หน่วยรับรส

โครงสร้างต่าง ๆ

ระบบรู้รส (gustatory system) นอกระบบประสาทกลางประกอบด้วยเซลล์รับรสในตุ่มรับรส (taste bud) ซึ่งก็อยู่ในปุ่มลิ้น (lingual papillae) โดยปุ่มลิ้น 3 ประเภทใน 4 ประเภทจะมีบทบาทในการรู้รส รวมทั้ง ปุ่มรูปเห็ด (fungiform papilla) ปุ่มรูปใบไม้ (foliate papilla) และปุ่มเซอร์คัมแวลเลต (circumvallate papilla) ส่วนปุ่มแบบที่สี่ คือ ปุ่มรูปเส้นด้าย (filiform papillae) ไม่มีตุ่มรับรส นอกจากในปุ่มเหล่านี้ หน่วยรับรสยังมีอยู่ที่เพดานปากและส่วนต้น ๆ ของทางเดินอาหาร เช่น กล่องเสียงและหลอดอาหารส่วนบน มีเส้นประสาทสมอง 3 เส้นซึ่งส่งข้อมูลรสและวิ่งไปจากเซลล์รับรสในโครงสร้างต่าง ๆ คือ เส้นประสาทเวกัส (vagus nerve, X) เส้นประสาทลิ้นคอหอย (glossopharyngeal nerve, IX) และเส้นประสาทเฟเชียล (facial nerve, VII)
ในปี 2010 นักวิจัยได้พบหน่วยรับรสขมที่เนื้อเยื่อปอด ซึ่งคลายทางเดินอากาศเมื่อประสบกับสารรสขม นักวิจัยเชื่อว่า กลไกนี้เป็นการปรับตัวทางวิวัฒนาการเพราะช่วยกำจัดเชื้อจากปอด แต่ก็สามารถถือเอาประโยชน์เพื่อรักษาโรคหืดและโรคปอดอุดกั้นเรื้อรัง

หน้าที่

การรู้รสช่วยให้สามารถกำหนดสารพิษและทานอาหารให้ถูกโภชนาการได้ มีรสหลัก ๆ 5 อย่างที่นักวิชาการยอมรับ คือ เค็ม หวาน ขม เปรี้ยว และอุมะมิ รสเค็มและเปรี้ยวจะตรวจจับผ่านช่องไอออน รสหวาน ขม และอุมะมิ จะตรวจจับด้วยหน่วยรับรสสกุล G protein-coupled receptor นอกจากนั้น ยั้งมีสารต่าง ๆ ที่สามารถเปลี่ยนปรุงแต่งรสชาติได้ เช่น miraculin และ curculin ที่ให้รสหวาน และ sterubin ที่สามารถกลบรสขมได้

G protein-coupled receptor

หน่วยรับรสขม หวาน และอุมะมิเป็น G protein-coupled receptor (GPCR) ที่มีโดเมนข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ 7 โดเมน เมื่อลิแกนด์จับกับหน่วยรับรส ก็จะเกิดลำดับการทำงานโดยอาศัยจีโปรตีนและโมเลกุลส่งสัญญาณที่สอง เพื่อทำให้เซลล์ลดขั้ว หน่วยรับรสขม TAS2R สัมพันธ์กับจีโปรตีน gustducin ซึ่งเป็น homologue ของ transducin ที่เป็นจีโปรตีนเกี่ยวกับการเห็น อย่างไรก็ดี บทบาทของ gustducin เทียบกับจีโปรตีนของหน่วยรับรสหวานและหน่วยรับรสอุมะมิก็ยังไม่ชัดเจน
อนึ่ง หน่วยรับรสแบบ GPCR เช่นนี้ จะมีลำดับการทำงานเหมือนกัน คือ จะเริ่มการทำงานของ isoform ของ phospholipase C คือ PLCβ2 ซึ่งทำให้ inositol triphosphate (IP₃) เข้มข้นขึ้น ทำให้หน่วยเก็บในเซลล์ปล่อย Ca²⁺ แล้วเปิดช่อง TRPM₅ (calcium-activated non-selective cation channel) ซึ่งทำให้เซลล์ลดขั้วอาศัยไอออน Na⁺ ที่ไหลเข้าช่อง แล้วนำไปสู่การหลั่งสารสื่อประสาทที่ฐานของเซลล์ในที่สุด

