OLFATTO 2017 - Sito dei docenti di Unife
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Olfatto o odorato è uno dei cinque sensi specifici e rende possibile, tramite i chemiorecettori, le percezioni delle sostanze chimiche volatili e dei gas presenti nell'aria. L'olfatto è connesso in maniera funzionale con il gusto, come si può dimostrare semplicemente quando un raffreddore congestiona le vie aeree, compromettendo la funzione olfattiva, ed i cibi hanno pressoché tutti lo stesso sapore. L’olfatto viene definito assieme al gusto un senso “chimico” in quanto è finalizzato alla percezione di sostanze chimiche. La percezione olfattiva ha funzioni estremamente importanti per la sopravvivenza di un organismo: infatti è legato alla possibilità di trovare il cibo, a distinguere tra cibo buono e cibo cattivo. Inoltre gli odori sono anche responsabili di tutta una serie di comportamenti sociali legati principalmente all’aggressività con il riconoscimento di amici e nemici ed ai processi riproduttivi e neonatali. Fisiologia dell’olfatto Gli stimoli che evocano le sensazioni olfattive sono composti chimici chiamati odoranti Non tutte le sostanze chimiche sono però degli odoranti!!! Per essere percepite attraverso l’olfatto le molecole devono essere volatili, piccolissime e idrofobiche. Cosa e’ un odore? Gli odori sono prodotti da molecole volatili che vengono in contatto attraverso l’aria con particolari cellule presenti nella cavità nasale. Esempi: benzaldeide geraniolo H2S Mentre nell'uomo il ruolo dell'olfatto come strumento di conoscenza dell'ambiente circostante ha un carattere secondario, negli animali è uno strumento indispensabile per le attività fondamentali quali la caccia, la localizzazione dei partner, dei compagni e dei predatori. In alcune farfalle, l'odore della femmina può attirare il maschio da molti chilometri di distanza. Negli animali, i recettori olfattivi hanno collocazioni anatomiche diverse a seconda dei casi, negli insetti ad esempio sono sulle antenne, nei pesci sulla superficie del corpo. Nei bassi vertebrati, nei quali l'olfatto ha una importanza maggiore che nei mammiferi, la componente maggiormente evoluta del cervello è un centro prevalentemente olfattivo, detto rinencefalo. L'organo dell'olfatto è il naso. Il naso, mediante il setto nasale, è diviso in due cavità piuttosto ampie, che da una parte comunicano con l'esterno per mezzo delle narici, dall'altra verso l'interno, con la parte superiore dalla mucosa olfattiva. La mucosa olfattiva è il punto di confluenza delle varie terminazioni nervose che ci permettono di percepire le sensazioni olfattive. L’apparato olfattivo umano è, come quello tattile e gustativo ma a differenza di quello visivo e acustico, incorporato in un organo che principalmente serve ad un altro scopo. Il fine principale del naso è infatti quello di filtrare, riscaldare, umidificare l’aria che respiriamo Comunque nel naso sono presenti delle piccole creste chiamate turbinati che creano turbolenza nell’aria che respiriamo, aumentano la superficie e massimizzano il tempo di contatto con l’aria Anatomia del sistema olfattivo Gli odori non si percepiscono con tutto il naso ma con un sottile strato di cellule che costituiscono l'epitelio olfattivo (5-10 cm2, la retina del naso), situato nella porzione più alta della cavità nasale sulla cartilagine dei turbinati. L'acuità olfattiva è proporzionale all'estensione di questo epitelio e alla densità dei recettori. raramente supera una decina di cm2 con una densità media di 10.000 recettori/cm2 venti volte più esteso, presenta una densità di recettori almeno 100 volte superiore. Nei roditori è presente una specializzazione della mucosa denominata Organo Vomeronasale Nell’uomo non si sa se esista realmente (secondo alcuni studi sarebbe situata in vicinanza del setto) L’organo vomeronasale dei roditori è il recettore specializzato per i feromoni. EST e AND Sono state viste risposte neuroendocrine in seguito ad attività ferormonale. Sostanze lipofile di origine ascellare prodotte da donne durante certe fasi del ciclo ovarico provocano in donne riceventi una marcata alterazione della durata del ciclo. Due steroidi il 4,16-androstadien-3-one (AND) (deriva dal testosterone nelle secrezioni