Grundzüge von Geruch und Geschmack
Wie Riechzellen gebaut sind, welche Rezeptoren Duftstoffe erkennen und welche fünf Geschmacksqualitäten über eigene Geschmacksrezeptoren laufen.
Das Wichtigste in Kürze
- Geruch und Geschmack sind chemische Sinne: Ihre Sinneszellen sind Chemorezeptoren, die Moleküle in elektrische Signale übersetzen.
- Riechzellen sind primäre Sinneszellen: bipolare Neurone mit Dendrit und Axon, deren Zellkörper im Riechepithel und nicht im Gehirn liegt.
- Riechzellen werden zeitlebens aus Basalzellen als Stammzellen nachgebildet.
- Olfaktorische Rezeptoren sind G-Protein-gekoppelte Rezeptoren, codiert von mehreren hundert Genen. Jede Riechzelle trägt nur einen Rezeptortyp.
- Die fünf Geschmacksqualitäten sind süß, sauer, salzig, bitter und umami. Scharf entsteht über den Schmerzkanal TRPV1.
- Gustatorische Rezeptoren werden von einigen Dutzend Genen codiert, nicht von mehreren tausend.
Worum es geht
Geruch und Geschmack sind chemische Sinne. Ihre Sinneszellen reagieren auf Moleküle, nicht auf Licht, Schall oder Druck. In der Pharmazie begegnet dir das etwa, wenn ein bitterer Arzneistoff in einem Kindersaft geschmacklich überdeckt werden muss.
Riechepithel und Riechzellen
Das Riechen beginnt im Riechepithel im Dach der Nasenhöhle. Duftstoffe lösen sich dort im Nasenschleim und treffen auf Chemorezeptoren. So heißen Sinneszellen, die chemische Reize in elektrische Signale übersetzen.
Das Epithel enthält drei Zelltypen. Stützzellen halten und versorgen das Gewebe. Basalzellen liegen unten und dienen als Stammzellen. Dazwischen sitzen die Riechzellen, die eigentlichen Sinneszellen.
Die Riechzelle ist ein Neuron
Eine Riechzelle ist ein bipolares Neuron mit Dendrit und Axon. Der Dendrit zieht zur Oberfläche und endet im Riechkolben. Von dort ragen Zilien in den Schleim, die die Rezeptoren tragen. Das Axon zieht durch die Lamina cribrosa des Siebbeins zum Bulbus olfactorius. Dort bildet es in einem Glomerulus Synapsen mit Mitralzellen. Die gebündelten Axone bilden den Riechnerv, den N. olfactorius. Vom Bulbus läuft die Information weiter zum olfaktorischen Cortex.
Der Zellkörper der Riechzelle liegt also im Epithel der Nase und damit nicht im Gehirn. Nur ihr Axon erreicht das Gehirn.
Eine primäre Sinneszelle nimmt den Reiz auf und leitet die Erregung über ein eigenes Axon weiter. Sie ist damit selbst ein Neuron.
Riechzellen sind in diesem Sinn primäre Sinneszellen. Sie liegen offen zur Außenwelt und werden durch Schadstoffe und Infekte ständig beschädigt. Deshalb leben sie nur etwa ein bis zwei Monate. Aus den Basalzellen werden sie zeitlebens nachgebildet. Für Neurone ist das eine seltene Ausnahme.
Olfaktorische Rezeptoren
Die olfaktorischen Rezeptoren sitzen in der Membran der Zilien. Sie sind G-Protein-gekoppelte Rezeptoren mit sieben Transmembranhelices, gehören also zu den metabotropen Rezeptoren. Bindet ein Duftstoff, aktiviert der Rezeptor ein G-Protein. Über eine Kaskade mit cAMP öffnen sich Kationenkanäle, und die Riechzelle depolarisiert. Die Einzelheiten dieser Kaskade stehen bei der G-Protein-vermittelten Signaltransduktion.
Der Rezeptor selbst ist also kein Ionenkanal und schon gar kein spannungsgesteuerter. Er reagiert auf ein Molekül, nicht auf eine Spannungsänderung. Spannungsgesteuerte Natriumkanäle kommen erst danach ins Spiel, wenn am Axon Aktionspotentiale entstehen.