TRPM5

TRPM5 เป็นช่องแคตไอออนแบบไม่เลือกที่เปิดปิดโดยแคลเซียม (calcium-activated non-selective cation channel) ที่ทำให้เซลล์ลดขั้วเมื่อระดับแคลเซียมในเซลล์สูงขึ้น มันเป็นตัวอำนวยการส่งสัญญาณในเซลล์รับความรู้สึกจากสารเคมี ช่องจะเริ่มทำงานอาศัยการเพิ่มระดับแคลเซียมภายในเซลล์ โดยช่องจะปล่อยให้แคตไอออนเวเลนซ์เดี่ยว เช่น K+ และ Na+ ให้ไหลผ่าน TRPM5 เป็นองค์ประกอบสำคัญในการถ่ายโอนรสเป็นกระแสประสาทในรสขม หวาน และอุมะมิ เนื่องจากการมีระดับแคลเซียมในเซลล์ที่สูงขึ้น มันยังคาดว่า มีบทบาทในการส่งข้อมูลรสไขมัน การเปิดช่องอาศัยแคลเซียมของ TRPM5 จะทำให้เกิดศักย์การลดขั้วซึ่งนำไปสู่การสร้างศักยะงาน

รสอุมะมิ (TAS1R1/TAS1R3)

หน่วยรับรสแบบโปรตีนคู่ (heterodimer) คือ TAS1R1/TAS1R3 จะทำงานเป็นหน่วยรับรสอุมะมิ โดยตอบสนองต่อ L-amino acid โดยเฉพาะ L-glutamate รสอุมะมิบ่อยครั้งสัมพันธ์กับสารเติมแต่งอาหารโมโนโซเดียมกลูตาเมต (ผงชูรส) และสามารถเพิ่มรสด้วยการจับกับโมเลกุล inosine monophosphate (IMP) และ guanosine monophosphate (GMP) เซลล์ที่แสดงออกยีน TAS1R1/TAS1R3 โดยมากพบในปุ่มรูปเห็ดตรงปลายและขอบของลิ้น และที่เซลล์รับรสบนเพดานปาก เป็นเซลล์ที่มีไซแนปส์กับเส้นประสาทคือ chorda tympani เพื่อส่งสัญญาณไปยังสมอง แม้ก็พบการส่งสัญญาณผ่านเส้นประสาทลิ้นคอหอยด้วย

รสหวาน (TAS1R2/TAS1R3)

หน่วยรับรสแบบโปรตีนคู่ (heterodimer) คือ TAS1R2/TAS1R3 จะทำงานเป็นหน่วยรับรสหวานโดยจับกับน้ำตาลและน้ำตาลเทียมหลายรูปแบบ เซลล์รับรสที่แสดงออกยีน TAS1R2/TAS1R3 จะพบที่ปุ่มเซอร์คัมแวลเลตและปุ่มรูปใบไม้ของลิ้นด้านหลัง และที่เซลล์รับรสบนเพดานปาก เซลล์เหล่านี้มีไซแนปส์ที่เส้นประสาท chorda tympani และเส้นประสาทลิ้นคอหอย เพื่อส่งสัญญาณไปยังสมอง หน่วยรับรสแบบ homodimer คือ TAS1R3 ยังทำงานเป็นหน่วยรับรสหวานได้คล้ายกับ TAS1R2/TAS1R3 แต่จะไวน้อยกว่า และรับรู้น้ำตาลธรรมชาติได้ดีกว่าน้ำตาลเทียม ซึ่งอาจอธิบายว่า ทำไมน้ำตาลธรรมชาติและน้ำตาลเทียมจึงมีรสต่างกัน

รสขม (TAS2R)

