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Duftforschung - Spermien mögen Maiglöckchen

Alles über das Riechen und wie es unser Leben bestimmt

Prof. Dr. Dr. Dr. Hanns Hatt, Lehrstuhl für Zellphysiologie, Ruhr-Universität Bochum

Vom Molekül bis zur Wahrnehmung, von der Grundlagenforschung bis zur klinischen Anwendung bietet die Riechforschung spannende Fragen und viele interessante neue Befunde, die wichtige Erkenntnisse für unser Leben erwarten lassen. Die Nase war bisher ein eher vernachlässigtes Sinnesorgan, der Geruchssinn wurde zu den „niederen Sinnen“ gerechnet und in unserer optisch und akustisch dominierten Welt oft vernachlässigt. Jedoch spielt er in unserem Leben eine größere Rolle als wir gemeinhin vermuten.

Ohne ihn können wir kein exzellentes Essen oder einen herrlichen Wein genießen oder würden nicht vor verdorbenen oder giftigen Nahrungsmitteln gewarnt werden, ohne ihn wäre die Menschheit sogar längst ausgestorben. Oft verwendete Sätze wie „Ich kann Dich nicht riechen“, „Die Chemie muss stimmen“, zeigen die besondere Bedeutung des Geruchssinns, der entscheidend an Sympathie und Antipathie beteiligt ist und in uns sekundenschnell in längst vergangene Erinnerungen und Gefühle erwecken kann. Unsere Nase schläft nie, 24 Stunden sendet sie über Duftstoffe in der Atemluft in unser Riechhirn, das einen direkten Zugang zu den ältesten Teilen des Gehirns, dem Limbischen System und dem Hippocampus hat. Hier liegen wichtige Zentren für Gefühle, Triebe, Erinnerungen, aber auch hormonelle Steuerung. Nur ein kleiner Teil der Information fließt durch den Thalamus, das „Tor zum Bewusstsein“.
Alles was duftet, gibt ständig winzige Mengen von spezifischen Molekülen entsprechend dem Dampfdruck in das umgebende Medium ab. Die Moleküle gelangen mit der Atemluft in unsere Nase bis hinauf zum Riechepithel, das aus den eigentlichen Riechsinneszellen, Stützzellen und den sog. Basalzellen besteht. Letztere erneuern die 30 Millionen Riechsinneszellen monatlich komplett. Die Riechsinneszellen tragen am Ende feine, in den Nasenschleim hineinragende Sinneshärchen (Zilien), die spezifische Proteine, sog. Rezeptoren, tragen. Bei entsprechender Passung kann das Duftmolekül mit einem Rezeptorprotein interagieren. So durch Duft aktivierte Riechrezeptoren sind nun in der Lage, über eine nachgeschaltete biochemische Signalverstärkungsmaschinerie Tausende von Molekülen von zyklischem Adenosinmonophosphat (cAMP), einem sog. zweiten Botenstoff, herzustellen. Diese Botenstoffe können direkt Ionenkanäle in der Zilienmembran öffnen. Durch solche Kanäle strömen Kationen (Natrium, Kalzium) in die Zellen, machen dadurch das Membranpotenzial positiver – die Zelle wird erregt. Diese Zellerregung kann dann in Aktionspotenziale umgeformt werden, die die Information über die Nervenfortsätze der Riechsinneszellen zu unserem Riechhirn leiten.

Mit der Entdeckung der großen Genfamilie der Riechrezeptoren (1991) durch Linda Buck und Richard Axel [1], die hierfür 2004 den Nobelpreis erhielten, begann ein neues Zeitalter im Verständnis der Funktion unserer Nase. Weltweit startete ein Wettkampf vieler großer Forschungslabors um die Entschlüsselung der Rezeptoren. Im Genom des Menschen findet man ca. Tausend Gene, die zur großen Genfamilie der Riechrezeptoren gehören und eine hohe Homologie (50–99 %) in ihrer Nukleotidsequenz aufweisen.


Abb. 1: Zentrale Verschaltung der Duftinformation

Allerdings weisen nur noch ein Drittel dieser Gene, ca. 350, eine intakte Sequenz auf und stehen zur Expression zur Verfügung. Sie stellen aber weiterhin die größte Genfamilie im menschlichen Genom überhaupt dar, ein wichtiger Hinweis auf die Bedeutung des Riechens auch für den Menschen. die etwa 320 Aminosäuren lange Kette der Rezeptorproteine durchspannt an sieben Stellen die Zellmembran. In diesen „Trans-mem-bran“-Bereichen vermutet man auch die Bindetasche für die aktivierenden Duftmoleküle. Die Gene für die verschiedenen Rezeptoren sind beim Menschen nahezu über alle Chromosomen verteilt, jede Riechzelle aktiviert allerdings nur eines dieser Gene und trägt deshalb auch nur einen Rezeptortypen an der Oberfläche. Als erstes Labor weltweit konnten wir 1999 den Rezeptor Nr. 40 von Chromosom 17 charakterisieren, der auf den Duft von frischer Meeresbrise (Helional) antwortete [2]. Einige Jahre später (2003) gelang uns dies auch für einen zweiten menschlichen Rezeptor hOR17-4, der maiglöckchenähnliche Moleküle (Bourgenoal, Cyclamal, Lilial) erkennt [3].