ascellari del maschio) l’estra-1,3,5(10),16-tetraen-3-ol (EST) correlato con gli estrogeni e presente nell’urina della femmina Hanno effetti ferormonali, regolando : Temperatura Umore Appetito sessuale Le molecole odorose che entrano nel naso portate dall'aria non raggiungono direttamente i neuroni olfattivi sensoriali ma devono prima sciogliersi nel muco. Acqua Sali Mucopolisaccaridi Anticorpi (proteggono l'epitelio da batteri e virus) Il muco è prodotto da: Cellule epiteliali di sostegno Ghiandola di Bowman Funzione: Contiene proteine solubili che captano le molecole odorose. Contribuisce alla concentrazione e all’eliminazione degli odori. Nell’epitelio olfattivo si distinguono tre tipi di cellule 1. Cellule di sostegno 2. Cellule staminali 3. Neuroni olfattivi sensoriali (OSNs) Piccoli neuroni con ciglia che si sporgono dal muco che copre l’epitelio olfattivo. Queste ciglia contengono i Recettori Olfattivi (OR) I neuroni olfattivi sensoriali (neuroni bipolari) sono le uniche cellule nervose che vengono continuamente sostituite nel corso di tutta la vita, con un ciclo di morte e rigenerazione di circa 6090 gg. La generazione di potenziali del recettore in risposta agli odori si verifica in corrispondenza delle ciglia dei neuroni olfattivi. Gli odoranti evocano grandi correnti depolarizzanti quando applicati alle ciglia (sx) ma solo una piccola corrente quando applicati al corpo cellulare Le piccole cellule staminali rappresentano i precursori da cui si sviluppano i nuovi neuroni olfattivi. Questa caratteristica è peculiare anche perché ogni nuova cellula olfattiva deve produrre ex novo la terminazione nervosa che raggiunge il bulbo olfattivo. Le cellule di sostegno hanno la funzione di produrre muco che ricopre l'epitelio olfattivo, scorre ad una velocità di 10 mm/min. e viene rimpiazzato completamente in circa 10 minuti. Neuroni olfattivi sensoriali (OSN) Gli assoni dei OSN opposti alla zona dove si trovano le ciglia, passano attraverso una fine apertura la cui morfologia ricorda quella di un setaccio chiamata placca cribriforme (osso etmoide). etmoide) Un colpo molto forte all’altezza della fronte può provocare la rottura della placca cribriforme e di conseguenza la rottura dei fragili neuroni olfattivi. Questa condizione in cui diviene impossibile la percezione di odori è chiamata: ANOSMIA Gli assoni dei OSN dopo aver attraversato la placca cribriforme si uniscono insieme a formare il nervo olfattivo (nervo cranico I) e raggiungono il bulbo olfattivo. A differenza degli altri sistemi sensoriali l’olfatto è IPSILATERALE Nel bulbo olfattivo i neuroni olfattivi contraggono sinapsi con le cellule mitrali a livello dei glomeruli olfattivi. strutture sferiche formate dai processi assonici dei neuroni olfattivi e dai processi dendritici delle cellule mitrali. Le cellule mitrali sono i neuroni principali dei glomeruli (circa 50.000 per ciascun bulbo olfattivo). Ricevono in input il segnale proveniente dai recettori olfattivi e i loro assoni si riuniscono a formare il tratto olfattivo laterale. Forte convergenza: 5000-20000 neuroni/glomerulo Nessuna divergenza: 1 neurone olfattivo innerva 1 solo glomerulo Vie olfattive centrali Le cellule mitrali proiettano alla corteccia olfattiva (direttamente) e alla corteccia orbitofrontale (attraverso il talamo) La via talamoorbitofrontale da’ la percezione cosciente degli odori La via alla corteccia olfattiva da’ la componente affettiva degli odori Le strutture del sistema nervoso centrale che analizzano le informazioni olfattive ricevute dai bulbi olfattivi sono: La corteccia olfattiva primaria Il complesso amigdaloippocampale (legato alle risposte emotive) La corteccia entorinale dell’ippocampo) (parte Pathway della percezione olfattiva Trasduzione del segnale olfattivo I OSN sono diverse da tutti gli altri recettori sensoriali (non protette da nessuna struttura e connesse direttamente al cervello) P. es. i recettori visivi sono protetti dalla cornea, i recettori acustici dal timpano, i recettori gustativi sono racchiusi nella papilla Per questa ragione molte medicine possono essere inalate I OSN sono tra i più sottili e lenti neuroni di tutto il corpo. Quindi ci vuole molto più tempo a percepire gli odori rispetto agli altri tipi di