Гурманы уверены, что на вкус еды может влиять все что угодно — от ее внешнего вида и цвета посуды до размера чека. Тем не менее, среди всего спектра ощущений, которые сопровождают завтрак, обед и ужин, физиологи разделяют вкусы «настоящие» и «ненастоящие».

«Настоящие» вкусы всегда связаны с работой вкусовых сосочков, которые расположены на языке и содержат специальные скопления клеток — вкусовые почки. В них содержатся клетки, которые несут белки-рецепторы и передают сигнал на нейроны и, в конечном итоге, в мозг. Анатомия и физиология этого процесса хорошо известна и давно вошла в учебники. Что же нового удалось узнать о вкусе биологам за последние годы? Оказывается, довольно много.

4=2+2. Соленое и кислое

Согласно традиционной западной классификации, существуют четыре основных вкуса: кислое, соленое, горькое и сладкое. Все они кажутся совершенно разными и примерно равно далекими друг от друга. Тем не менее, исследования, которые стали возможны только с расцветом молекулярной биологии, показали, что соленый и кислый вкусы очень близки друг к другу и принципиально отличаются от сладкого и горького.

И соленый, и кислый вкусы зависят от очень близких с химической точки зрения веществ — небольших ионов, несущих единственный положительный заряд. Для соленого это катионы натрия, для кислого — ионы водорода. Рецепторами для тех и других являются ионные каналы — белки, пронизывающие клеточную мембрану и способные пропускать через себя поток ионов определенного заряда и размера. Этот поток, в свою очередь, изменяет электрический потенциал на мембране и приводит к возбуждению клетки.

Удивительно, но хотя принципиальный механизм работы рецепторов давно понятен, конкретный белок, который выступает в качестве рецептора соленого вкуса, до сих пор не найден. Что касается восприятия кислого, то его белок-канал ученые нашли только в 2006 году. Им оказался PKD2L1 (возможно, ему помогает PKD1L3), который, кроме основной работы во вкусовых почках, участвует в мониторинге кислотности спинно-мозговой жидкости. И в том и в другом случае природа кислотности (концентрация ионов водорода) и рецептор, который его воспринимает, идентичны. Но «кислого вкуса» спинномозговой жидкости мы, конечно, не ощущаем. Происходит это потому, что нервные окончания с этой информацией не приходят во «вкусовые» центры обработки.

С кислым, как и с многими другими вкусами, существует большая вариабельность в восприимчивости, которая, полагают ученые, зависит от уровня синтеза соответствующих рецепторов в разном возрасте. Возможно, именно этим определяется, например, любовь детей к леденцам.

Зеркальные молекулы. Сладкое

Рецепторы сладкого и горького принципиально отличаются от ионных каналов, которые отвечают за кислое и соленое. Первые относятся к группе рецепторов GPCR (G protein-coupled receptor — G белок-опосредованные рецепторы), за открытие которых в 2012 году Роберт Лефковиц и Брайан Кобилка получили Нобелевскую премию. Эти белки не переправляют вещества с одной стороны мембраны на другую, как это делают ионные каналы, а работают по-другому. При связывании сигнальной молекулы (например, сахара) снаружи от клетки, рецепторы активируют G-белок, который присоединен к нему изнутри (в случае вкусовых рецепторов он называется гастдуцин). G-белок запускает цепь реакций, которые, в конце концов, приводят к возбуждению нижележащих нейронов.

Отвечающие за сладкий вкус рецепторы называются T1R2 и T1R3. Эти GPCR расположены на мембранах вкусовых клеток попарно, в комбинациях T1R2+3 и T1R3+3. Разные типы сладких молекул связываются либо с обоими белками из пары, либо с каким-то одним из них.

Спектр «сладких» молекул, которые присоединяются к ним, очень широк. Сладким вкусом в той или иной степени обладают множество разновидностей моно- (глюкоза, фруктоза) и дисахаридов (сахароза, лактоза), и даже некоторые аминокислоты (глицин). Несмотря на такой разброс, зеркальные стереоизомеры «сладких» молекул (например L-глюкоза или L-фруктоза), которые в обычных химических реакциях от них никак не отличаются, сладкого вкуса не имеют. Это определяется тем, что белок образует для сахаров место посадки, под которое подходят только «правильные» стереоизомеры.

Мало кто знает, но помимо природных сахаров и искусственных подсластителей с рецепторами сладкого могут связываться и ингибиторы, например лактизол. Это ароматическое вещество присоединяется к белку T1R3 и не дает молекулам сахаров активировать рецептор. Раствор сахара в присутствии лактизола воспринимается в три раза менее сладким.