Abb. 2: Molekulare Struktur eines menschlichen Riechrezeptors A und seiner hypthetischen Bindestelle B

Inzwischen sind erst vier weitere Rezeptoren weltweit hinzugekommen, zwei aus unserem Labor (Veilchenduft und süße Früchte). Nach einer vollständigen Entschlüsselung aller Rezeptoren hätte man ein komplettes Abbild der menschlichen Nase.
Neben dem Auffinden eines aktivierten Duftes gelang uns vor wenigen Jahren, erstmals auch einen blockierenden Duft (Antiduft, kompetitiver Antagonist) für einen der menschlichen Rezeptoren zu entdecken. Wir konnten zeigen, dass in Gegenwart von Undecanal sehr spezifisch nur der Maiglöckchengeruch nicht mehr wahrnehmbar ist. Dies eröffnet interessante technische Möglichkeiten für die Zukunft. Sollte es gelingen, z.B. den menschlichen Rezeptor für Schweißgeruch zu finden, könnte ein Antiduft helfen, selektiv den Schweißduft auszublenden.


Abb. 3: Umsetzung eines Duftreizes in eine elektrische Zellantwort

Riechrezeptoren außerhalb der Nase

Mithilfe von molekularbiologischen und elektrophysiologischen Methoden konnten wir bereits 1994 zeigen, dass menschliche Spermien einen durch cAMP-aktivierbaren Kanal besitzen, der große Ähnlichkeit hat mit dem Kanal in Riechsinneszellen [4]. 2003 konnten wir dann den Nachweis erbringen, dass ein Riechrezeptor (hOR17-4), der Maiglöckchen riechen kann, in menschlichen Spermien funktionsfähig vorliegt [5]. Folgerichtig lassen sich menschliche Spermien durch Maiglöckchenduft „erregen“. Die Kalziumkonzentration steigt an und beeinflusst dadurch die Schwimmbewegung. Verhaltensexperimente zeigten, dass Spermien sich entlang eines Maiglöckchenduftkonzentrationsgradienten bewegen, zur Duftquelle schwimmen (positive Chemotaxis) und sogar die Schwimmgeschwindigkeit dabei verdoppeln. Durch Analysen der die Eizelle umgebenden Flüssigkeit konnte gezeigt werden, dass sich dort ein Maiglöckchen ähnliches Duftmolekül befindet und dieser Lockstoff ein guter Kandidat ist, um den Spermien den langen Weg zur Eizelle zu weisen. Der für den Rezeptor von uns erstmals entwickelte Antiduft (Undecanal) [5] sollte auch in der Lage sein, die Duftwahrnehmung der Spermien zu blockieren und damit eine empfängnisverhütende Wirkung auszu-üben.
Vor kurzem gelang es uns, sogar in Prostatazellen einen menschlichen Riechrezeptor aus der Nase nachzuweisen, den Rezeptor OR51-E2. Wir konnten zeigen, dass er durch Veilchenduft (Beta-Ionon) aktiviert werden kann. Interessanterweise hat das Veilchenduftmolekül strukturelle Ähnlichkeit mit einem Stoffwechselprodukt des männlichen Sexualhormons Testosteron, dem Dehydrotestosteron (DHT). Auch dieses Steroid kann den Rezeptor aktivieren und könnte der physiologisch relevante Ligand sein. Da Prostatakarzinomzellen diesen Rezeptor in großen Mengen produzieren, war es naheliegend zu untersuchen, welche Bedeutung Veilchenduft für die Krebszelle hat. Zu unserer Überraschung verringerte sich nach Zugabe von Veilchenduft (oder DHT) die Proliferationsrate der Prostatazellen drastisch. Das Tumorwachstum kam zum Stillstand [6]. Damit eröffnen sich neue therapeutische Möglichkeiten für die Behandlung von Prostatakarzinom. Allerdings müssen erst zurzeit laufende Tierexperimente zeigen, ob sich der Effekt reproduzieren lässt und anschließend muss die Übertragbarkeit auf den Menschen geprüft werden.


Abb. 5: Calcium-Imaging an menschlichen Prostatazellen


Literatur beim Autor

Foto 1: © photocase.de | emma75
Foto 2-5: © Prof. Dr. Dr. Dr. Hanns Hatt

Stichwörter:
Riechen, Riechrezeptoren, Duft, Riechforschung, Geruchssinn, Riechhirn

L&M 3 / 2009

Diese Artikel wurden veröffentlicht in Ausgabe L&M 3 / 2009.
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