/или мотивации [4].

Центральная нервная система играет фундаментальную роль в сенсорном восприятии, тем не менее все больше данных указывает, что вкусовая информация подвергается значительной трансформации на периферии – во вкусовой почке. Чувствительные вкусовые клетки млекопитающих экспрессируют ряд пептидных рецепторов и часто их лиганды. Пептиды, которые вырабатываются во вкусовой почке или в отдаленных тканях, влияют на периферическую вкусовую чувствительность через аутокринную, паракринную и даже эндокринную сигнализацию, модулируя вкусовые функции в зависимости от состояния животного [46, 68, 168, 178, 195].

Таким образом, вкусовое восприятие сладкого не является точным отображением качественных и количественных характеристик стимула, поступившего из окружающей среды, но формируется в результате нескольких уровней обработки информации, начиная со вкусовой клетки и далее в отделах периферической и центральной нервной системы и может иметь значение в контексте другой сенсорной информации, а также опыта, мотивации и физиологического состояния животного [42].

На протяжении последних десятилетий особое значение придается патофизиологическому аспекту изучения молекулярно-клеточных и нейрофизиологических механизмов ощущения и восприятия сладкого вкуса. Повсеместная доступность рафинированных сахаров привела к тому, что у современного человека вкусовая сенсорная система, обеспечивающая идентификацию и восприятие сладкого, используется в основном как система вознаграждения, т.е. стимулирует потребление сахаров и некалорийных сахарозаменителей. При неограниченном доступе к простым сахарам врожденное предпочтение сладкого вкуса становится важным фактором переедания, ожирения и известных сопутствующих заболеваний [22].

В предлагаемом обзоре суммированы сведения о рецепции и кодировании вкусовых сигналов, сопровождающих потребление сладких веществ, на уровне вкусовых почек, проводящих путей и центров головного мозга. Основное внимание уделено молекулярно-клеточным механизмам идентификации сладкого и детекции калорийного состава пищи, включая роль мембранных белковых рецепторов сладкого вкуса T1R2/T1R3, а также метаболического механизма оценки концентрации поступающей в цитоплазму глюкозы. Выделены генетические аспекты чувствительности к сладкому и влияние полиморфизма генов рецептора сладкого вкуса на чувствительность к сахарам и низкокалорийным сахарозаменителям. В обзоре раскрыты известные на сегодняшний день пути эндокринной, паракринной и аутокринной модуляции рецепции и восприятия сладкого вкуса. Сделано предположение о дальнейшем направлении исследований по проблеме.

МОЛЕКУЛЯРНО-КЛЕТОЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ РАСПОЗНАВАНИЯ СЛАДКОГО ВКУСА

Позвоночные животные в целом способны различать пять основных модальностей вкуса, а именно сладкий, соленый, умами (вкус аминокислот), горький и кислый [5, 29, 68, 186]. Также обсуждается наличие специализированных рецепторов для кальция, жиров и крахмала [102, 182, 192].

Существование молекулярных рецепторов, непосредственно реагирующих на присутствие веществ сладкого вкуса, предполагалось довольно давно. Сама реакция на мало- или некалорийные сахарозаменители предполагает наличие рецепции, независимой от метаболизма. В 1960-е годы были выделены белковые комплексы с сахарами, однако окончательно рецепторы были клонированы лишь в 21 веке [5, 7, 113, 131]. Установлено, что у всех позвоночных главную роль во вкусовой чувствительности к сахарам и определенной мере к аминокислотам играет семейство мембранных рецепторов, связанных c G-белками, T1R, которое кодируются генами Tas (от taste – вкус). На данный момент выявлено не менее пяти рецепторных белков данного семейства, из которых у высших позвоночных встречаются три, TR1–3 (гены Tas1r1–3). Другое родственное семейство мембранных вкусовых рецепторов, T2R (гены Tas2r), отвечающее за восприятие горького вкуса, гораздо разнообразнее и содержит десятки белков [5, 186].

Обработка и кодирование первичной сенсорной информации начинается со вкусовых рецепторных клеток четырех типов, объединенных в эпителии языка и глотки во вкусовые почки, расположенные поодиночке или, что чаще, во вкусовых сосочках нескольких типов (грибовидные, желобовидные, листовидные). Глияподобные клетки I-го типа распознают соленый вкус. Клетки II-го типа экспрессируют рецепторы, связанные с G-белками, реагирующие на молекулы сладких, умами и горьких веществ. В тип III включают клетки, отвечающие на кислые стимулы. К IV типу относятся стволовые клетки – предшественники других типов вкусовых клеток [96].

Чувствительность вкусовых клеток II типа к сладким веществам обеспечивается мембранными белками T1R2 и T1R3. Они имеют типичное строение для рецепторов, связанных с G-белками: 7-витковый трансмембранный домен молекулы объединяет большой экстраклеточный домен (N-конец) с характерной конфигурацией, названной Venus flytrap, который в основном ответственен за рецепторную функцию, и внутриклеточный C-конец, который обеспечивает взаимодействие с G-белками [5, 7, 29, 68, 124, 186]. Восприятие сладкого вкуса осуществляется главным образом гетеродимером из субъединиц T1R2 и T1R3 [29]. Более 50 субстанций различной химической структуры вызывают у людей ощущение сладкого вкуса, этот набор включает моно- и дисахариды природного происхождения, спирты, широкий набор искусственных малокалорийных сахарозаменителей, некоторые алкалоиды, а также дивалентные соли металлов, такие как FeSO₄ и ZnSO₄ [43, 68, 148, 186].

Глюкоза, сахароза, синтетический подсластитель сукралоза, аминокислоты взаимодействуют с экстраклеточными доменами рецептора, при этом T1R3 имеет большую аффинность к сахарозе, а T1R2 – к глюкозе. Цикламат и сладкий полипептид монеллин взаимодействуют с трансмембранным доменом T1R3 [132]. Однако не все стимуляторы сладкого вкуса связываются с рецепторным участком Venus flytrap. Белок тауматин связывается с обогащенным цистеином коротким участком, соединяющим трансмембранный и N-концевой домены hT1R3 [43]. Наконец, белок браззеин взаимодействует сразу с многими сайтами обеих субъединиц hT1R2/hT1R3 [34, 132]. Особая популяция вкусовых клеток II типа (около 6%), локализованная в грибовидных сосочках, экспрессирует только T1R3 белок, в связи с чем в мембране этих клеток формируется низкоаффинный гомодимер T1R3/T1R3, реагирующий по всей видимости на высокие концентрации моно- и дисахаридов [16, 131]. Предполагается, что сенсорные функции могут выполнять и гомодимерные рецепторы T1R2/T1R2 [35, 203]. Известны межвидовые различия в чувствительности к сладким веществам, в частности мыши не реагируют на сахарозаменитель цикламат и некоторые аминокислоты [179].

Белок T1R3 также входит в состав рецептора (T1R1/T1R3), реагирующего на аминокислоты и такие усилителей вкуса, как инозин и гуанозин монофосфат [5, 29]. Человеческая форма hT1R1/hT1R3 распознает глутаминовую L-Glu и аспарагиновую L-Asp кислоты, а мышиная mT1R1/mT1R3 – другие L-аминокислоты: аланин, серин, глутамин, треонин, глицин, метионин, аргинин, аспарагин [179].

