E25 Chemische Substanzen und molekularer Transport

Thema

Diese Chemorezeption, sei es Geruch, Geschmack oder die Chemotaxis eines viel einfacheren Organismus, basiert auf der Detektion eines einzelnen Moleküls oder einer kleinen Molekülgruppe – derselben physikalischen Größe, die ein anderes Modell dieses Systems als die einzige definiert, die ein Chemorezeptor direkt erfassen kann. Dieser Prozess beginnt mit dem Transport dieser Moleküle von ihrer Quelle zum Chemorezeptor. Die freie Diffusion dieser Moleküle in der sie transportierenden Luft verläuft an sich sehr langsam, doch die Konvektion dieser Luft beschleunigt ihren Transport erheblich. Dadurch entstehen Duftfahnen, denen ein Tier aktiv folgt, anstatt auf die freie Diffusion zu warten.

Die Bindungskinetik zwischen diesem Rezeptor und seinem Liganden folgt dem Hill-Modell: Bei nicht-kooperativer Bindung verläuft die Bindungskurve hyperbolisch in Abhängigkeit von der Ligandenkonzentration, während sie bei kooperativer Bindung, wie beispielsweise bei Hämoglobin, sigmoidförmig wird und in der Nähe der Dissoziationskonstante einen deutlich steileren Anstieg aufweist. Das menschliche Riechsystem weist daher für viele Duftmoleküle eine sehr niedrige typische Dissoziationskonstante auf und ist daher außerordentlich empfindlich gegenüber diesen. Die Tatsache, dass die Bindung zwischen Rezeptor und Ligand eher kooperativ ist, führt gemäß dem Hill-Modell dazu, dass die Bindungskurve in der Nähe dieser Dissoziationskonstante steiler verläuft.

Die Detektionsschwelle dieses Chemorezeptors quantifiziert somit die Mindestanzahl dieser Moleküle, die zu seiner Aktivierung erforderlich ist: Bei einem Insekten-Riechrezeptor kann diese Detektionsschwelle extrem niedrig sein und bereits wenige Moleküle eines bestimmten Pheromons ausreichen. Das Riechsystem einer Motte kann dieses Sexualpheromon daher in einer extrem niedrigen Konzentration in der Umgebungsluft wahrnehmen, die nur wenigen Molekülen in einem beträchtlichen Luftvolumen entspricht. Die Tatsache, dass diese Detektionsschwelle des Chemorezeptors noch niedriger ist, bedeutet, dass er dieses Duftmolekül in einer noch geringeren Konzentration in der Umgebungsluft detektieren kann.

Der Konzentrationsgradient dieses Duftmoleküls ist letztlich das Signal, das diese Chemotaxis steuert: Ein Bakterium wie Escherichia coli detektiert einen extrem geringen Konzentrationsunterschied zwischen seinen Extremwerten, und derselbe räumliche Gradient lenkt seine Bewegung hin zu einer höheren Konzentration, wenn das Molekül anziehend wirkt, oder zu einer niedrigeren Konzentration, wenn es abstoßend wirkt. Bei einem Säugetier kombinieren die Neuronen des Bulbus olfactorius die Signale von Tausenden dieser einzelnen Chemorezeptoren, um diesen räumlichen Duftgradienten gemeinsam zu erfassen. Dies geschieht präzise nach der gleichen optimalen Fusion unabhängiger Schätzer, die bereits in einem anderen Modell dieses Systems etabliert wurde, um die endgültige Varianz einer Schätzung zu reduzieren. Die Tatsache, dass dieses Säugetier Signale von einer noch größeren Anzahl dieser einzelnen Chemorezeptoren kombiniert, bedeutet, dass diese endgültige Erfassung des räumlichen Duftgradienten gemäß derselben optimalen Fusion folglich noch präziser ist.

Dieses Modell, das molekularen Transport und kooperative Bindung berücksichtigt, verwendet die Péclet-Zahl, um die Konvektion der Moleküle mit ihrer freien Diffusion zu vergleichen, welche die Grundlage des Modells bildet: Bei hoher Péclet-Zahl überwiegt der konvektive Transport die freie Diffusion, bei niedriger Péclet-Zahl hingegen die freie Diffusion. Die Schmetterlingsantenne befindet sich somit in einem Zwischenbereich beider Mechanismen, in dem sowohl Konvektion als auch freie Diffusion der Moleküle gleichzeitig eine Rolle spielen. Die Geometrie der Antenne, deren Form die der Luft ausgesetzte Oberfläche maximiert, maximiert folglich die molekulare Anlagerung innerhalb dieses Zwischenbereichs.

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