โปรตีน TAS2R ทำหน้าที่เป็นหน่วยรับรสขม มนุษย์มียีนกลุ่ม TAS2R 43 ชนิด แต่ละชนิด (โดยยกเว้นยีนเทียม 5 ชนิด) ไม่มี intron และเข้ารหัสโปรตีน GPCR โปรตีนเหล่านี้ ซึ่งต่างจากโปรตีนกลุ่ม TAS1R จะมีโดเมนนอกเซลล์สั้น ๆ และอยู่ที่ปุ่มเซอร์คัมแวลเลต ที่ปุ่มรูปใบไม้ ที่เพดานปาก และที่ฝากล่องเสียง แต่มีการแสดงออกที่ปุ่มรูปเห็ดน้อย แม้จะแน่นอนว่า มีการแสดงออกของยีน TAS2R หลายชนิดในเซลล์รับรสหนึ่ง ๆ แต่ก็ยังเป็นเรื่องไม่ยุติว่า สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมสามารถแยกแยะระหว่างรสขมของลิแกนด์ต่าง ๆ ได้หรือไม่
อนึ่ง หน่วยรับรสขมหนึ่ง ๆ จะต้องรับลิแกนด์หลายชนิด เพราะมีสารประกอบรสขมมากกว่าจำนวนยีน TAS2R มีสารประกอบรสขม 670 อย่างที่ได้ระบุแล้วในฐานข้อมูล BitterDB โดยมีกว่า 200 ชนิดที่ได้เจาะจงหน่วยรับกลิ่นหนึ่งชนิดหรือมากกว่านั้นที่รับรู้ได้ ลิแกนด์รสขมที่สามัญรวมทั้ง cycloheximide, denatonium, PROP (6-n-propyl-2-thiouracil), PTC (phenylthiocarbamide), และ β-glucopyranosides
การถ่ายโอนสัญญาณของสิ่งเร้ารสขม จะเกิดผ่านหน่วยย่อย α ของจีโปรตีนคือ gustducin โดยเฉพาะก็คือหน่วยย่อยของโปรตีน จะเริ่มการทำงานของเอนไซม์ phosphodiesterase ซึ่งลดระดับ cyclic nucleotide (cNMP) และหน่วยย่อย βγ ของ gustducin จะเริ่มการทำงานของ IP₃ (inositol triphosphate) และ DAG (diglyceride) โดย IP₃ จะทำให้หน่วยเก็บภายในเซลล์ปล่อยไอออนแคลเซียม เช่นที่พบในการถ่ายโอนสัญญาณของรสหวานและรสอุมะมิ
แม้หน่วยรับรส TAS2R ทั้งหมดจะอยู่แต่ในเซลล์ที่มี gustducin แต่การกำจัด gustducin (ผ่านการ knockout) ก็ไม่ได้กำจัดความไวต่อสารประกอบรสขมทั้งหมด ซึ่งแสดงว่า ยังมีกลไกรับรู้รสขมอื่น ๆ ซึ่งไม่น่าแปลกใจเพราะรสขมโดยทั่วไปเป็นตัวแสดงว่ามีสารพิษ กลไกของการรับรสขมนอกเหนือจาก gustducin ที่เสนออย่างหนึ่งก็คือโดยผ่านปฏิสัมพันธ์ของช่องไอออนกับลิแกนด์รสขมโดยเฉพาะ ๆ เหมือนกับปฏิสัมพันธ์ระหว่างช่องไอออนกับรสเปรี้ยวและรสเค็ม
โปรตีนจากกลุ่ม TAS2R ที่วิจัยดีที่สุดก็คือ TAS2R38 ซึ่งมีบทบาทในการรับรสขมของทั้ง PROP และ PTC และยังเป็นหน่วยรับรสเดียวที่ภาวะพหุสัณฐานของมันได้แสดงแล้วว่า มีผลต่อการรับรู้รสต่าง ๆ กัน งานศึกษาปัจจุบันมุ่งระบุภาวะพหุสัณฐานที่กำหนดฟีโนไทป์ของการรู้รสต่าง ๆ