Тягу к сладкому мы разделяем с большинством живых организмов, даже бактериями. Исключение составляют, например, кошки. В 2005 году ученые выяснили, что из-за того, что они питаются мясом, соответствующий рецептор у них сломался, и сладкого они просто не ощущают. В 2012 году оказалось, что безразличны к сладкому и многие другие хищники. Среди них такие разные животные, как дельфины-афалины, морские львы, очковый медведь и мадагаскарская фосса. Интересно, что у всех них гены рецепторов «ломались» по-разному и независимо друг от друга, что является типичным примером конвергентной эволюции.

Что касается человека, то уже новорожденные младенцы, если им предлагают на выбор несколько растворов, сравнимых по сладости с молоком, предпочитают наиболее сладкие из них. На заре эволюции это была вовсе не вредная привычка, приводящая к ожирению и кариесу, а полезная опция, позволяющая выбирать пищу, богатую углеводами, а значит, калорийную и легко усвояемую.

Почему сладкая еда доставляет нам удовольствие? На мышах показано, что после употребления сахара в разных отделах мозга повышается уровень дофамина — нейромедиатора, который участвует в возникновении ощущений награды и удовольствия. Однако не только активация вкусовых клеток может вызывать положительное подкрепление. Существуют данные, согласно которым глюкоза, которая легко проникает в мозг, может воздействовать на дофаминовую систему напрямую, минуя рецепторы вкуса. Если эти данные подтвердятся, это будет означать, что глюкозу приятно есть даже тем, кто не чувствует сладкого.

25 оттенков. Горькое

Если рецепторов для сладкого всего два, то горький вкус гораздо сложнее — для него существует целых 25 вариантов рецепторов, принадлежащих к подгруппе T2R. Показано, что большинство из них действительно участвуют в распознавании разных типов горьких веществ. Всего компонентов, определяемых как горькие, около 550, для ста из них найден свой тип рецептора. Такая внимательность животных к горькому вкусу неудивительна — в отличие от остальных вкусов, он несет предупреждающую, защитную функцию. Рецепторы горького нужны прежде всего для того, чтобы отличать несъедобные, токсичные и ядовитые вещества.

Восприятие горького вкуса разными людьми является отличной иллюстрацией к пословице «на вкус и цвет товарища нет». В зависимости от вариантов генов вкусовых рецепторов, их носители воспринимают вкус по-разному. Классической моделью здесь является чувствительность разных людей к двум синтетическим веществам — пропилтиоурацилу (PROP) и фенилтиокарбамиду (PTC). В зависимости от варианта гена рецептора (TAS2R38), люди либо воспринимают эти компоненты как очень горькие (в среднем, это около 70 процентов популяции), либо не чувствуют вовсе.

Любопытно, что похожие на PROP по структуре вещества содержатся в растениях рода Brassica, к которому относятся цветная капуста и брокколи. Поэтому считается, что нелюбовь к брокколи может быть предопределена генетически (хотя пока это спорный вопрос). Восприятие эталона горечи, хинина, который является известным лекарством от малярии, также генетически обусловлено. Носители одних вариантов T2R начинают чувствовать присутствие хинина в очень малых дозах, а носителям других нужно гораздо больше.

Пятый вкус. Умами

Если существование сладкого и горького вкусов признавали еще тысячи лет назад, вкус умами вошел в основной список относительно недавно, пару десятилетий назад. Родина умами — Япония, именно там еще в начале XX века, экспериментируя с традиционной кухней, последовательно открыли компоненты, придающие еде особый пикантный (примерно так переводится с японского «умами») вкус. Это вкус, непохожий ни на один из известных четырех.

Японский химик Кикунаэ Икеда стал первым, кто обнаружил, что ключевой «вкусной» составляющей супа из ламинарии является глутамат — соль глутаминовой кислоты (одна из 20 аминокислот, составляющих белки у живых организмов). Позднее был разгадан секрет сушеного тунца — в качестве необходимого вещества для придания ему вкуса был идентифицирован рибонуклеотид инозин монофосфат. Наконец, из грибов шиитаке Акира Кунинака выделил другой нуклеотид — гуанозин монофосфат. Он также выяснил, что рибонуклеотиды сами по себе не имеют вкуса, а только усиливают восприятие основного источника умами — глутамата. Долгое время было непонятно, каким образом это происходит, и только в последние годы было показано, что молекулы рибонуклеотидов связываются с рецепторами глутамата, усиливая таким образом взаимодействие между белком и его главным лигандом. Химики называют это аллостерическим активированием. Это открытие позволило разгадать многие традиционные сочетания в кухнях народов мира, например, сочетание пармезана с томатной пастой и грибами в итальянской кухне. Оказалось, что сыр и томаты богаты глутаминовой кислотой, а грибы — инозин монофосфатом.