Eine riesige Genfamilie
Beim Menschen codieren mehrere hundert Gene olfaktorische Rezeptoren, etwa 350 bis 400 funktionsfähige. Das ist eine der größten Genfamilien des Genoms. Jede Riechzelle exprimiert nur einen Rezeptortyp. Alle Riechzellen mit demselben Typ liegen verstreut im Epithel. Ihre Axone laufen aber im Bulbus auf denselben Glomerulus zusammen.
Ein Duftstoff bindet meist an mehrere Rezeptortypen, und ein Rezeptortyp erkennt mehrere Duftstoffe. Jeder Duft aktiviert so ein eigenes Muster von Glomeruli. Man kann sich das wie Akkorde auf einem Klavier vorstellen: Wenige hundert Tasten ergeben sehr viele Kombinationen. Mit diesem kombinatorischen Code unterscheidet der Mensch weit mehr Gerüche, als er Rezeptortypen besitzt.
Geschmack
Geschmack entsteht in den Geschmacksknospen der Zunge. Ihre Sinneszellen sind ebenfalls Chemorezeptoren. Sie besitzen aber kein Axon und sind damit sekundäre Sinneszellen. Ihre Erregung geben sie über Synapsen an afferente Nervenfasern weiter.
Eine Geschmacksqualität ist eine Grundart des Geschmacks, die über eigene Geschmacksrezeptoren erkannt wird. Es gibt fünf davon:
| Qualität | typischer Auslöser | Rezeptor |
|---|---|---|
| süß | Zucker, Süßstoffe | T1R2/T1R3, G-Protein-gekoppelt |
| umami | Glutamat | T1R1/T1R3, G-Protein-gekoppelt |
| bitter | Chinin, viele Alkaloide und Arzneistoffe | T2R-Familie, G-Protein-gekoppelt |
| salzig | \(\ce{Na+}\) | Natriumkanal ENaC |
| sauer | \(\ce{H+}\) | Protonenkanal |
Die Bitterrezeptoren erklären, warum so viele Arzneistoffe unangenehm schmecken. Bitter warnt vor möglichen Giften.
Capsaicin aus Chili und Piperin aus Pfeffer erregen keine Geschmacksrezeptoren. Sie aktivieren den Hitze- und Schmerzkanal TRPV1 an freien Nervenendigungen des N. trigeminus, also Nozizeptoren.
Wenige Gene für den Geschmack
Für den Geschmack braucht das Genom nur wenige Gene. Die T1R-Familie umfasst drei Gene, die Bitterrezeptoren rund 25. Gustatorische Rezeptoren werden also von einigen Dutzend Genen codiert, nicht von mehreren tausend. Das ist weit weniger als beim Geruch.
primäre Sinneszelle mit eigenem Axon, mehrere hundert Rezeptorgene, zeitlebens aus Basalzellen erneuert
sekundäre Sinneszelle ohne Axon, Synapse auf afferente Faser, einige Dutzend Rezeptorgene
Quiz
Aussage 1
Untergegangene Riechzellen können beim Erwachsenen aus Basalzellen neu gebildet werden.
Die Basalzellen des Riechepithels dienen als Stammzellen und bilden zeitlebens neue Riechzellen.
Aussage 2
Für Geschmacksrezeptoren codiert das menschliche Genom deutlich weniger Gene als für Geruchsrezeptoren.
Geschmacksrezeptoren werden von einigen Dutzend Genen codiert, Geruchsrezeptoren von mehreren hundert.
Aussage 3
Die Zellkörper der Riechzellen liegen im Bulbus olfactorius.
Die Zellkörper liegen im Riechepithel der Nase. Nur ihre Axone ziehen durch die Lamina cribrosa zum Bulbus olfactorius.
Aussage 4
Olfaktorische Rezeptoren sind spannungsgesteuerte Ionenkanäle in der Membran der Zilien.
Olfaktorische Rezeptoren sind G-Protein-gekoppelte Rezeptoren. Sie reagieren auf Duftmoleküle, nicht auf Spannungsänderungen.
Aussage 5
Riechzellen besitzen ein eigenes Axon und zählen deshalb zu den primären Sinneszellen.
Riechzellen sind bipolare Neurone und leiten die Erregung über ihr eigenes Axon weiter.
Aussage 6
Die Schärfe von Capsaicin wird über einen eigenen Geschmacksrezeptor in den Geschmacksknospen erkannt.
Capsaicin aktiviert den Hitze- und Schmerzkanal TRPV1 an Nervenendigungen des N. trigeminus. Scharf ist keine Geschmacksqualität.
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