Во вкусовых клетках II типа рецептор T1R2/T1R3 связан с гетеродимером G-белков, состоящим из Gα субъединицы гастдуцина Gα_gust (Gαt3), которая относится к подсемейству Gαi/o (ген GNAT3) специфическому для вкусовой системы, β-субъединицы G_β1 или G_β3 (GNB1/3) и γ-субъединицы Gγ13 (GNG13) [120, 153, 186]. Внутриклеточный сигнальный каскад реагирует при взаимодействии рецептора с лигандом, что приводит к диссоциации Gβγ-димера и активации α-гастдуцина, который стимулирует фосфолипазу С-β2, расщепляющую мембранный фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат на две молекулы, инозитол 1,4,5-трифосфат и диацилглицерол. Инозитол 1,4,5-трифосфат активирует рианодиновые рецепторы, что ведет к высвобождению Ca²⁺ из внутриклеточных депо. Повышение [Ca²⁺]_i стимулирует на базолатеральной мембране клеток неселективные катионные каналы транзиторного рецепторного потенциала TRPM5 и по новым данным TRPM4 [13], что позволяет Na⁺ поступать в клетку и приводит к генерации потенциала действия и выходу медиатора (АТФ) из специализированных каналов, сформированных из двух молекул белка pannexin 1 [52, 29, 84, 120, 151, 152, 186 ]. АТФ взаимодействует с пуриновыми рецепторами P2X2/P2X3 на афферентных нервных окончаниях, передающих в ЦНС сигнал о контакте с тастантом [53]. Помимо α-гастдуцина, T1R могут быть связаны с другими α-субъединицами, представителями Gαi/o, в частности α-трансдуцином, Gαi2, Gαi3, так и других подсемейств – Gαq, Gα12/13 или GαS [120, 153, 186, 200]. В частности, белок Gα14 из подсемейства Gαq экспрессирован в корневых отделах языка вместо гастдуцина [186]. За счет этого может образовываться связь с другими внутриклеточными сигнальными каскадами, как это бывает при передаче сигнала от разных сахарозаменителей. Так, T1R рецепторы способны активировать и аденилатциклазу, что приводит к росту концентрации цАМФ [120, 186].

Вкусовые клетки II типа также выделяют ацетилхолин [36, 134]. В то время как АТФ выполняет основную медиаторную функцию, передавая сигнал от вкусовых клеток к афферентным нервам, другие медиаторы скорее всего модулируют активность вкусовых клеток через аутокринные и паракринные пути [30]. Ряд недавних работ показывает, что экспрессия вкусовых рецепторов связана с уровнем нутриентов в крови, это показано как для глюкозы, так и для аминокислот, солей и других классов вкусовых веществ [31, 161].

Действие ряда растительных алкалоидов направлено на систему T1R. Например, в южноамериканских растениях рода Stevia, в особенности S. rebaudiana, содержатся сладкие гликозиды – стевиозиды, широко используемые сейчас как природный сахарозаменители [111]. Обратное действие показано у протеина гурмарина, выделенного из произрастающего в Индии растения Gymnema sylvestre, который является ингибитором рецепторов сладкого вкуса у грызунов [172]. Для человека найден и уже активно применяется в пищевой индустрии ингибитор сладкого вкуса лактизол (2,4-метоксифенол-пропионовая кислота), встречающийся в обжаренных кофейных зернах [70, 85].

ВОСПРИЯТИЕ СЛАДКОГО ВКУСА – ПОЛИМОРФНЫЙ ПРИЗНАК

В ранних психофизических экспериментах было показано, что по отношению к сладкому люди разделяются на так называемых “любителей” (“sweet-likers”), у которых предпочтение (гедоническая реакция) растет с концентрацией тастанта, и “нелюбителей” (“sweet-dislikers”), у которых с ростом концентрации возникает неприятие [116]. Отмечались и более комплексные реакции, когда рост предпочтения с концентрацией замедляется и после достижения максимума спадает почти до нейтрального уровня [117]. Недавнее тестирование широкого набора концентраций сахарозы (1–35%) показало, что именно этот тип реакции характерен для большей части (50%) испытуемых [80, 81].

Инбредные линии лабораторных мышей также различаются по порогам чувствительности и уровню потребления сладкого, что достаточно давно позволило охарактеризовать их как имеющих так называемые чувствительные и нечувствительные (“taster” и “nontaster”) аллели гена предполагаемого рецептора [4, 8, 9]. В конце 1970-х гг. было показано, что у мышей предпочтение растворов сахарина определяется аллельными вариантами одного аутосомного локуса, названного по лиганду Sac (saccharine). Его доминантная аллель Sac^b, первоначально обнаруженная у мышей линии C57BL/6, определяет повышенное предпочтение сахарина и, как затем было показано, других сладких веществ, а также аминокислот, а рецессивная аллель Sac^d, имеющаяся у линий DBA/2, 129P3/J и др., ассоциируется с их меньшим потреблением [9]. Накопленные за годы исследований данные позволили нескольким исследовательским коллективам к началу XXI века независимо показать, что локус Sac идентичен гену Tas1r3, расположенному в дистальной части короткого плеча 4-ой хромосомы мыши и кодирующему рецепторный белок T1R3 [7, 113, 131]. У человека ортолог этого гена TAS1R3 находится в коротком плече хромосомы 1 [4].

Случаи выпадения генов Tas1r или нарушения транскрипции (псевдогенезация) выявлены в разных таксонах: панды, куриные, китообразные, ластоногие и кошачьи, что подтверждает связь видовых особенностей предпочтений сладкого и вкуса аминокислот с потерей этих генов [2, 4]. Так, широко известное исчезновение чувствительности к сладкому у кошачьих является результатом псевдогенизации Tas1r2 [4]. Специфическую диету большой панды Ailuropoda melanoleuca, состоящую на 99% из побегов бамбука, связывают с выпадением чувствительности к аминокислотам, вызванным псевдогенизацией гена Tas1r1 [4, 5]. Пищевые предпочтения таких облигатных хищников, как морские львы, тюлени, усатые и зубатые киты [86], а также пингвины [201] сочетаются с инактивацией всех трех генов Tas1r1–3. Наконец, у некоторых лягушек гены рецепторов семейства T1R вообще не обнаружены [4, 5]. Хорошей иллюстрацией биологической значимости системы T1 рецепторов является то, что на фоне утраты T1R2 рецепторного белка у большинства современных птиц, питающиеся нектаром колибри Archilochus colibris восполнили его функцию за счет мутации гена Tas1r1 рецептора T1R1, который перестал реагировать на аминокислоты и приобрел аффинность к сахарам [12].

Показано, что у мышей удаление генов Tas1r2 и Tas1r3 угнетает нейрональные реакции на сладкие вещества в тесте краткого доступа и полностью подавляет поведенческое предпочтение натуральных сахаров и низкокалорийных искусственных сахарозаменителей. При длительной экспозиции к сладким веществам нокаут генов исключает потребление некалорийных сахарозаменителей и снижает потребление низких, но не высоких концентраций натуральных сахаров, повышая гедонический порог реакции [35, 63, 127, 203]. Отличие эффектов сахарозаменителей от сахаров обусловлены тем, что помимо T1R-опосредованных, существуют и альтернативные пути чувствительности [135, 186]. Кроме того, постабсорбционные эффекты пищи не менее важны, чем ее первоначальное вкусовое восприятие, и способны обусловливать потребление изначально не предпочитаемых калорийных продуктов без выраженного сладкого или иного привлекательного вкуса [157, 158]. В то же время удаление Tas1r1 изменяет пищевое предпочтение аминокислот, но не исключает его полностью, так как имеются другие пути сигнализации, предположительно связанные с метаботропными рецепторами глутамата (mGLUR) [5, 29, 123].