รสเปรี้ยว

รสเปรี้ยวจะตรวจจับโดยเซลล์รับรสส่วนน้อยที่กระจายไปทั่วตุ่มรับรสที่ลิ้นซึ่งกำหนดโดยการแสดงออกของยีน PKD และเหมือนกับเกลือ การรู้รสอาจเกิดขึ้นโดยอาศัยช่องไอออน คือแคตไอออน H⁺ จากกรด เช่น กรดน้ำส้ม จะไหลผ่านช่องไอออนซึ่งน่าจะเป็นแบบ H⁺-permeant, non-selective cation channel (ช่องแคตไอออนแบบไม่เลือกที่ให้ H⁺ ซึมเข้าได้) ในตระกูล TRP ซึ่งบางครั้งเรียกว่า PKD (เพราะสัมพันธ์กับช่องไอออนที่กลายพันธุ์ในโรค polycystic kidney disease) รวมทั้งช่อง PKD2L1 โดยโปรตอน (H⁺) ที่เข้ามาจะทำให้เซลล์ลดขั้วโดยตรง และเปิดช่อง Na⁺ ซึ่งเปิดปิดด้วยศักย์ไฟฟ้าและอยู่ที่ข้างเซลล์ส่วนฐาน โดยมีผลลดขั้วเซลล์เพิ่มขึ้น และเปิดช่อง Ca²⁺ ซึ่งเปิดปิดด้วยศักย์ไฟฟ้า แล้วในที่สุดทำให้เซลล์หลั่งสารสื่อประสาท
ถึงกระนั้น โปรตีน PKD2L1 โดยตนเองอาจไม่จำเป็นสำหรับการรู้รสเปรี้ยว เพราะมีหลักฐานว่า โปรตอนที่มีอยู่อย่างสมบูรณ์ในสารเปรี้ยว สามารถเข้าไปในเซลล์รับรสเปรี้ยวที่แสดงออกยีน PKD2L1 โดยตรงผ่านช่องไอออนที่ส่วนยอดซึ่งไม่เกี่ยวกับคอมเพล็กซ์โปรตีนคือ PKD2L1/PKD1L3 คือการย้ายประจุบวกผ่านช่องไอออนอื่น (ที่ยังกำหนดไม่ได้) เข้าไปในเซลล์รับรสเปรี้ยวก็เพียงพอจุดชนวนการตอบสนองทางไฟฟ้าได้แล้ว
มีการเสนอด้วยว่า กรดอ่อน ๆ เช่น กรดน้ำส้ม ซึ่งไม่ได้แตกตัวที่ค่าพีเอชในร่างกายและละลายในไขมันได้ ก็ยังสามารถเข้าไปในเซลล์รับรสผ่านการแพร่แบบแพสซิฟแล้วก่อให้ตอบสนองทางไฟฟ้า ตามกลไกนี้ เมื่อกรดอ่อน ๆ เข้ามาในเซลล์แล้ว ก็จะแตกตัวเพิ่มความเป็นกรดในเซลล์ ยับยั้งช่องโพแทสเซียม (ซึ่งปกติมีหน้าที่เพิ่มขั้วเซลล์และทำให้เซลล์ลดขั้วได้ยากขึ้น) แล้วทำให้เซลล์ลดขั้ว สำหรับกรดแบบแรง การรับไฮโดรเจนเข้าโดยตรง และการยับยั้งการทำงานของช่องไอออนที่เพิ่มขั้วเซลล์ จะมีผลให้เซลล์รับรสลดขั้ว ปล่อยสารสื่อประสาท และทำให้รู้รสเปรี้ยว
อย่างไรก็ดี ก็ยังไม่มีการระบุโปรตีนที่เป็นตัวถ่ายโอนรสเปรี้ยวให้เป็นกระแสไฟฟ้า และกลไกการถ่ายโอนสัญญาณก็ยังไม่ชัดเจน แต่ก็ปรากฏแล้วว่า มีวิถีการถ่ายโอนสัญญาณหลายวิถี