Надо сказать, что предприимчивый Икеда не только открыл, что глутамат натрия является источником вкуса умами, но и запатентовал его производство. Уже через год после открытия, в 1909 году, была основана компания «Аджиномото», которая стала производить глутамат в качестве пищевой добавки. С тех пор эта компания выросла в транснациональную корпорацию, а в 1985 году умами официально был признан вкусом.

Рецепторы глутамата участвуют не только в восприятии вкуса. Белок mGluR4 локализован в мозге на мембранах определенных нейронов и отвечает за связывание внеклеточного глутамата, который здесь выступает в роли нейромедиатора и участвует в передаче сигнала между нейронами. Рецептором вкуса умами является расположенная на языке укороченная форма этого же белка. Концентрация глутамата в мозге очень мала, поэтому мозговые рецепторы к нему очень чувствительны. Укороченная форма, отвечающая за восприятие вкуса, обладает в тысячу раз меньшей чувствительностью. Так же, как и белки из TR-группы, mGluR4 принадлежит к семейству GPCR. Помимо него, в восприятии вкуса умами участвуют те же рецепторы, что и для сладкого — T1R, но в другой комбинации — T1R1+T1R3.

Шестое чувство. Жирное

Если мы способны распознавать на вкус пищу, богатую углеводами (сладкую) и белками (умами), логично предположить, что должен существовать рецептор и для третьей составляющей рациона — жиров.

Действительно, в 2005 году выяснилось, что мыши способны различать «вкус жира», причем в этом участвует белок CD36. Если обычно мыши тяготеют к жирной пище (да и люди тоже), то после выключения CD36 они становились к ней равнодушны.

В прошлом году американские ученые подтвердили и способность людей различать на вкус присутствие в абсолютно одинаковых по консистенции и запаху растворах наличие жира. Так же как и у грызунов, рецептором жира, а точнее, жирных кислот, оказался CD36. Жиры в пище чаще всего присутствуют в форме триглицеридов, то есть эфиров жирных кислот и глицерина. Если мыши оказались способны различать только свободные жирные кислоты, люди чувствуют присутствие в пище как свободных жирных кислот, так и триглицеридов. Эта способность объясняется наличием в нашей слюне пищеварительного фермента липазы, которая частично отщепляет жирные кислоты от триглицеридов уже во рту.

CD36 относится к семейству скэвенджер-рецепторов (фагоцитарных рецепторов), которые, помимо всего прочего, распознают «испорченные» липиды. В составе вкусовых клеток он выполняет функцию сенсора жирных кислот. Вместе с ним эту функцию, предположительно, выполняет белок GPR120 из семейства GPCR. Эти рецепторы не только сигнализируют нам о том, что пища жирная, а значит энергетически ценная, но и запускают сложную цепочку гормональных реакций, результатом которой становится выделение пищеварительных ферментов, в частности, липазы, и изменение пищевого поведения. Из-за этой причинно-следственной связи (рецептор — пищевое поведение), а также из-за выраженной связи между тягой к жирной пище и разными вариантами гена CD36, новый вкус сразу же стал объектом пристального изучения. Чем больше синтезируется белка CD36, тем сильней человек способен ощущать «вкус жира». Предполагается, что искусственно изменяя CD36-зависимую регуляцию, можно будет охлаждать нашу любовь к жирной пище.

Любовь к мелу. Кальций

Похоже, что с развитием молекулярной биологии новые вкусы будут появляться каждый год, и кислому с соленым придется потесниться. Кальций — необходимый компонент диеты; помимо того, что он играет важную роль в организации внутриклеточных сигнальных каскадов, кальций необходим для формирования костей. Многие животные, чтобы удовлетворить потребность организма в кальции, ищут его соли в природе. Люди тоже не являются исключением — маленькие дети нет-нет да начинают есть мел и известку.

Человек определенно различает вкус кальция, и в 2008 году ученые обнаружили к нему рецептор. Им оказался уже известный нам T1R3, который отвечает за распознавание сладкого и умами. В норме, когда кальция хватает, его вкус не нравится ни мышам, ни людям. Однако, как водится, носители некоторых генетических вариантов T1R3 к нему тяготеют: когда исследователи проверили восприимчивость к веществу сорока разных линий мышей, оказалось, что одни из них жадно лакали водичку с лактатом кальция, в то время как остальные ее пить не стремились.

То в жар, то в холод

Разберемся теперь с ощущением, которое традиционно считается вкусом, хотя фактически им не является — оно не связано со вкусовыми сосочками и специализированными клетками, которые в них присутствуют. Речь идет об острой и жгучей пище.

