Дж. Эймур, Дж. Джонстон, М. Рабин. Стереохимическая теория обоняния

Дж. Эймур, Дж. Джонстон, М. Рабин. Стереохимическая теория обоняния
Добавлено
17.11.2011

Роза есть роза, а вонючка — вонючка, и наш нос легко определяет разницу между ними. Но не так-то легко описать или объяснить эту разницу. Мы знаем удивительно мало об обонянии, несмотря на то что оно оказывает большое влияние на нашу повседневную жизнь и ему посвящена огромная исследовательская литература. Человек может описать запах только путем сравнения его с каким-либо более знакомым запахом. У нас нет единицы для измерения силы запаха, подобной децибелам для измерения силы звука и люменам для измерения светового потока. И мы не располагаем до сих пор какой-либо удовлетворительной общей теорией, которая объяснила бы, каким образом нос и мозг обнаруживают, опознают и узнают запах. Ученые различных специальностей предложили более 30 теорий, но ни одна из них не выдержала проверки экспериментом.

Обоняние, несомненно, является химическим чувством, тонкость которого вошла в поговорку. Химику способность носа различать и определять свойства химических веществ кажется почти невероятной. Ему приходится иметь дело со сложными соединениями, химический анализ которых может потребовать месяцев лабораторных исследований; нос же опознает их немедленно в столь ничтожных количествах (одна десяти-миллионная грамма), в каких самая чувствительная современная лабораторная аппаратура часто не в состоянии их даже обнаружить, не говоря уже о том, чтобы проанализировать и классифицировать их.

Две тысячи лет назад поэт Лукреций предложил простое объяснение чувству обоняния. Он думал, что на нёбе имеются маленькие поры различной величины и формы. Каждое пахучее вещество, говорил он, испускает мельчайшие «молекулы» определенной формы, и запах ощущается тогда, когда эти молекулы входят в поры на нёбе. По-видимому, опознание каждого запаха зависит от того, к каким порам подходят его молекулы.

Сегодня нам представляется, что догадка Лукреция была принципиально правильной. В течение последних нескольких лет новые данные довольно убедительно показали, что геометрия молекул является действительно главным фактором, определяющим запах, и на этой основе была создана современная теория обоняния. Здесь мы рассмотрим стереохимическую теорию обоняния и опишем эксперименты, которые ее подтверждают.



Нос всегда готов к восприятию запахов. Поток воздуха, втянутый через ноздри, согревается и фильтруется при прохождении между тремя косточками типа раковин в верхней части носовой полости; когда обнаруживается запах, новая порция воздуха сильно втягивается вверх к двум щелям, в которых находятся обонятельные рецепторы (рис. 1). Эти образования представляют собой два участка желтоватой ткани, каждый из которых занимает площадь около 2,5 см2. В этой ткани проходит два типа нервных волокон, окончания которых воспринимают и обнаруживают пахучие молекулы. Основной тип представлен волокнами обонятельного нерва; на конце каждого из таких волокон находится обонятельная клетка, снабженная пучком волосоподобных нитей, которые выполняют роль рецепторов. Другой тип волокон представляет собой длинные тонкие окончания тройничного нерва, которые чувствительны к некоторым видам молекул. При раздражении пахучими молекулами окончания обонятельного нерва посылают сигналы к обонятельной луковице и оттуда к высшим центрам мозга, где эти сигналы интегрируются и декодируются в отношении характера и интенсивности запаха.

Из самой природы этой системы сразу становится очевидным, что для того, чтобы быть пахучим, вещество должно обладать некоторыми особыми свойствами. Прежде всего оно должно быть летучим. Луковый суп, например, обладает сильным запахом, потому что непрерывно выделяет пар, который достигает носа. И наоборот, такое вещество, как железо, при обычных температурах совсем ничем не пахнет, потому что с его поверхности не происходит испарения молекул.

Второе требование к пахучим веществам состоит в том, что они должны быть растворимы в воде хотя бы в самых ничтожных количествах. Если вещество полностью нерастворимо, то оно не достигнет нервных окончаний, поверхность которых покрыта водной пленкой. Еще одно общее свойство пахучих веществ заключается в их растворимости в липидах (жирах), что позволяет им проникнуть в нервные окончания через липидный слой, который образует часть наружной мембраны каждой клетки.



Не считая этих элементарных свойств, особенности пахучих веществ остаются неясными и запутанными. В течение многих лет химики эмпирически синтезировали огромное количество пахучих веществ как для парфюмерии, так и для своих собственных исследований обоняния, но вместо того чтобы пролить свет на свойства, от которых зависит запах, эти вещества только увеличивали путаницу. Было открыто лишь несколько общих принципов. Например, было обнаружено, что добавление боковой ветви к прямой цепи углеродных атомов весьма усиливает запах духов. Сильный запах оказался также свойственным молекулам некоторых спиртов и альдегидов, содержащих от четырех до восьми углеродных атомов. Однако чем больше химики анализировали химическое строение пахучих веществ, тем больше возникало загадок. С точки зрения химического состава и структуры эти вещества поражают отсутствием какой-либо закономерности.