Варьирование аминокислотной последовательности субъединиц рецепторного гетеродимера T1R2/T1R3 оказывает существенное влияние на качественное и количественное восприятие сладких веществ. Хотя структура T1-рецепторов филогенетически относительно постоянна у разных видов, в частности 70% гомология обнаруживается у грызунов и людей [131], имеющиеся различия оказываются достаточными, чтобы менять восприятие сладкого вкуса. Так, грызуны практически нечувствительны ко многим искусственным подсластителям, воспринимаемым людьми как сладкие, таким как аспартам, неотам, цикламат, неогесперидин дигидрохалкон, а также сладким белкам браззеину, монеллину и тауматину. Точно так же грызуны не так активно предпочитают сукралозу как люди [115]. Вероятно, эти изменения в структуре вкусовых генов закреплялись эволюционно как адаптация к рациону питания [2].

Эволюционно закрепленные аллельные варианты Tas1r2 и Tas1r3 предопределяют внутривидовые количественные различия в чувствительности и предпочтении сладкого. Анализ предпочтения сахарина у 30 линий лабораторных мышей показал, что полиморфизм Tas1r3 связан с тремя несинонимичными единичными нуклеотидными заменами (SNP), среди которых T179C, приводящая к замещению изолейцина на треонин в положении 60 в экстраклеточном N домене белка T1R3, оказывала наибольшее влияние на поведенческое предпочтение сладкого за счет формирования рецессивной (малочувствительной) аллели, и по всей видимости является причиной выявленного ранее Sac-полиморфизма [146]. Фенотипические проявления полиморфизма Tas1r3 изучены in vitro и in vivo. Замена T179C, как показано in vitro, ограничивает конформационные изменения и снижает аффинность рецептора T1R3 при связывании с сахарозой, глюкозой и сукралозой, что существенно (до 10 кратного уровня для сахарозы) увеличивает эффективную дозу тастанта [132]. В исследованиях in vivo конгенные линии мышей 129P3/J.C57BL/6-Tas1r3 [83] либо гибриды 129S2B6F1 [128], несущие доминантный ген B6-Tas1r3, демонстрировали большее предпочтение сахаров и искусственных сахарозаменителей по сравнению с носителями только рецессивной аллели.

В TAS1R генах человека также выявлены синонимичные и несинонимичные SNP, равно как и гаплотипы характерные для отдельных популяций, при этом ген TAS1R3 оказался более эволюционно консервативным, а максимальная изменчивость выявляется у TAS1R2. Отмечается, что большее число SNP в TAS1R3 свойственно африканской популяции [95]. Два выявленных SNP-полиморфизма в промоторе рецептора TAS1R3 [59] влияют на оценку сладости сахарозы и встречаются в разных регионах земли с разной частотой, объясняя 16% вариации восприятия сахарозы в популяции. При этом проявление так называемых С-замен, определяющих усиленную реакцию, встречается во всех регионах за исключением Африки, а частота Т-аллели с низкой оценкой наименьшая в Европейской популяции. Выявленные полиморфизмы TAS1R2 влияют на потребление углеводов и пороги различения сахарозы в зависимости от индекса массы тела [39, 47], а также на концентрацию триглицеридов в крови [144]. Кроме того, показана связь между полиморфизмом TAS1R2 и GLUT2 c частотой кариеса зубов [149].

Таким образом, полученный к настоящему времени значительный объем экспериментальных данных позволяет с уверенностью судить, что вкусовые предпочтения позвоночных животных в большой степени зависят от наличия у них генов Tas, кодирующих разнообразные рецепторы вкуса, а чувствительность рецепторов прямо связана с полиморфизмом этих генов.

СЛАДКИЙ КОМПОНЕНТ ВКУСА ЭТАНОЛА

Низкие концентрации этанола можно рассматривать как естественный химический стимул, который появляется в процессе брожения и может быть индикатором созревания плодов [44]. Этанол являются комплексным химическим раздражителем, действующим на вкусовые, обонятельные и соматосенсорные (ощущение нагрева и жжения) рецепторы [6]. При первых контактах с алкоголем влияние врожденных хеморецепторных реакций должно быть максимальным и в ряде случаев, например при слабом воздействии социальных факторов, таких как подражание, должно иметь определяющее влияние на дальнейшее потребление и реакцию отвергания. Связь вкусового восприятия и предпочтения сладкого и развития алкоголизма была обоснована в ранних работах, в которых показано, что алкогольная зависимость коррелирует с гедоническими реакциями на сладкие, но не горькие, растворы [87–89]. У инбредных линий мышей также была выявлена наследственная связь между склонностью к потреблению сладкого и повышенным потреблением растворов алкоголя [6, 8, 20]. Достаточно давно было установлено, что некоторые виды млекопитающих, включая людей, способны выделить сладкий и горький компоненты во вкусе этанола [140]. Мыши линии C57BL/6J [21] и крысы переносили выработанное условно-вкусовое избегание этанола на сахарозу и смеси сладких и горьких растворов, т.е. сладкий компонент вкуса этанола имеет для них сигнальное значение [93, 94, 105]. Показано, что аппликация раствора этанола на язык у мышей вызывает усиление импульсной активности прежде всего в чувствительных к сладкому волокнах вкусовых нервов [73, 154] и нейронах ядра одиночного тракта, которая может быть блокирована гурмарином, специфическим ингибитором сладкого вкуса у грызунов [40, 109]. Кроме того, выявлено определенное наложение друг на друга центральных механизмов гедонических ответов на этанол и подсластители, включая опиатные, серотонинергические и дофаминергические пути [27, 56, 62, 66, 78, 143]. Сравнительный анализ предпочтения этанола у двух десятков инбредных линий мышей и их гибридов F1 и F2 показал, что мыши линии C57BL/6, для которой характерна высокая чувствительность к сладкому (носители тастер-аллели Sac^b) демонстрируют максимальное предпочтение этанола, а линий DBA и 129 с более слабым предпочтением подсластителей (нонтастер-аллель Sac^d) – минимальное [6, 8, 17, 129]. Генетический анализ гибридов от скрещивания мышей C57BL6/ByJ с линией 129P3/J показал, что различия в потреблении сладкого и этанола обусловлены сравнительно небольшой и частично перекрывающейся группой генов [8]. Один из таких генетических локусов, Ap3q, был картирован в 4-ой хромосоме и перекрывался с геном Tas1r3, на основе чего был сделан вывод об их идентичности. Позднее поведенческое тестирование показало, что аллельные варианты гена Tas1r3 у конгенных и нокаутных мышей оказывают плейотропное действие на восприятие и потребление подсластителей и этанола [4].