percezioni (circa 500 ms contro i soli 45 perché la corteccia visiva registri una immagine) PERCEZIONE e SENSAZIONE A parte i circa 500 ms necessari perché un odore venga registrato ce ne vogliono poi altrettanti perché si possa coscientemente percepirlo. Questo fatto delinea la sottile linea rossa fra percezione e sensazione: Si parla di sensazione quando l’odore è rivelato a livello neurale Si parla di percezione quando si diviene coscienti dell’aver percepito un odore Apparato chemotrasduttore: ciglia Il legame di molecole odorose alle ciglia produce un potenziale di recettore depolarizzante La depolarizzazione invade il dendrite apicale e viene codificata in una scarica di potenziali d’azione Gli assoni dei neuroni olfattivi (I nervo cranico) contattano neuroni nel bulbo olfattivo Fibre nonmieliniche: lente Come arrivano le molecole ai recettori olfattivi? Le Odorant binding proteins (OBPs) o proteine leganti gli odori sono piccole proteine solubili abbondanti nel muco nasale di molte specie. Le molecole olfattive sono infatti generalmente di natura idrofobica e la mucosa nasale e' uno strato acquoso che ricopre l'epitelio olfattivo I recettori olfattivi Recettori accoppiati alle proteine G (GPCR) 3 Famiglie di geni: Recettori olfattivi Recettori vomeronasali 1: accoppiati a Gi (feromoni) Recettori vomeronasali 2: accoppiati a G (peptidi?) I recettori olfattivi 7 domini transmembrana Regione sulla superficie cellulare variabile (legame con il ligando) Coda citoplasmatica che interagisce con la proteina G 1000 geni nei mammiferi – 2% del genoma (ciascuno codifica un recettore per un certo gruppo di odoranti) Attivazione dei recettori olfattivi CNGA2: cyclic nucleotide-gated channel alpha2 I canali del Cl olfattivi Nei neuroni olfattivi [Cl]i è insolitamente alta=60-70 mM Nella maggior parte dei neuroni [Cl]i=10 mM Il Cl viene concentrato grazie alla presensenza di un cotrasportatore KCC2 per il cloro e potassio presente sulle membrane del neurone olfattivo NKCC: influsso di Cl legato all’influsso di Na KCC: estrusione di Cl legata all’estrusione di K Il Ca++ in eccesso e’ poi espulso dalla cellula per mezzo di scambiatori Na+ Ca2+ Gli ioni calcio e l’adattamento olfattivo Il meccanismo di adattamento ci permette di non percepire più un odore che stimola per un tempo prolungato e in maniera costante i nostri recettori. Il ruolo del calcio è rilevante in questo meccanismo. Ca2+ Calmodulina (CaBP) Adattamento olfattivo Desensibilizzazione Desensitizzazione: riduzione della risposta in presenza continua della molecola odorante cAMP attiva delle protein chinasi A (PKA) le quali fosforilano i recettori olfattivi inattivandoli ORK = chinasi dei recettori olfattivi Teorie proposte per la percezione olfattiva: Teoria del pattern della forma: forma i vari odori sarebbero determinati dalla congrua corrispondenza di forma fra gli odoranti e i recettori olfattivi. Questa è in effetti la teoria biochimica dominante. Una teoria alternativa a quella del pattern della forma è la teoria delle vibrazioni. vibrazioni A causa della struttura atomica ogni molecola ha una caratteristica frequenza di vibrazione, questa determinerebbe l’odore di quella sostanza. L’ideatore di questa teoria Luca Turin ha affermato che infatti molecole che per la loro morfologia vibrano alla stessa maniera hanno anche lo stesso odore ma i suoi risultati non sono stati confermati da studi indipendenti. La teoria delle vibrazioni in effetti non riesce a spiegare diversi fatti. Ad esempio una lacuna della teoria delle vibrazioni è quella di non poter spiegare i diversi odori associati ad alcune sostanza chiamate stereoisomeri. Il codice degli odori Si stima che l'uomo sia in grado di percepire circa 10.000 odori. Le ricerche genetiche hanno rilevato che i geni che controllano la sintesi delle proteine impiegate per il riconoscimento degli odori sono circa 350. "un odore un recettore“ 350 OR non sarebbero sufficienti per percepire i 10.000 odori: evidentemente ogni molecola odorosa interagisce con più recettori e deve esistere un codice che il cervello è in grado di interpretare. Il profumo di gelsomino e’ costituito da molte molecole odorose, la maggior parte degli odori che noi percepiamo sono costituiti da miscele