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1

 

 

objectives 

1. Explain how the mechanisms for sour and salty tastes are similar 
to each other, and how these differ from the mechanisms 
responsible for sweet and bitter tastes. 
2. Explain how odorant molecules stimulate the olfactory receptors. 

Taste and Smell 

The  receptors  for  taste  and  smell  respond  to  molecules  that 
are  dissolved  in  fluid;  hence,  they  are  classified  as 
chemoreceptors. 
Although  there  are  only  four  basic  modalities  of  taste,  they 
combine in various ways and are influenced by the sense of 
smell,  thus  permitting  a  wide  variety  of  different  sensory 
experiences. 

Chemoreceptors that respond to chemical changes in the internal 
environment  are  called  interoceptors;  those  that  respond  to 
chemical 

changes 

in 

the 

external 

environment 

are 

exteroceptors.  Included  in  the  latter  category  are  taste 
(gustatory)  receptors,  
which  respond  to  chemicals  dissolved  in 
food or drink, and smell (olfactory) receptors, which respond to 
gaseous  molecules  in  the  air.  This  distinction  is  somewhat 
arbitrary,  however,  because  odorant  molecules  in  air  must  first 
dissolve in fluid within the olfactory mucosa before the sense of 
smell  can    be  stimulated.  Also,  the  sense  of  olfaction  strongly 
influences the sense of taste, as can easily be verified by eating 
an  onion  (or  almost  anything  else)  with  the  nostrils  pinched 
together. 

Taste 

Gustation, the sense of taste, is evoked by receptors that consist 
of  barrel-shaped  taste  buds  (fig.).  Located  primarily  on  the 
dorsal surface of the tongue, each taste bud consists of 50 to 100 
specialized  epithelial  cells  with  long  microvilli  that  extend 
through  a  pore  in  the  taste  bud  to  the  external  environment, 
where  they  are  bathed  in  saliva.  Although  these  sensory 
epithelial  cells  are  not  neurons,  they  behave  like  neurons;  they 
become  depolarized  when  stimulated  appropriately,  produce 


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2

 

 

action  potentials,  and  release  neurotransmitters  that  stimulate 
sensory neurons associated with the taste buds. 
Taste  buds  in  the  anterior  two-thirds  of  the  tongue  are 
innervated  by  the  facial  nerve  (VII),  and  those  in  the  posterior 
third  of  the  tongue  by  the  glossopharyngeal  nerve  (IX). 
Dendritic  endings  of  the  facial  nerve  (VII)  are  located  around 
the  taste  buds  and  relay  sensations  of  touch  and  temperature. 
Taste sensations are passed to the medulla oblongata, where the 
neurons  synapse  with  second-order  neurons  that  project  to  the 
thalamus.  From  here,  third-order  neurons  project  to  the  area  of 
the  postcentral  gyrus  of  the  cerebral  cortex  that  is  devoted  to 
sensations from the tongue. 
The specialized epithelial cells of the taste bud are known 
as taste  cells.  The different categories of taste are produced by 
different chemicals that come into contact with the microvilli of 

these cells (figure). Four different categories of taste are traditionally 
recognized: salty, sour, sweet, and bitter. There may also be a fifth 
category of taste, termed umami (a Japanese term related to a meaty 
flavor), for the amino acid glutamate (and stimulated by the flavor-
enhancer  monosodium  glutamate).  Although    scientists  long 
believed  that  different  regions  of  the  tongue  were  specialized  for 
different tastes, this is no longer believed to be true. Indeed, is seems 
that  each  taste  bud  contains  taste  cells  responsive  to  each  of  the 
different taste categories! It also appears that a given sensory neuron 
may  be  stimulated  by  more  than  one  taste  cell  in  a  number  of 
different  taste  buds,  and  so  one  sensory  fiber  may  not  transmit 
information  specific  for  only  one  category  of  taste.  The  brain 
interprets  the  pattern  of  stimulation  of  these  sensory  neurons, 
together  with  the  nuances  provided  by  the  sense  of  smell,  as  the 
complex tastes that  we are capable of perceiving. 
The salty taste of food is due to the presence of sodium 
ions  (Na

),  or  some  other  cations,  which  activate  specific  receptor 

cells for the salty taste. Different substances taste salty to the degree 
that they activate these particular receptor cells. The Na



passes into 

the  sensitive  receptor  cells  through  channels  in  the  apical 
membranes. This depolarizes the cells, causing them to release their 
transmitter.  The  anion  associated  with  the  Na

,  however,  modifies 

the perceived saltiness to a surprising degree: 
NaCl tastes much saltier than other sodium salts (such as 


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sodium  acetate).  There  is  evidence  to  suggest  that  the  anions  can 
pass through the tight junctions between the receptor cells, and that 
the Cl

– 

anion passes through this barrier more readily than the other 

anions.  This  is  presumably  related  to  the  ability  of  Cl

to  impart  a 

saltier taste to the Na



than do the other anions. 