В то же время необходимо учитывать влияние ольфакторной составляющей действия этанола. Запах алкоголя и его раздражающее влияние для большинства животных являются безусловно отвергаемыми стимулами [93, 94]. Опыты с нарушением обоняния показали, что роль запаха в реакции на этанол меняется в зависимости от Tas1r3-генотипа. Мыши 129P3/J со слабой чувствительностью к сладкому воспринимают низкие концентрации этанола по запаху и избегают высокие концентрации, ориентируясь на запах, а не вкус. Для высокочувствительной линии C57BL/6ByJ негативный ольфакторный эффект этанола был значительно меньше [1].

ВКУСОВАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ К СЛАДКОМУ, НЕ СВЯЗАННАЯ С РЕЦЕПТОРАМИ T1R

Ряд процессов, происходящих в рецепторных клетках II типа при контакте с простыми сахарами, непосредственно не связаны с активностью T1R рецепторов. Экспрессирующийся в T1R3-позитивных вкусовых клетках II типа фермент сахараза-изомальтаза расщепляет на поверхности эпителия языка дисахариды, например, сахарозу до глюкозы и фруктозы [176]. Образовавшаяся глюкоза по крайней мере частично переносится в сенсорную клетку глюкозными транспортерами, выявленный набор которых схож с таковым у всасывающей клетки кишечника: высокоаффинный натрий-глюкозным котранспортер 1 (SGLT1), инсулин-независимый и зависимый транспортеры глюкозы 2-го и 4 типа (GLUT2, 4) и ряд других [125, 194]. Последние работы показывают, что SGLT1 во вкусовых клетках может непосредственно участвовать в рецепции глюкозы, что объясняет известный феномен потенциации реакции на сладкое солью [193]. У человека полиморфизм переносчиков GLUT2, GLUT4 коррелирует со вкусовым предпочтением сладкого и порогами чувствительности, а также с потреблением сладких продуктов и кариесом [50].

Увеличение концентрации глюкозы в цитоплазме рецепторной клетки, имеющей особую форму глюкокиназы (гексокиназа IV), стимулирует синтез АТФ, которая связывается с K_ATФ каналом и вызывает его закрытие, вследствие чего рецепторная клетка деполяризуется. Этот процесс рассматривается как T1R-независимый механизм чувствительности к глюкозе [35, 125, 194]. Независимая от T1R реакция рецепторных клеток на сахара оказалась более выраженной при аппликации моносахаридов, что подтверждает участие в рецепции транспортеров глюкозы и/или K_ATФ каналов [194]. Все это позволяет объяснить, почему нокаут Tas1r3 гена у мышей не устраняет полностью нейрональные реакции на сладкое. Так, при аппликации на язык калорийных сахаров в барабанной струне и языкоглоточном нерве, а также в нейронах ядра одиночного тракта, наблюдается рост импульсной активности и смена ее паттерна, что трактуется как наличие остаточной чувствительность к сахарам [35, 110, 186, 203]. Необходимо отметить, что это предполагает влияние уровня глюкозы крови на чувствительность рецепторов. Показано, что сами реакции вкусовых клеток требуют присутствия определенной концентрации глюкозы во внеклеточной среде, при котором K_АТФ система поддерживает оптимальный уровень деполяризации мембраны. В то же время повышенная концентрация глюкозы при ее длительном действии может вызвать деполяризационный блок и нарушение реакции вкусовой клетки [194].

Таким образом, в рецепторных клетках вкусовых луковиц присутствует еще и калорийный сенсор, в работе которого участвуют глюкозные транспортеры [38, 159]. Этот механизм позволяет различать уже на рецепторном уровне калорийный субстрат и искусственные некалорийные подсластители [176]. Известно, что именно T1R – независимые глюкозные транспортеры во вкусовых клетках запускают рефлекс мозговой фазы секреции инсулина. Апплицированные в ротовую полость сахара в течении 5 мин, т.е. задолго до всасывания глюкозы в кишечнике, стимулируют небольшой подъем концентрации инсулина в плазме крови. При этом мозговая фаза инсулиновой секреции сохраняется и у Tas1r3-нокаутных мышей [64]. Мыши, лишенные восприятия сладкого вкуса вследствие нокаута TRPM5, также сохраняют предпочтение калорийной сахарозы [37].

ПЕПТИДНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ ВКУСОВЫХ СЕНСОРНЫХ КЛЕТОК

Вкусовая информация подвергается начальной обработке уже во вкусовых почках, в том числе при синаптической передаче. Установлено, что вкусовые клетки млекопитающих экспрессируют целый ряд пептидных гормонов и рецепторов, которые прежде рассматривались как относящиеся исключительно к работе нервной или пищеварительной систем. Роль этих пептидов в аутокринной регуляции и межклеточной коммуникации во вкусовых луковицах обсуждается достаточно подробно [76]. Возможно некоторые пептиды из вкусовых почек поступают в головной мозг или в периферические органы, а рецепторы вкусовых клеток реагируют на циркулирующие гормоны, т.е. вкусовые реакций могут зависеть от метаболического статуса организма или готовить организм к переработке потребленных нутриентов или токсинов [31, 92, 106, 130, 168, 169, 183].

Глюкагоноподобный пептид 1 (GLP-1) обнаружен у мышей, крыс и макак в части вкусовых клеток II и III типа, в которых также присутствует фермент, необходимый для его автономного синтеза, протеин конвертаза PC1/3 [51, 168]. В желобовидных сочках на языке у мышей приблизительно половина GLP-1-содержащих клеток показывает иммунную реактивность к α-гастдуцину и T1R3. Рецепторы GLP-1R отсутствуют на мембране вкусовых клеток, но находятся на нервных терминалях внутри вкусовой луковицы, что говорит в пользу паракринного действия синтезируемого в рецепторной клетке гормона, хотя можно допустить и попадание пептида в кровоток. При этом, в отличие от крови и ткани кишечника, во вкусовых луковицах GLP-1 инактивируется медленно в связи с незначительным присутствием там дипептидазы DPP-IV [168]. Наличие GLP-1R во вкусовых луковицах заставляет задуматься об их роли в формировании вкусовой реакции. Показано, что у GLP-1-нокаутных мышей ослабевали поведенческие реакции на натуральные и искусственные подсластители, но реакция на вкус умами удивительным образом усиливалась [121, 168].

Глюкагон продуцируется в клетках II типа листовидных, грибовидных и желобовидных вкусовых сосочков, где он сосуществует с рецепторами глюкагона. В этих клетках всегда присутствует протеин конвертаза PC2, превращающая проглюкагон в глюкагон, и ее кофактор 7B2 [46, 168]. Подавляющее большинство клеток (95%), содержащих глюкагон, экспрессируют фосфолипазу Cβ2 (PLCβ2), а 93% – белок T1R3 [46]. Таким образом, глюкагон и GLP-1 синтезируются в частично перекрывающихся популяциях вкусовых клеток. Фармакологическое или генетическое подавление синтеза глюкагона, как и GLP-1, приводило к ослаблению вкусовых реакций на сладкие вещества, хотя эффект глюкагона в отличие от GLP-1 определяется его аутокринным действием [168].