รสเค็ม

ความเค็มเป็นรสที่เกิดโดยหลักเนื่องจากมีไอออนโซเดียม แม้ไอออนของโลหะแอลคาไลอื่น ๆ ก็มีรสเค็มเช่นกัน ไอออนที่ทำให้รู้รสเค็มรวมทั้ง Na⁺, K⁺, และ Li⁺ ที่อาจตรวจจับได้เมื่อแคตไอออนไหลเข้าเซลล์รับรส เช่นโดยผ่านช่องไอออนแคลเซียมที่ไวต่ออะมิโลไรด์ แล้วทำให้เซลล์ลดขั้วโดยตรง และเปิดช่อง Na⁺ ซึ่งเปิดปิดด้วยศักย์ไฟฟ้าและอยู่ที่ข้างเซลล์ส่วนฐาน โดยมีผลลดขั้วเซลล์เพิ่มขึ้น และเปิดช่อง Ca²⁺ ซึ่งเปิดปิดด้วยศักย์ไฟฟ้า แล้วในที่สุดทำให้เซลล์หลั่งสารสื่อประสาท
ช่องโซเดียมที่ว่านี้เรียกว่าช่องโซเดียมที่เนื้อเยื่อบุผิว (epithelial sodium channel, ENaC) ซึ่งมีหน่วยย่อย ๆ 3 หน่วย ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมหลายอย่างโดยเฉพาะหนู ENaC สามารถระงับการทำงานได้ด้วยยาอะมิโลไรด์ แต่ความไวของการรู้รสเค็มเนื่องกับยาอะมิโลไรด์ในมนุษย์จะชัดเจนน้อยกว่า จึงทำให้คาดว่า อาจมีโปรตีนหน่วยรับรสอื่น ๆ อีกนอกเหนือจาก ENaC ที่ยังค้นไม่พบ เช่น Na⁺ อาจสามารถแพร่เข้าช่อง Na⁺ อาศัยความต่างทางเคมีไฟฟ้าของภายในและภายนอกเซลล์

น้ำอัดลม

นักวิจัยได้พบว่า มีการรู้รสน้ำอัดลม/น้ำโซดาที่เริ่มจากเอนไซม์ที่สัมพันธ์กับหน่วยรับรสเปรี้ยว คือเอนไซม์ carbonic anhydrase 4 ซึ่งมีปฏิกิริยากับคาร์บอนไดออกไซด์ในน้ำ แล้วเริ่มการทำงานของเซลล์รับรสเปรี้ยวในตุ่มรับรส มีผลให้เซลล์ส่งกระแสประสาทไปยังสมอง

ไขมัน

มีการระบุหน่วยรับรสไขมันที่เป็นไปได้อย่างหนึ่ง คือ CD36 ซึ่งอยู่ในตุ่มรับรสที่ปุ่มเซอร์คัมแวลเลตและปุ่มรูปใบไม้ และงานวิจัยได้แสดงว่า CD36 จะจับกับกรดไขมันแบบลูกโซ่ยาว ความแตกต่างของการแสดงออก CD36 ในผู้ร่วมการทดลองที่เป็นมนุษย์ สัมพันธ์กับสมรรถภาพในการรู้รสไขมัน ซึ่งให้หลักฐานสำหรับความสัมพันธ์ระหว่างหน่วยรับรสกับการรู้รสไขมัน งานวิจัยเพิ่มเติมเกี่ยวกับหน่วยรับรส CD36 อีก จะช่วยแสดงว่ามีหน่วยรับรสไขมันจริง ๆ หรือไม่
โปรตีน GPR120 และ GPR40 ได้แสดงว่า ตอบสนองต่อไขมันในปาก และการไม่มีพวกมัน ทำให้ชอบใจไขมันลดลง และมีการตอบสนองทางประสาทลดลงต่อกรดไขมันในปาก
มีการแสดงว่า หน่วยรับ TRPM5 มีบทบาทในการตอบสนองต่อไขมันในปาก และได้ระบุว่าอาจเป็นหน่วยรับไขมัน แต่หลักฐานต่อ ๆ มาได้แสดงว่า มันมีบทบาทต่อการรับรู้ไขมันในลำดับการทำงานหลัง ๆ (downstream)