Sour taste, like salty taste, is produced by ion movement 
through  membrane  channels.  Sour  taste,  however,  is  due  to  the 
presence  of  hydrogen  ions  (H

);  all  acids  therefore  taste  sour.  In 

contrast  to  the  salty  and  sour  tastes,  the  sweet  and  bitter  tastes  are 
produced  by  interaction  of  taste  molecules  with  specific  membrane 
receptor proteins. 
Most organic molecules, particularly sugars, taste sweet to 
varying  degrees.  Bitter  taste  is  evoked  by  quinine  and  seemingly 
unrelated  molecules.  It  is  the  most  acute  taste  sensation  and  is 
generally  associated  with  toxic  molecules  (although  not  all  toxins 
taste  bitter).  Both  sweet  and  bitter  sensations  are  mediated  by 
receptors  that  are  coupled  to  G-proteins  .The  particular  type  of  G-
protein  involved  in  taste  has  recently  been  identified  and  termed 
gustducin. This term is used to emphasize the similarity to a related 
group of G-proteins, of a type called transducin, associated with the 
photoreceptors  in  the  eye.  Dissociation  of  the  gustducin  G-protein 
subunit activates second-messenger systems, 
leading to depolarization of the receptor cell (fig.). The stimulated 
receptor cell, in turn, activates an associated sensory neuron that 
transmits impulses to the brain, where they are interpreted as the 
corresponding taste perception. 
Although all sweet and bitter taste receptors act via G-proteins, the 
second-messenger systems activated by the 
G-proteins depend on the molecule tasted. In the case of the 
sweet taste of sugars, for example, the G-proteins activate 
adenylate cyclase, producing cyclic AMP (cAMP;  
The cAMP, in turn, produces depolarization by closing 
K



channels that were previously open. On the other hand, the 

sweet taste of the amino acids phenylalanine and tryptophan, 
as well as of the artificial sweeteners saccharin and cyclamate, may 
enlist different second-messenger systems. These involve the 
activation of a membrane enzyme that produces the second 
messengers inositol triphosphate (IP

3

) and diacylglycerol (DAG).  

 


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Figure 

A taste bud. Chemicals dissolved in the fluid at the pore bind to 

receptor proteins in the microvilli of the sensory cells. This ultimately 
leads to the release of neurotransmitter, which activates the associated 
sensory neuron. 

 


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Figure 

The  four  major  categories  of  taste.  Each  category  of  taste 

activates  specific  taste  cells  by  different  means.  Notice  that  taste  cells  for 

salty  and  sour  are  depolarized  by  ions  (Na



and  H

,  respectively)  in  the 

food, whereas taste cells for sweet and bitter are depolarized by sugars and 
quinine,  respectively,  by  means  of  G-protein-coupled  receptors  and  the 
actions of second messengers

 

Adenylate Cyclase

–Cyclic AMP Second-Messenger System 

Cyclic  adenosine  monophosphate  (abbreviated  cAMP

was  the  first 

“second messenger” to be discovered and is the best understood. 

When epinephrine and norepinephrine bind to their 

-adrenergic 

receptors the effects of these hormones are due to cAMP production 
within the target cells. It was later  discovered that the effects of 
many (but not all) polypeptide and glycoprotein hormones are also 
mediated by cAMP. 
When one of these hormones binds to its receptor protein, it 


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causes the dissociation of a subunit from the complex of G-proteins 
This G-protein subunit moves through the membrane until it reaches 
the enzyme adenylate (or adenylyl) cyclase (fig below). The G-
protein subunit then binds to and activates this enzyme, which 
catalyzes the following reaction within the cytoplasm of the cell: 

ATP 



   cAMP 



PP

Adenosine  triphosphate  (ATP)  is  thus  converted  into  cyclic  AMP 
(cAMP) and two inorganic phosphates (pyrophosphate,  bbreviated PP

i

). 

As  a  result  of  the  interaction  of  the  hormone  with  its  receptor  and  the 
activation of adenylate cyclase,

 

therefore, the intracellular concentration 

of cAMP is increased. 
Cyclic  AMP  activates  a  previously  inactive  enzyme  in  the  cytoplasm 
called protein kinase. The inactive form of this enzyme 
consists  of  two  subunits:  a  catalytic  subunit  and  an  inhibitory  subunit. 
The enzyme is produced in an inactive form and becomes 
active only when cAMP attaches to the inhibitory subunit. 
Binding of cAMP to the inhibitory subunit causes it to dissociate from the 
catalytic subunit, which then becomes active. 
 In  summary,  the  hormone

—acting  through  an  increase  in  cAMP 

production

—causes  an  increase  in  protein  kinase  enzyme  activity 

within  its  target  cells.  Active  protein  kinase  catalyzes  the 
phosphorylation  of  (attachment  of  phosphate  groups  to)  different 
proteins  in  the  target  cells.  This  causes  some  enzymes  to  become 
activated  and  others  to  become  inactivated.  Cyclic  AMP,  acting 
through  protein  kinase,  thus  modulates  the  activity  of  enzymes  that 
are already present in the target cell. 
This alters the metabolism of the 
target  tissue  in  a  manner  characteristic  of  the  actions  of  that  specific 
hormone. 
 