molecolari Miscele di odori Il codice degli odori Per chiarirlo, un gruppo di ricercatori dell'Università di Berlino ha studiato quello che avviene nelle api. Scoprendo che il repertorio degli odori riconoscibili da questi insetti è molto esteso, perché è amplificato dalla presenza di un codice combinatorio Come fanno 350 OR nell’uomo a distinguere 10000 diversi odori? Richard Axel e Linda Buck Premio Nobel per la Medicina (2004) Ogni neurone esprime un solo recettore ma ogni sostanza odorosa stimola (in maniera diversa) più di un recettore. Ogni composto attiva una combinazione unica e caratteristica di recettori. Questo meccanismo combinatorio consente ad una ristretta gamma di recettori di distinguere un elevato numero di odori Combinatorial Receptor Codes for Odorants Modificare, anche solo leggermente, la struttura di un odorante può notevolmente alterare il suo odore percepito, anche in modo drammatico. Tutti questi acidi hanno un odore poco piacevole, mentre, tutti gli alcol un odore piacevole. Anche se si differenziano solo per un singolo gruppo funzionale hanno differenti codici. Il codice può essere diverso anche se varia la concentrazione di un odorante. Ad alte concentrazioni vengono reclutati altri OR nella risposta. Ciò può spiegare perché cambiare la concentrazione di un odorante possa alterare l’odore percepito. Come avviene il “processing” del codice? Bulbo olfattivo Segnali da 5000 o più neuroni con lo stesso OR convergono solo a 2-4 glomeruli e circa 50 cellule mitrali Elevata convergenza = maggiore sensibilità Nell’epitelio olfattivo i neuroni sensoriali non sono disposti secondo un preciso ordine spaziale, ma sono distribuiti in modo casuale. Analisi della distribuzione spaziale dei neuroni esprimenti recettori olfattivi diversi, hanno rivelato che i NSO che esprimono un dato recettore sono ristretti ad una delle quattro zone (in direzione dorso-ventrale) in cui viene suddiviso l’epitelio olfattivo. Tuttavia, all’interno di ciascuna zona, i neuroni che esprimono recettori diversi sono frammisti fra loro in modo casuale La situazione è completamente diversa a livello del bulbo olfattivo, dove è presente una mappa topografica ben precisa ed altamente conservata. Le proiezioni assonali di neuroni esprimenti lo stesso recettore convergono con precisione a formare glomeruli in specifiche posizioni sul lato mediale e sul lato laterale di ciascun bulbo olfattivo. Axel e Buck hanno trovato in modo sorprendente che gli assoni dei neuroni sensori con lo stesso OR convergono in un unico glomerulo La posizione dei glomeruli corrispondenti a un dato recettore e’ conservata tra individui e tra specie In definitiva, a determinare la qualità di un odorante sia la combinazione dei recettori attivati e non un singolo recettore. Ogni singolo odorante, legandosi a piu’ recettori olfattivi attiva una combinazione di glomeruli bulbari e pertanto una prima informazione olfattiva può essere già decifrata dal bulbo olfattivo. Anche se la completa percezione e discriminazione degli odori avviene in aree più centrali del cervello Schematic diagram of receptor coding for single odorants and an odorant mixture. Each odorant activates different but sometimes overlapping subsets of ORs, ORs, which define an identity code for an odorant. When the odorants are mixed, a code for the mixture is expected to be the sum of coding patterns of its components. However, when antagonism between the odorants occurs, a smaller number of receptors are activated than the additive number of activated receptors by single odorants. For example, EG is an agonist for the red, yellow, and blue receptors, but an antagonist for the green receptor. MIEG is an agonist for the blue, green, and pink receptors, but an antagonist for the yellow receptor that corresponds to mOR-EG. mOR-EG. Cellule periglomerulari formano connessioni laterali inibitorie per aumentare la percezione olfattiva (inibizione laterale) QUINDI… Nell’epitelio olfattivo il codice di un odorante è quindi una combinazione di OR. Nel bulbo olfattivo il codice di un odorante è una combinazione di glomeruli la cui organizzazione spaziale è simile fra gli individui. Combinazioni parzialmente sovrapposte di input di OR generano percezioni distinte.
