Почему мята и холод ощущаются одинаково: принцип работы холодового рецептора TRPM8

Жевательная резинка с ментолом не меняет температуру во рту ни на долю градуса. Однако если после нее сделать глоток воды комнатной температуры, язык обожжет ледяным холодом. Этот сбой в нашей сенсорной матрице — результат работы одного-единственного молекулярного механизма, рецептора TRPM8, встроенного в клеточные мембраны чувствительных нервных окончаний.

TRPM8 представляет собой сложную белковую структуру, которая работает как универсальный датчик. В закрытом состоянии этот белок непроницаем. Однако при воздействии определенного стимула его пространственная конфигурация меняется, внутри образуется сквозное отверстие, и в нервную клетку устремляются ионы натрия и кальция. Это движение заряженных частиц создает электрический импульс, который передается по нервным путям в головной мозг, где формируется субъективное ощущение холода.

Фундаментальная проблема биологии осязания долгие годы заключалась в полимодальности этого рецептора. Физическое охлаждение ткани и контакт с органической молекулой ментола — это два абсолютно разных процесса с точки зрения физики и химии. Тем не менее, рецептор TRPM8 реагирует на оба раздражителя. До недавнего времени механизм, позволяющий одной белковой структуре интегрировать столь разные сигналы, оставался неизученным.

Группа структурных биологов из Университета Дьюка опубликовала результаты работы, в которой впервые зафиксировала точную механику открытия TRPM8 на атомарном уровне. Используя методы криоэлектронной микроскопии, исследователи создали трехмерную карту рецептора во всех его рабочих фазах.

Проблема фиксации микросекундных состояний

Изучение ионных каналов осложняется их крайней нестабильностью. Открытое состояние TRPM8 длится меньше миллисекунды. Сразу после активации вступает в силу механизм десенситизации: белок адаптируется к раздражителю и возвращается в закрытую форму, даже если холод или ментол продолжают воздействовать на нервное окончание.

Именно поэтому в предыдущих исследованиях ученым удавалось получить структуру рецептора только в его неактивном, закрытом виде. Чтобы обойти это физиологическое ограничение, исследователям потребовалось создать сложную биохимическую среду. Они использовали мутантную версию рецептора с повышенной чувствительностью, добавили специфические мембранные липиды PIP2, необходимые для базового функционирования канала, а также применили аллил-изотиоцианат (AITC) — органическое соединение, которое стабилизировало белок в открытом состоянии и заблокировало процесс его десенситизации.

Смесь была мгновенно заморожена в слое аморфного льда, что позволило сделать серию снимков с разрешением до трех ангстрем. Анализ полученных данных позволил восстановить полный алгоритм активации рецептора.

Механика химического восприятия

Воздействие ментола на TRPM8 не сводится к простому статичному связыванию молекулы с поверхностью белка. Процесс носит выраженный динамический характер.

Молекула ментола погружается в специфическую полость на периферии рецептора. Криоэлектронные снимки показали, что после первичного контакта ментол не остается неподвижным. По мере того как канал переходит в активное состояние, молекула проворачивается внутри белкового кармана почти на 100 градусов.

Это вращение инициирует каскад структурных перестроек. Смещаясь, ментол физически оттесняет соседние аминокислоты. Водородные связи внутри белка разрываются и формируются заново в иных позициях. Это механическое напряжение передается от периферического отдела рецептора к его центру, заставляя внутренние спирали белка изменить угол наклона.

Строгая необходимость точного пространственного позиционирования и последующего вращения объясняет высокую селективность TRPM8. Другие охлаждающие химические вещества могут попадать в ту же самую полость, но их физическая форма не позволяет им провернуться нужным образом, из-за чего рецептор либо не активируется, либо активируется значительно слабее.

Термодинамика температурного восприятия

Реакция рецептора на фактическое снижение температуры обеспечивается совершенно иным механизмом. С позиций классической термодинамики охлаждение означает снижение кинетической энергии и замедление движения молекул. В случае TRPM8 эта потеря энергии приводит к тому, что часть белковой структуры становится более жесткой, что и вызывает открытие канала.

Исследователи идентифицировали в рецепторе сеть взаимодействующих аминокислот, получившую название «холодного пятна». При падении температуры в этой зоне формируются новые, более прочные водородные связи. Основная трансмембранная спираль, формирующая стенки ионной поры, физически удлиняется на один полный виток.

В процессе этого удлинения на спирали возникает специфический изгиб. Изменение геометрии заставляет спирали смещаться в стороны от центральной оси. Таким образом, энергия, необходимая для открытия канала, обеспечивается самим процессом структурного упорядочивания белка при его охлаждении.

Конвергенция сигналов и эффект синергии

Главный вывод исследования состоит в том, что химический и температурный раздражители активируют TRPM8 через перекрывающиеся, но физически разделенные цепочки аминокислотных взаимодействий. Ментол запускает перестройку на периферии рецептора, тогда как холод реорганизует структуры, расположенные ближе к центральной поре.

Однако оба этих разнородных процесса в итоге сходятся в одной физической точке — на аминокислотном остатке валина в позиции 976. Этот участок выполняет функцию воротного механизма. В закрытом состоянии кольцо из этих аминокислот предельно сужает просвет поры, блокируя ток ионов. Когда сигналы от ментола или от холодового напряжения достигают центра, спирали разворачиваются, и кольцо валинов отходит в стороны. Диаметр поры увеличивается до трех ангстрем, чего достаточно для прохождения гидратированных ионов внутрь клетки.

Разделение путей активации при наличии общей конечной точки полностью объясняет физиологическую синергию холода и ментола. Когда рецептор подвергается воздействию ментола, часть белковой структуры уже меняет свою конфигурацию, создавая внутреннее механическое напряжение. Если в этот момент происходит даже незначительное понижение температуры, холодовому механизму требуется минимум энергии, чтобы окончательно сместить запорное кольцо валинов. Токи ионов возникают при температурах, на которые в обычных условиях рецептор не обратил бы внимания.

Эволюционное и клиническое значение

Доказательство того, что пути температурной и химической активации разделены аппаратно, находит подтверждение в эволюционной биологии. Некоторые виды млекопитающих, такие как мамонты или современные грызуны, впадающие в зимнюю спячку, в процессе адаптации к суровому климату генетически утратили чувствительность к холоду. Их рецепторы TRPM8 перестали реагировать на падение температуры, однако полностью сохранили способность активироваться при контакте с ментолом.

Раскрытие точной структурной архитектуры этого белка открывает новые перспективы в клинической фармакологии. Рецептор TRPM8 принимает непосредственное участие в развитии мигреней, синдрома сухого глаза, хронического кашля и холодовой аллодинии — неврологического нарушения, при котором легкая прохлада вызывает у пациента острую боль.

Традиционные обезболивающие препараты системно блокируют работу рецепторов, полностью лишая человека температурной чувствительности. Наличие точной трехмерной карты позволяет разрабатывать молекулы принципиально нового класса. Зная точные координаты «холодного пятна» и пути передачи механического напряжения, фармакологи смогут синтезировать вещества, которые будут блокировать только реакцию белка на экстремальный холод, не нарушая при этом его способность функционировать в нормальном режиме.

Источник:biorxiv