Экспрессия еще одного гормона ЖКТ, холецистокинина (CCK), была впервые выявлена во вкусовых клетках листовидных и желобовидных сосочков [75], при этом около 50% клеток были также иммунопозитивны к α-гастдуцину, но только 15% экспрессировали T1R2 [162]. Эти данные позволяют считать, что CCK также оказывает влияние на периферическое восприятие сладкого и горького вкуса. Колокализация CCK и рецепторов CCK_A указывает на то, что пептид действует в основном аутокринно в пределах вкусовой почки, усиливая через фосфоинозитидный путь возбудимость рецепторов сладкого посредством продления деполяризации [69, 75, 76].

Листовидные и желобовидные сосочки языка крыс [74] и желобовидные сосочки человека [101], содержат большое количество клеток иммунореактивных к вазоактивному кишечному полипептиду (VIP). Причем у крыс около 60% содержащих VIP клеток синтезируют α-гастдуцин, а 19% – экспрессируют T1R2 [162]. Локализация рецепторов VIP (VPAC1 и VPAC2) в группе иммунореактивных к PLCβ2 вкусовых клеток [122] указывает на то, что VIP сигнализация реализуется в пределах вкусовой почки, при этом пока неизвестно, действует ли VIP как аутокринный или паракринный фактор [202]. Физиологическая роль VIP во вкусовых рецепторах не вполне ясна. VIP-нокаутные мыши в тесте краткого доступа показали небольшие отклонения в реакциях на сахарозу, а также горькие и кислые вещества, хотя присутствие VIP рецепторов во вкусовых клетках III типа пока не подтверждено [122].

Нейропептид Y (NPY)-позитивные вкусовые клетки присутствуют в листовидных, грибовидных и желобовидных вкусовых сосочках, а также в эпителии носонебного канала (резцового протока), причем NPY практически полностью колокализован с CCK и VIP. Также в мембране вкусовых клеток мыши были найдены Y1, 2, 4, 5 рецепторы NPY [76]. У мышей рецептор Y4 обнаружен еще и в нервных окончаниях внутри вкусовой луковицы [79]. В то же время знания о функциях NPY во вкусовой системе недостаточны. Экзогенный NPY усиливает калиевые токи в изолированных вкусовых клетках, что в основном опосредуется рецепторами Y1 [202]. По аналогии с обонятельной системой делается предположение, что NPY может быть фактором пролиферации во вкусовых луковицах [72].

Во вкусовых луковицах также присутствует несколько компонентов сигнальной системы грелина. Грелин и его предшественник препрогрелин, а также участвующий в процессинге фермент протеин конвертаза PC1/3 коэкспрессируются в примерно 13% всех типов вкусовых клеток (I–IV) в желобовидных сосочках. Делеция грелина приводила к небольшому усилению реакции на кислые и соленые растворы в тесте краткого доступа, но никак не влияла на реакции на сладкие и горькие стимулы [169].

Галанин экспрессируется во многих вкусовых клетках желобовидных сосочков вместе с PLCβ, α-гастдуцином и адгезионным фактором нервных клеток. Последний известен как маркер III типа клеток. Там же выявлены рецепторы галанина – GalR2. Предполагается, что во вкусовой системе галанин является нейротрофическим фактором [119, 160].

КОДИРОВАНИЕ МОДАЛЬНОСТИ, ИНТЕНСИВНОСТИ И ГЕДОНИЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ СЛАДКОГО ВКУСА

Раздражение вкусовых рецепторов сладкого приводит к генерации нейрональной активности на разных уровнях периферической и центральной нервной системы. Сигнал с периферии, распространяясь в ЦНС, в конечном итоге трансформируется в сенсорные образы, которые несут информацию о различных характеристиках вкусового агента, таких как вкусовое качество (модальность), привлекательность (гедоническая ценность) и интенсивность (концентрация стимула) [48, 49].

На периферии качество вкуса (сладкий, умами и горький), по крайней мере в низкой концентрации, идентифицируют многочисленные, но не все, узко настроенные рецепторные вкусовые клетки II типа [181], т.е. происходит кодирование по принципу меченой линии [48]. Повышение концентрации тастанта может расширить настройку некоторых специализированных клеток, которые принято классифицировать как непостоянную меченую линию [136]. В грибовидных вкусовых сосочках до 70% чувствительных клеток II типа являются специализированными, в то время как 30% имеют широкую настройку и чаще всего реагируют на два вкусовых качества, сладкий/умами (10%) и соленый/другое (20%). Интересно, что сенсорные клетки II типа, реагирующие одновременно на сладкий и горький сигналы, во вкусовых почках не обнаружены, в то же время нейроны с такими настройками встречаются в коленчатом ганглии (Ganglion geniculi) и в коре больших полушарий [71].

Кодирование сладкой модальности вкусового стимула обеспечивается популяцией чувствительных клеток II типа, содержащих комбинацию T1R2 и T1R3 белков [131]. Ряд вопросов пока остаются без ответа. Так, не ясно, может ли возбуждение небольшой популяции вкусовых клеток II типа, экспрессирующих только T1R3, что предполагает существование во вкусовой системе низкоаффинного рецептора T1R3/T1R3 [16, 131], индуцировать положительную поведенческую реакцию на сладкое. Не выяснено также, реагирует ли эта группа клеток на вкус умами.

Обоснование кодирования по принципу меченой линии наглядно продемонстрировали Zhao и соавт. [203], которым удалось экспрессировать во вкусовых клетках вместе с белком T1R2 опиатный рецептор RASSL, активируемый безвкусным спирадолином. В результате предъявление трансгенным мышам спирадолина вызывало такие же положительные поведенческие реакции, как и на сладкие растворы. В другом не менее изящном эксперименте, экспрессия рецепторов горького (hT2R16) во вкусовых клетках, чувствительных к сладкому (T1R2-позитивных) стимулировала активное потребление животным ранее отвергаемого горького вещества [126].

Сигнал от основных первичных сенсоров сладкого вкуса, клеток II типа, имеющих рецептор T1R2/T1R3, передается первичным афферентным нейронам, которые относят к “лучше воспринимающим сладкое” (“sweet-best”), они же “селективные к сладкому” (“sweet-selective”) [57, 152, 180, 190]. Эти нейроны усиленно реагируют на сладкие воздействия в ряду вкусовых стимулов, либо реагируют исключительно на сладкое.

От вкусовых почек грибовидных сосочков и от сосредоточенных в передней части языка листовидных сосочков берут начало афферентные волокна, идущие в составе барабанной струны Chorda tympani – ветви лицевого нерва (VII пара черепномозговых нервов). Тела этих сенсорных нейронов находятся в коленчатом ганглии (Ganglion geniculi, GG). Листовидные сосочки задней части языка и желобовидные сосочки иннервируются сенсорной ветвью языкоглоточного нерва (IX). Тела этих афферентных нейронов находятся в Ganglion petrosum. Корень языка, надгортанник и гортань иннервируются верхней гортанной ветвью блуждающего нерва (X). Верхняя гортанная ветвь и языкоглоточный нерв также участвуют в рефлексах глотания и рвоты [138, 173]. Перечисленные вкусовые нервные волокна проецируются в первый релейный центр вкусовой системы (рис. 1) – ростральную часть ядра одиночного тракта (Nucleus tractus solitarius; ЯОТ). Вторым релейным узлом восходящих вкусовых путей у грызунов является парабрахиальное ядро моста (Nucleus parabrachiales; ПБЯ). Третий центральный нейрон вкусовой сенсорной системы лежит в паравентрикулярной части вентрального постеромедиального таламического ядра (ПМТЯ). Это таламическое ядро посылает проекции во вкусовую зону инсулярной коры (ИК). У обезьян, однако, вкусовые восходящие волокна от ЯОТ направляются прямо в ПМТЯ, минуя ПБЯ [15].