Как уже достаточно давно выяснили биологи, жгучая еда оправдывает свое название — ее компоненты активируют рецепторы тепла. Они, как и рецепторы кислого и соленого, являются ионными каналами, но при этом относятся к совершенно другому семейству — TRP. Эти рецепторы находятся на окончаниях тройничного нерва и отвечают за восприятие температуры, а также являются рецепторами боли. Через тройничный нерв также передается тактильная информация, например о текстуре пищи.

Казалось бы, зачем употреблять в пищу вещества, которые активируют рецепторы боли? Точного ответа на этот вопрос пока нет, но ученые уже нашли связь между рецепторами боли и вкусом. Оказалось, что жгучие вещества вроде капсаицина из перца чили, активируют болевые нервные волокна, которые в ответ выделяют нейропептиды тахикинины. А вкусовые клетки чувствительны к тахикининам, которые модулируют восприятие вкусовых рецепторов, по крайней мере, вкуса умами. Таким образом, действие пряностей состоит в том, чтобы усиливать «классические» вкусы — открытие, которое трудно назвать неожиданным.

В основе жгучих приправ лежит целый ряд веществ, которые все работают по тому же принципу — вызывают активацию TRP-рецепторов. Это капсаицин из перца чили, пиперин из черного перца, аллил изотиоцианат из горчицы и аллицин из чеснока. Все они в большой концентрации являются токсичными. Для сравнения жгучести перцев, содержащих капсаицин, придумана специальная шкала (шкала Сковилла). Внизу этой таблицы находится сладкий перец (паприка). Соус табаско имеет относительно мягкий вкус — всего около 2500 единиц шкалы, кайенский перец оценивается в 30000, самым же жгучим перцем считается индийский перчик Naga Jolokia, который имеет по шкале Сковилла около миллиона очков. Как ни странно, его тоже едят. А также используют в качестве химического оружия.

Некоторые вещества также действуют на температурные рецепторы, но вызывают при этом обратную реакцию. Характерное для ментола и камфары чувство «холодка» на языке достигается путем активации ионного канала TRPM8 (капсаицин активирует в основном TRPV1 и TRPA1). Если в норме этот канал активируется при температуре ниже 37, ментол снижает температуру его активации, и локальное ощущение холода возникает при нормальной температуре тела. Благодаря этим рецепторам у нашего языка есть уникальная возможность чувствовать жар и холод одновременно — попробуйте поесть перчика и запить его мятным чаем.

Какова на вкус батарейка?

Большинство читателей наверняка знают ответ на этот вопрос. Мнения обычно разделяются между кислым, соленым и «металлическим». Многие считают, что такой же металлический привкус имеет кровь. Для металлического вкуса нет никаких специальных рецепторов, и как он возникает, не до конца понятно. Считается, однако, что «эталоном» металлического вкуса является вкус раствора сульфата железа.

Чтобы прояснить механизм возникновения «металлического вкуса», ученые в 2004 году провели серию экспериментов, в ходе которых давали добровольцам пробовать растворы солей разных металлов и лизать металлическую фольгу и батарейки. Выяснилось, что вкус сульфата железа пропадает, если зажать нос, то есть на самом деле это не вкус, а обонятельная реакция. Так как раствор железа никак не пахнет (ни ионы железа, ни сульфат-ионы не способны покинуть воду), предполагается, что железо во рту вызывают быстрое окисление липидов, что приводит к высвобождению «пахучих» компонентов.

Металлический привкус крови также можно объяснить высвобождением железа из гемоглобина. Однако электрическая стимуляция (то, что происходит при лизании батарейки) по-видимому, действительно напрямую активирует рецепторы вкуса. По крайней мере, вкусовые клетки второго и третьего типов обладают свойством электровозбудимости. Еще более сложной картину делает тот факт, что искусственные подсластители, типа сахарина, приводят к ощущению металлического привкуса во рту через активацию упомянутого выше рецептора TRPV1.

Сычуаньский перец.Вибрация

«Вкусология» — относительно молодая наука. На молекулярном уровне основные открытия в ней начались только в последние 20 лет, — например, рецепторы для основных вкусов были идентифицированы лишь в начале 2000-х годов. Даже знакомая людям в течение тысячелетий пища подкидывает сюрпризы, как это случилось с сычуаньским перцем, вкус которого оказался вибрацией.

Авторы исследования показали, что ощущения покалывания от сычуаньского перца проводятся тем же нервными волокнами RA1, которые задействованы и в механорецепции. Оказалось, что десенсибилизация (утомление) слизистой с помощью простого механического вибратора приводит к изменению «вкуса» приправы: пощипывания снижают свою частоту.

Очевидно, что это открытие могло бы быть сделано довольно давно, никаких особо современных методов для исследования ученые не использовали. Тем больше сюрпризов можно ждать от привычных веществ, когда за них возьмутся ученые, располагающие новейшим научным арсеналом.