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Nobelpreise 2004: Eine ausgezeichnete Nase

Richard Axel und Linda Buck heißen die diesjährigen Laureaten, die den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin erhalten. Die beiden amerikanischen Forscher werden für ihre grundlegenden Arbeiten über die Geruchsrezeptoren und die Organisation des Riechsystems ausgezeichnet.
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Vielleicht wird so mancher bei diesem Forschungsfeld die Nase rümpfen: Geruchssinn. Schließlich gelten Sehen und Hören als die "höheren" Sinne des Menschen; Riechen als "niederer" Sinn musste sich dagegen auch innerhalb der Forschergilde lange Zeit mit einem Schattendasein begnügen. So sind die Prozesse im Auge und im Ohr auch schon lange gut bekannt – was sich allerdings in der Nase abspielt, blieb bis in die 1990er Jahre weit gehend rätselhaft.

Die Schwierigkeit liegt in der Vielfalt der Signale, die chemische Sinnesorgane – zu der neben der Nase auch die Zunge gehört – registrieren sollen. Im menschlichen Auge gibt es neben den farbenblinden Stäbchen nur drei verschiedene Zapfentypen, welche als Lichtsinneszellen die Farben blau, grün und rot wahrnehmen können. Die menschliche Nase – sie gilt ja unter Säugetieren als eher unterentwickelt – kann jedoch etwa 10 000 verschiedene Duftstoffe voneinander zielsicher unterscheiden. Wie macht sie das?

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Richard Axel und Linda Buck | Den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 2004 erhalten Richard Axel (links) und Linda Buck.
Den entscheidenden Durchbruch bei der Lösung dieses Rätsels gelang Linda Buck und Richard Axel. Im Jahr 1991 veröffentlichten die beiden Forscher, die damals am Howard Hughes Medical Institute an der Columbia-Universität in New York zusammengearbeitet hatten – der heute 58-jährige Axel arbeitet weiterhin in New York, die 57-jährige Buck wechselte inzwischen zum Fred-Hutchinson-Krebsforschungszentrum in Seattle – ihre Entdeckung: Wirbeltiere verfügen über eine ganze Genfamilie für Riechrezeptorproteine, welche die einzelnen Duftstoffe wahrnehmen können. Während Fische noch mit ungefähr hundert Stück auskommen, fanden Buck und Axel bei Mäusen – ihren Versuchstieren – etwa tausend verschiedene Gene. Auch beim Geruchsmuffel Homo sapiens liegt die Anzahl in dieser Größenordnung – wenn auch bei ihm etliche dieser Gene ihre Funktion im Laufe der Evolution einbüßen mussten. Doch auch beim Menschen beansprucht die Genfamilie der Riechrezeptoren immerhin drei Prozent des gesamten Erbguts.

Die Riechrezeptoren sitzen in den Riechsinneszellen der Nasenschleimhaut – genauer gesagt: in deren Zellmembran. Jeder Rezeptor, der als Proteinkette die Zellmembran insgesamt siebenmal durchquert, bildet an der Außenseite der Sinneszelle eine Art Tasche. Gelangen nun beim Einatmen verschiedene Duftmoleküle in die Nasenschleimhaut, dann finden diese ihre "zuständigen" Rezeptorproteine, da sie räumlich genau in diese Tasche passen.

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Geruchswahrnehmung | Die beiden Medizin-Nobelpreisträger Richard Axel und Linda Buck konnten die Vorgänge in der Nase weit gehend aufklären: Über die eingeatmete Luft gelangen Duftmoleküle in die Nasenschleimhaut und werden von Riechrezeptoren in der Zellmembran der Riechsinneszellen gebunden (1). Diese Bindung löst über eine biochemische Kaskade in den Sinneszellen Aktionspotenziale aus, die über den Riechnerv ins Gehirn gesendet werden. (2). Im Riechkolben sammeln spezifische Glomeruli die Informationen bestimmter Sinneszelltypen und senden sie an die Mitralzellen weiter (3). Die Mitralzellen sind wiederum mit höheren Hirnregionen verknüpft (4).
Die Bindung des Duftmoleküls an den Riechrezeptor löst eine biochemische Kaskade aus: Das Rezeptorprotein verändert seine räumliche Gestalt und aktiviert damit ein so genanntes G-Protein, das an der Innenseite der Zellmembran sitzt. Dieses G-Protein sorgt wiederum dafür, dass das Enzym Adenylatzyklase den Botenstoff cAMP herstellt, der daraufhin Ionen-Kanäle in der Zellmembran öffnet. Dadurch strömen positiv geladene Natrium- und Kalzium-Ionen aus dem Nasenschleim in die Sinneszelle ein und verändern damit das Membranpotenzial. Diese Spannungsänderung übersetzt die Sinneszelle in eine Abfolge von Aktionspotenzialen, welche über den Riechnerv ins Gehirn weitergeleitet werden.

Der besondere Trick hierbei: Ein einziges am Riechrezeptor gebundenes Duftmolekül genügt, um Tausende von cAMP-Molekülen frei zu lassen; ein einziges cAMP-Molekül kann Tausende von Ionen-Kanälen öffnen. Auf Grund dieser kaskadenartigen Verstärkung kann die Nase sehr empfindlich auf geringste Konzentrationen von Duftstoffen reagieren.

Axel und Buck haben nun herausgefunden, dass jede einzelne Riechsinneszelle nur einen einzigen Typ von den tausend verschiedenen Riechrezeptorproteinen herstellt. Allerdings reagiert dieser Riechrezeptor nicht nur auf einen einzigen Duftstoff, sondern bindet auch chemisch ähnlich gebaute Moleküle – antwortet dabei jedoch mit einem schwächeren Signal.

Die Spezialisierung der Riechsinneszellen setzt sich auf höherer Ebene fort. Denn wie die beiden Nobelpreisträger entdeckten, enden die Fortsätze aller Sinneszellen eines Typs im Riechkolben des Gehirns jeweils in einer bestimmten, genau abgegrenzten Region – dem Glomerulus. Jedes dieser Glomeruli sendet wiederum die Information an die nächste Instanz weiter, die Mitralzellen, die schließlich mit den höheren Hirnzentren verknüpft sind.

Jede Geruchsquelle – sei es eine duftende Rose, sei es ein stinkender Fisch – sondert nun eine ganze Palette von Geruchsstoffen ab. Derartige Gemische werden daher von verschiedenen Riechsinneszellen wahrgenommen, die wiederum verschiedene Glomeruli aktivieren. Das Mosaik der erregten Glomeruli sorgt letztendlich für die unterschiedliche wahrgenommene "Duftgestalt" einer Geruchsquelle.

Linda Buck und Richard Axel haben mit ihren Forschungen das Tor zu einem lange unterschätzten, aber durchaus lebenswichtigen Sinn aufgestoßen. Die Nase warnt uns vor Gefahren und schlechter Nahrung; ohne Geruchssinn schmeckt jedes Essen fad. Sie hilft bei der Orientierung und hält über Pheromone die innerartliche Kommunikation aufrecht – und hat daher auch bei der Wahl des Sexualpartners ein entscheidendes Wörtchen mitzureden.
05.10.2004

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 05.10.2004

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