Рис. 1.

Взаимодействие нервных центров вкусовой сенсорной системы с системой подкрепления и гомеостатическими центрами. VII – ветвь лицевого нерва (Chorda tympani), IX – языкоглоточный нерв, X – блуждающий нерв, GG – коленчатый ганглий (Ganglion geniculi), GP – каменистый ганглий (Ganglion petrosum), GN – узловатый ганглий (Ganglion nodosum), ЯОТ – ядро одиночного тракта (n. tractus solitarii); ПБЯ – парабрахиальное ядро (n. parabrachiales); ПМТЯ – вентральное постеромедиальное таламическое ядро (n. ventralis posteromedialis); ВЯП – вентральное ядро покрышки (Area tegmentalis ventralis); ПЯ – прилежащее ядро (n. accumbens); ПФК – префронтальная кора (Cortex praefrontalis); ИК – инсулярная кора (Сortex insularis); АМИ – миндалевидное тело (Corpus amygdaloideum); БШ – вентральное ядро бледного шара (Globus pallidus); ЛГ – латеральный гипоталамус (Hypothalamus lateralis); DA – дофамин; GABA – γ‑аминомасляная кислота; Glu – глутаминовая кислота; OP – опиоиды.

Оценка импульсных реакций вкусовых нервов, а также данные кальциевой визуализации для нейронов GG показали, что они похожи на реакции вкусовых клеток II типа, т.е. большинство нервных единиц на этом уровне являются специализированными и реагируют на определенное вкусовое качество, а меньшая часть характеризуется генерализованными ответами сразу на несколько модальностей [14]. В частности, делеция T1R3 у мышей нарушает реакции меченой линии на сладкий и умами вкусы [32]. Однако уже на таком низком уровне обработки сенсорной вкусовой информации присутствуют нейроны с широкой настройкой. Увеличение концентрации тастанта (интенсивности стимула) превращает исходно узкую настройку сенсорных клеток GG в широкую [189]. Интересно, что относительно недавно в нейронах этого ганглия были обнаружены генные маркеры пяти основных вкусовых модальностей. Нейроны GG, предпочтительно реагировавшие на вкус умами, экспрессировали ген кадгерина 4 (Cdh4), чувствительные к горькому – кадгерина 13 (Cdh13); ген spon1 (спондин-1) выявили в нейронах, дифференцирующих сладкий вкус; для единиц, реагирующих на соленый вкус, был характерен ген транскрипционного фактора Egr, а ген проэнкефалина (Perk) – для клеток, реагирующих на кислое [198].

В высших мозговых центрах обработки вкусовой сенсорной информации преобладают нейроны с широкой настройкой, реагирующие на разные качества вкусового стимула, хотя присутствуют и специализированные единицы. В то же время остается неясным, какая из нейронных реакций необходима для восприятия качества вкусового сигнала, в частности сладкого вкуса. Chen и соавт. [32] составили густотопическую карту инсулярной коры мыши под наркозом, которая отчетливо демонстрирует концентрацию ответов на горький вкус в задней области данной зоны коры, а реакций на сладкие стимулы – в передней, т.е. пространственное разделение нейронных кластеров. У линий мышей с нокаутом генов вкусовых рецепторов вместе с исчезновением специализированных вкусовых рецепторов исчезали зоны преимущественного реагирования на вкусовое качество, что позволяет считать такие зоны продолжением меченой линии [32]. Тем не менее не все исследователи подтверждают наличие специализированных зон в первичной вкусовой коре. Методами кальциевой визуализации и электрофизиологических отведений в задней части инсулярной коры были выявлены лишь нейроны с широкой настройкой [54, 55, 103, 112, 114]. Более того, было показано, что большинство нейронов задней инсулярной коры являются мультисенсорными, реагирующими скорее на аверзивные стимулы – болевые раздражители и горькие вещества [61].

Густотопическая концепция представительства вкусовых модальностей у человека не получила достаточного подтверждения. Регистрация первичных вкусовых ответов в коре у человека с помощью функциональной магниторезонансной томографии раскрыла более сложную, чем у мышей, картину со значительным перекрытием зон, в которых представлены различные вкусовые качества, и с большой индивидуальной вариабельностью [3]. Иногда изменение концентрации тастанта полностью меняло локализацию вкусовых зон [26, 142]. Как в первичной вкусовой инсулярной коре человека, так и в зонах, определяющих гедонические и аверзивные реакции на вкус, модальности не были представлены густотопически, но реализовывались через комбинаторный сетевой код [3].

Инсулярная кора имеет большое значение для формирования гедонических реакций. Оптогенетическая стимуляция сладких и горьких вкусовых кластеров в инсулярной коре мыши вызывает как поведенческие реакции предпочтения (аппетитивные), так аверзивные и тревожные ответы, независимо от наличия самих вкусовых стимулов [61, 141].

Восприятие сладкого вкуса имеет выраженный эмоциональный аспект, связанный с активностью лимбической системы, и сопровождается гедонической или аппетитивной (palatable) реакцией, что является одной из главных причин избыточного потребления сахаров у подавляющего большинства видов [19, 68]. Поведенческим коррелятом гедонической значимости стимула является изменение пищевого поведения, например, инициация реакции, ее усиление, прекращение еды или питья. Наиболее часто используемым экспериментальным показателем предпочтения раствора тастанта является оромоторная реакция: ускорение или замедление лакания в зависимости от концентрации [174]. Обычно регистрация оромоторного ответа производится в тесте краткого доступа, когда контакт с раствором определенного вкуса непродолжителен (обычно ≤5 с), что исключает сильный постабсорбционный эффект [196].

Хотя сладкий вкус обычно вызывает положительную аппетитивную реакцию, вкусовые ощущения и данный тип реакции не всегда развиваются параллельно. Аппетитивные реакции могут изменяться с опытом, например, когда развивается условнорефлекторная вкусовая аверзия. В этом случае животное продолжают ощущать сладкий вкус вещества, но выученно снижает его потребление [60].

Важнейшей нервной структурой в реализации эмоциональной составляющей вкусовых реакций является вентральное ядро покрышки (Area tegmentalis ventralis; ВЯП), входящее в мезолимбическую дофаминовую (ДА) систему (рис. 1). У грызунов импульсная активность более половины нейронов этого ядра коррелирует с реакциями вознаграждения при потреблении предпочитаемых растворов. В то же время реакция этих нейронов не отражает вкусовую модальность и остается такой же, как при контакте животного с водой [164]. На уровне ВЯП гиперфагия стимулируется взаимодействием бензодиазепиновой и опиоидной систем с дофаминовой системой. Разрушение ВЯП приводит к резкому уменьшению потребления раствора сахарозы, но не влияет на потребление менее предпочитаемых тастантов [164, 166].