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The  adenylate  cyclase-cyclic  AMP  second-messenger  system.  The  
hormone causes the production of cAMP within the target cell cytoplasm, 
and  cAMP  activates  protein  kinase.  The  activated  protein  kinase  then 
causes  the    activation  or  inactivation  of  a  number  of  specific  enzymes. 
These  changes  lead  to  the  characteristic  effects  of  the  hormone  on  the 
target cell.

 

 
 

 


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Smell 

The receptors responsible for olfaction, the sense of smell, are located in 
the  olfactory  epithelium.  The  olfactory  apparatus  consists  of  receptor 
cells  (which  are  bipolar  neurons),  supporting  (sustentacular)  cells,  and 
basal (stem) cells. The basal cells generate new receptor cells every 1 to 2 
months to replace the neurons damaged by exposure to the environment. 
The  supporting  cells  are  epithelial

 

epithelial  cells  rich  in  enzymes  that 

oxidize  hydrophobic,  volatile  odorants,  thereby  making  these  molecules 
less lipid-soluble and thus less able to penetrate membranes and enter the 
brain. 
Each  bipolar  sensory  neuron  has  one  dendrite  that  projects

 

into  the  nasal 

cavity,  where  it  terminates  in  a  knob  containing  cilia  The  bipolar  sensory 
neuron  also  has  a  single  unmyelinated  axon  that  projects  through  holes  in  the 
cribriform  plate  of  the  ethmoid  bone  into  the  olfactory  bulb  of  the  cerebrum, 
where  it  synapses  with  second-order  neurons.  Therefore,  unlike  other  sensory 
modalities  that  are  relayed  to  the  cerebrum  from  the  thalamus,  the  sense  of 
smell is transmitted directly to the cerebral cortex. The processing of olfactory 
information  begins  in  the  olfactory  bulb,  where  the  bipolar  sensory  neurons 
synapse  with  neurons  located  in  spherically  shaped  arrangements  called 
glomeruli    Evidence  suggests  that  each  glomerulus  receives  input  from  one 
type of olfactory receptor. The smell of a flower, which releases many different 
molecular odorants, may be identified by the pattern of excitation it produces in 
the  glomeruli  of  the  olfactory  bulb.  Identification  of  an  odor  is  improved  by 
lateral  inhibition  in  the  olfactory  bulb,  which  appears  to  involve 
dendrodendritic synapses between neurons of adjacent glomeruli. 
Neurons  in  the  olfactory  bulb  project  to  the  olfactory  cortex  in  the  medial 
temporal  lobes,  and  to  the  associated  hippocampus  and  amygdaloid  nuclei. 
These structures are part of the limbic system, which was described in chapter 
8  as  having  important  roles  in  both  emotion  and  memory.  The  human 
amygdala,  in  particular,  has  been  implicated  in  the  emotional  responses  to 
olfactory  stimulation.Perhaps  this  explains  why  the  smell  of  a  particular  odor 
can  so  powerfully  evoke  emotionally  charged  memories.  The  molecular  basis 
of  olfaction  is  complex.  At  least  in  some  cases,  odorant  molecules  bind  to 
receptors  and  act 

through

  G-proteins  to  increase  the  cyclic  AMP  within  the  cell. 

This, in turn, opens membrane channels and causes the depolarization of the generator 
potential,  which  then  stimulates  the  production  of  action  potentials.  Up  to  fifty  G-
proteins  may  be  associated  with  a  single  receptor  protein.  Dissociation  of  these  G-
proteins  releases  many 

G-protein  subunits,  thereby  amplifying  the  effect 

many times. This amplification could account for the extreme 
sensitivity of the sense of smell: the human nose can detect a billionth of 
an ounce of perfume in air. Even at that, our sense of 
smell is not nearly as keen as that of many other mammals. 
A family of genes that codes for the olfactory receptor proteins has been 
discovered. This is a large family that may include as many as a thousand 


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genes. The large number may reflect the mportance of the sense of smell 
to mammals in general. Even a thousand  different genes coding for a 
thousand different receptor proteins, however, cannot account for the fact 
that humans can distinguish up to 10,000 different odors. Clearly, the 
brain must integrate the signals from several sensory neurons that have 
different olfactory receptor proteins and then interpret the pattern as a 
characteristic 

“fingerprint” for a particular odor.

 

 

Figure

:The neural pathway for olfaction. The olfactory epithelium contains receptor 

neurons  that  synapse  with  neurons  in  the  olfactory  bulb  of

  the  cerebral  cortex.  The 

synapses  occur  in  rounded  structures  called  glomeruli.  Secondary  neurons,  known  as 
tufted cells and mitral cells, transmit impulses from the olfactory bulb to the olfactory 
cortex  in  the  medial  temporal  lobes.  Notice  that  each  glomerulus  receives  input  from 
only  one  type  of  olfactory  receptor,  regardless  of  where  those  receptors  are  located  in 
the olfactory epithelium. 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
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