Другой важной областью головного мозга в системе вкусового подкрепления является прилежащее ядро (Nucleus accumbens; ПЯ), которое осуществляет конвертацию мотивации (аппетитивной реакции) в потребление (питание) [175]. Наиболее выраженная гиперфагия, вызванная действием опиоидов, развивается после их инъекции в оболочку ПЯ [11]. К ПЯ приходят центральные вкусовые сенсорные пути из ЯОТ [147, 155] и инсулярной коры [24]. Описаны пути, идущие от вкусовой зоны коры к префронтальной коре (ПФК), а также известно, что нейроны дорсомедиальной ПФК отвечают на вкусовые стимулы [91, 118, 163]. У бодрствующих крыс нейроны ПФК активировались во время лакания [190]. ПФК связана с подкорковыми центрами питания, ВЯП и ПЯ [24, 100]. Миндалевидное тело (Corpus amygdaloideum; АМИ) и ПФК направляют к ПЯ глутаматергические нервные волокна [150]. Глутаматергические волокна в ПЯ образуют синапсы с ГАМК-эргическими нейронами, составляющими до 90% нервных клеток данного ядра, которые подавляют пищевое потребление за счет торможения активности клеток вентрального ядра бледного шара (Globus pallidus; БШ) [82]. Эфферентные волокна БШ направляются в латеральный гипоталамус (ЛГ) – центр регуляции потребления пищи. Микроинъекция блокатора рецепторов ГАМК-А в БШ стимулирует потребление предпочитаемой пищи, но не влияет на потребление воды [165, 175].

Пищевое предпочтение имеет особое значение в регуляции потребления. Основной структурой, регулирующей пищевое поведение, является гипоталамус, главную роль в котором играют многочисленные нейропептиды, воздействующие на аппетит [156]. Установлено, что внутрижелудочковое введение орексина, NPY и меланин-концентрирующего гормона стимулирует потребление раствора сахарина, а питье раствора сахарина в свою очередь усиливало экспрессию иРНК орексина и NPY. Избыточное потребление сладкого раствора под действием нейропептидов гипоталамуса зависело также от уровня опиоидов [58]. В этой реакции участвуют эндогенные опиоиды, такие как эндорфин в аркуатном ядре гипоталамуса [191].

РЕЦЕПЦИЯ ГЛЮКОЗЫ В ЦНС

Глюкоза – основной источник энергии в структурах головного мозга. Из общего количества глюкозы, потребляемого взрослым человеком в состоянии покоя, в головном мозге расходуется около 75%. В активную фазу головной мозг расходует до 90% от ее суммарного оборота в организме. Молекулы глюкозы переносятся из кровотока через гематоэнцефалический барьер и поступают в нейроны и глиальные клетки, где либо накапливаются в виде гликогена, либо подвергаются гликолизу и окислительному фосфорилированию, в результате чего образуется АТФ и другие метаболиты [187].

Концентрация глюкозы в головном мозге поддерживается в достаточно узком диапазоне, что достигается за счет реакций популяции центральных глюкозочувствительных нейронов и глии, и сочетанной активности поджелудочной железы, печени, каротидного тела и жировой ткани [177]. Глюкозочувствительные клетки экспрессируют вкусовые рецепторы T1, разнообразные транспортеры глюкозы, а также имеют соответствующие сигнальные каскады, включая ферменты так называемого метаболического сенсора. Разнообразие этих молекул в значительной мере определяет способность головного мозга интегрировать множество сигналов для поддержания на необходимом уровне физиологических процессов в организме. В частности, реакции на внеклеточную концентрацию глюкозы влияют на ее транспорт и метаболизм, и в конечном счете на продукцию энергии и необходимых субстратов, транскрипционную активность и экспрессию генов.

Глюкозочувствительные нейроны ЦНС реагируют на изменение внеклеточной концентрации глюкозы изменением импульсной активности [25, 97, 98]. Данная популяция нейронов делится на глюкозовозбудимые (glucose-excited, ГВ), активность которых усиливается при повышении концентрации внеклеточной глюкозы и тормозится низкой концентрацией, и глюкозотормозные (glucose-inhibited, ГТ), реакция которых угнетается высокими концентрациями внеклеточной глюкозы и усиливается при низкой концентрации [97]. Эти нейроны, а также и чувствительные к глюкозе астроциты, локализуются в гипоталамусе (аркуатное ядро, латеральная и вентромедиальная зона), стволе мозга (area postrema и ЯОТ) [25, 98], прилежащем ядре и миндалине [97], перегородке [170] и в коре [107]. ГВ-нейроны аркуатного ядра содержат проопиомеланокортин, а в ЛГ продуцируют меланин-концентрирующий гормон. ГТ-нейроны представлены несколькими анатомически и функционально различимыми подгруппами, включающими орексин/гипокретиновые нейроны латерального гипоталамуса, NPY/AgrP клетки аркуатного ядра и SF-1 вентромедиального ядра [99]. Уменьшение мозгового уровня глюкозы активирует ГТ-нейроны гипоталамуса, перифорникальной области и ствола мозга и запускает последовательность нейрогуморальных реакций обратной связи, включающую симпатоадреналовую активацию, повышение уровня эпинефрина, норэпинефрина и глюкагона в плазме, что в свою очередь стимулирует глюконеогенез в печени и почках и ингибирует секрецию инсулина поджелудочной железой. Острое повышение уровня глюкозы приводит к угнетению глюкозотормозных нейронов и активации глюкозовозбудимых единиц, с последующей стимуляцией выделения инсулина и подавлением печеночной продукции глюкозы путем снижения глюконеогенеза и гликогенолиза [99]. Очевидно, что присутствие глюкозочувствительных клеток в прилежащем ядре и миндалине создает дополнительный механизм вовлечения этих структур в реакции вознаграждения [97]. Также перечисленные отделы мозга координируют питание и энергозатраты [91]. В частности, аркуатное ядро играет ведущую роль в регуляции обмена глюкозы. Глюкоза и гормоны из кровотока имеют облегченный доступ к медиобазальной области гипоталамуса, где находится это ядро, поскольку здесь повышена проницаемость гематоэнцефалического барьера [18].

Важнейшую роль в запуске мозговых нейрональных реакций на изменение внеклеточной концентрации глюкозы играет хорошо изученный механизм метаболической детекции, связанный с наличием особой изоформы фермента глюкокиназы и K_АТФ каналов. Транспорт глюкозы в клетку при этом обеспечивается переносчиками GLUT2 и SGLT1 [25, 90]. Кроме того, в метаболическую реакцию на изменение концентрации глюкозы и сдвиги в уровне АТФ вовлечен ряд ферментов внутриклеточного сигнального каскада, например, цАМФ-активируемая протеинкиназа [33]. Однако если K_АТФ каналы в целом широко экспрессированы в мозгу, то SUR1, субъединица панкреатического K_АТФ канала β-клеток и глюкокиназа были обнаружены в некоторых, но не во всех глюкозовозбудимых нейронах [65]. В то же время эти нейроны в переживающих срезах реагируют и на неметаболизируемый аналог глюкозы – 2-деокси-D-глюкозу. Эти и другие данные определенно свидетельствуют в пользу наличия неметаболических механизмов детекции, независимых от K_АТФ. Предполагается, что выгода непосредственной мембранной рецепции глюкозы нейронами может состоять в том, что восприятие уровня глюкозы “открепляется” от энергетического статуса клетки [65].

Гипергликемия и гипогликемия влияют на экспрессию низкоаффинных глюкозных транспортеров GLUT2 [108] и SGLT3 [45, 139] в нейронах и астроцитах гипоталамуса и ствола головного мозга [18, 97, 98, 145], а также АМИ и ПЯ [97]. Максимальная экспрессия GLUT2 выявлена в астроцитах и таницитах, разновидности эпендимальных и гипоталамических глиальных клеток [90, 177]. Действуя в ЯОТ и дорзальном моторном ядре блуждающего нерва, GLUT2 опосредует усиление импульсной активности парасимпатических волокон и секрецию глюкагона [177]. Известно о нарушении пищевого поведения у мышей с недостаточностью GLUT2 [10].

Натрий-глюкозный транспортер 1 (SGLT1) присутствует в глюкозочувствительных нейронах различных мозговых структур, в основном в гипоталамусе, среднем мозге и в стволе [90, 185, 188, 197]. Также есть данные, что в гипоталамусе функции глюкозного сенсора выполняет SGLT3 [137, 188]. Вход глюкозы в клетку через SGLT, который сопровождается входящим током Na⁺ ионов с одновременной активацией Na⁺/K⁺ насоса и гиперполяризующих Cl^– токов, может сместить мембранный потенциал как в сторону гиперполяризации (ГТ-нейроны), так и деполяризации (ГВ-нейроны) [25, 38].

Особый интерес вызывает присутствие в нейронах и астроцитах головного мозга вкусовых рецепторов T1 [18, 28, 77, 97, 98, 104, 145]. Гены Tas1r2 и Tas1r3, а также ген α-гастдуцина (Gnat3) экспрессируются во многих структурах головного мозга. Сообщается, что их экспрессия в гипоталамусе намного больше, чем в коре и гиппокампе [77, 145]. Интрацеребровентрикулярное введение мышам после 24-часового голодания сукралозы, синтетического лиганда рецептора сладкого вкуса, приводило к дозозависимому сокращению потребления корма, что также сопровождалось увеличением концентрации кальция в цитоплазме клеток и экспрессией c-Fos в аркуатном ядре. Реакция примерно 70% ГВ-нейронов подавлялась в присутствии блокатора рецептора сладкого вкуса гурмарина. Большинство нейронов аркуатного ядра, реагировавших на сукралозу не экспрессировали проопиомеланокортин (POMC). Тем не менее примерно в 20% POMC нейронов все-таки присутствовали белки T1R2 и T1R3 [98].

Уровень экспрессии T1R2 и T1R3 в гипоталамусе связан с метаболическим статусом организма. Показано, что после голодания уровень иРНК T1R2 повышается, в то время как в гиппокампе и коре экспрессия T1R2 и T1R3 не меняется [145]. Уровень иРНК T1R2 и T1R3 в культуре гипоталамических клеток мыши mHypoA-2/12 уменьшался в ответ на введение гормона насыщения лептина [28]. Сходным образом, действие высоких концентраций экстраклеточной глюкозы приводит к снижению иРНК T1R2 в культуре мышиных гипоталамических клеток N38 и mHypoA-2/12 [77]. Было показано, что экспрессия T1R2 и T1R3 уменьшается у мышей на фоне высококалорийной диеты, а также она была ниже у лептин дефицитной линии ob/ob [77, 145]. В целом эти данные показывают, что экспрессия субъединиц рецептора сладкого вкуса T1R2 и T1R3 в гипоталамусе тесно связана с концентрацией лиганда и метаболическим статусом. Избыток лиганда в гипоталамусе приводит к снижению экспрессии рецептора сладкого вкуса и десенситизации связанных с ним нервных путей. При голодании, напротив, отмечается усиление экспрессии T1R2/T1R3. Уменьшение интенсивности сигнала от рецептора сладкого вкуса в гипоталамусе при ожирении может провоцировать гиперфагию и нарушение гомеостаза глюкозы. Исследования на животных показали, что гипоталамические рецепторы сладкого вкуса (T1R2 + T1R3) участвуют в регуляции центральной и периферической секреции инсулина. Делается предположение, что стимуляция этих рецепторов может быть использована в терапии нарушений гормональной секреции и нервной трансмиссии [64].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сладкое – наиболее сильная вкусовая модальность, формирующая в значительной степени пищевое поведение и влияющая на гомеостаз. Контакт вкусовой рецепторной клетки II типа с веществом, которое органолептически характеризуется человеком как сладкое, активирует сложный ансамбль нервных центров вкусового анализатора, мезолимбических и гомеостатических ядер головного мозга. В результате густотопических и комбинаторных реакций этих структур формируется образ сладкого вкусового стимула с характерной модальностью, интенсивностью и гедонической ценностью.

Современные исследования механизмов анализа вкусового сигнала получили значительный импульс в результате обнаружения у большинства млекопитающих белков гетеродимерного мембранного рецептора сладкого вкуса T1R2 и T1R3, а также кодирующих их генов Tas1r2 и Tas1r3. За счет сложной структуры надмембранных и трансмембранных доменов рецептор T1R2/T1R3 приобрел чрезвычайно широкую настройку, т.е. аффинность к различным классам веществ (углеводам, аминокислотам, солям металлов, разнообразным синтетическим подсластителям и вероятно к спиртам), что позволяет наиболее полно использовать легко метаболизируемую высококалорийную пищу. При этом эволюционный отбор сохранил значительное варьирование чувствительности рецептора T1R2/T1R3, что отразилось, например, у грызунов и человека на обособлении популяций с большей или меньшей чувствительностью к низким концентрациям сладкого. Приспособительный смысл такого отбора не вполне ясен.

На всех уровнях вкусового анализатора мембранная T1R2/T1R3-опосредованная рецепция сладкого функционирует синергично с так называемым метаболическим сенсором глюкозы, глюкокиназа-K_АТФ-зависимым процессом, приводящим к деполяризации мембраны клетки. Мембранная T1R2/T1R3-опосредованная рецепция сладкого преобладает на периферии, где метаболические механизмы обеспечивают только остаточное возбуждение вкусовых рецепторных клеток II типа. Значение метаболического механизма реагирования на поступление глюкозы в цитоплазму извне возрастает в нейронах и астроцитах ЦНС. Тем не менее характерные для вкусовой луковицы рецепторные белки T1R2 и T1R3 присутствуют в центральных ядрах, причем сообщается об их наибольшей концентрации в гипоталамусе. Обсуждается их роль в модуляции реакций орексигенных и анорексигенных нейронов гипоталамуса, влияние на продукцию инсулина и взаимодействие с лептином.

Важным с физиологической и патофизиологической точки зрения свойством реакций вкусовой системы на сладкое на всех уровнях является изменение их настройки в зависимости от метаболического статуса организма. Это достигается за счет эндокринных, паракринных и аутокринных воздействий со стороны главным образом нейропептидов пищеварительной системы.

О возможном направлении дальнейших исследований в этой области можно судить, исходя из современных работ, показавших присутствие вкусовых рецепторов сладкого, несмотря на их название, за пределами ротовой полости и головного мозга. Большая концентрация рецепторных белков T1R2 и T1R3 обнаружена в эпителии кишечника, поджелудочной железе, печени, жировой ткани, костях, где они играют роль в местной регуляции метаболизма и оказывают системное воздействие на гомеостаз глюкозы и жировой обмен, о чем авторы надеются представить следующий научный обзор.