Достаточно любопытно то, что это отсутствие закономерности само стало своего рода закономерностью. Например, два оптических изомера — идентичные во всех отношениях молекулы, кроме того, что одна является зеркальным отражением другой, — могут пахнуть по-разному. Другой пример: в веществах, молекулы которых содержат бензольное кольцо из шести углеродных атомов, изменение положения группы атомов, связанных с кольцом, может резко изменить запах соединения, тогда как соединения, молекулы которых включают большое кольцо из 14—19 атомов, могут быть существенно перегруппированы без заметного изменения их запаха. Эти факты привели химиков к мысли о том, что, возможно, основным фактором, определяющим запах вещества, является общая геометрическая форма его молекулы, а не какая-либо деталь его состава или структуры.

В 1949 году Р. Монкрифф оформил эти идеи, предложив гипотезу, сильно напоминавшую догадку Лукреция 2000-летней давности. Монкрифф предположил, что обонятельная система построена из рецепторных клеток немногих отличных друг от друга типов, каждый из которых представляет отдельный «первичный» запах, и что пахучие молекулы оказывают свое действие путем точного совпадения их формы с формой «рецепторных участков» на этих клетках. Его гипотеза является новым приложением концепции «ключа и замка», которая оказалась плодотворной для объяснения взаимодействия ферментов с их субстратами, антител с антигенами и дезоксирибо-нуклеиновой кислоты с матричной (информационной) рибонуклеиновой кислотой.

Для того чтобы перевести гипотезу Монкриффа на язык практического исследования обоняния, надо было ответить на два важных вопроса: что такое «первичные запахи» и какова форма рецепторного участка для каждого из них? Пытаясь ответить на эти вопросы, один из нас (Эймур) занялся выяснением химических особенностей пахучих соединений. Его поиски привели к заключению, что существует семь первичных запахов, и в 1952 году его исследования были суммированы в стереохимической теории обоняния, которая определила эти семь запахов и дала детальное описание размеров, формы и химического сродства семи соответствующих рецепторных участков (рис. 2).



Чтобы определить первичные запахи, Эймур начал с описания 600 органических соединений, которые обозначены в литературе как пахучие. Если гипотеза рецепторных участков была правильной, то распознавание первичных запахов должно происходить значительно чаще, чем смешанных запахов, составленных из двух или большего числа первичных (рис. 3). И действительно, по данным химиков, определенные запахи встречаются гораздо чаще, чем другие. Например, в литературе указано более 100 соединений, имеющих запах камфары, и только около шести отнесены к категории обладающих запахом кедрового дерева. Это указывало, что, по всей вероятности, запах камфары относится к первичным. На основании частоты встречающихся запахов и некоторых других соображений удалось выделить семь запахов, которые можно было рассматривать как возможные первичные. К этим запахам относятся: камфарный, мускусный, цветочный, мятный, эфирный (эфироподобный), едкий и гнилостный (таблица).



Из этих семи первичных может быть произведен любой известный запах при смешивании их в определенных пропорциях. В этом отношении первичные запахи подобны трем первичным цветам (красному, зеленому и синему) и четырем первичным вкусовым ощущениям (сладкому, соленому, кислому и горькому).

Для того чтобы воспринять семь первичных запахов, в носу должно быть семь различных типов обонятельных рецепторов. Мы можем представить себе рецепторные участки в виде ультрамикроскопических щелей или впадин на мембране нервного волокна, каждая из которых имеет своеобразную форму и величину. Можно предположить, что молекулы определенной конфигурации «вписываются» в каждый из этих участков подобно тому, как штеккер входит в гнездо. Некоторые молекулы могут подходить к двум различным рецепторным участкам — к широкому и узкому (рис. 4). В подобных случаях вещество, молекула которого подходит к двум типам рецепторов, может сигнализировать мозгу о сложном запахе.



Следующая проблема заключалась в том, чтобы изучить формы семи рецепторных участков. Исследование началось с изучения структурных формул камфарных соединений и построения моделей их молекул. Благодаря методам современной стереохимии, которая определяет структуру молекул с помощью дифракции рентгеновских лучей, инфракрасной спектроскопии, электронно-зондового анализа и других методов, можно построить трехмерную модель молекулы любого вещества, если известна его структурная формула. Существуют правила для построения таких моделей, а также строительные блоки (наборы радикалов), величина которых в 100 миллионов раз больше истинной величины атомов.

Когда модели молекул камфарных соединений были построены, стало ясно, что все они имеют примерно одинаковую приблизительно округлую форму (рис. 5). И не только это; оказалось, что все молекулы при переводе размеров моделей в молекулярные размеры имели также примерно одинаковый диаметр, равный около семи ангстрем. Многие молекулы камфарных соединений представляют собой жесткие шары, которые неизбежно будут подходить к этим чашам, другие не столь жестки и могут легко принять форму чаши.



Когда были построены другие модели, то были найдены формы и размеры молекул веществ, дающих другие первичные запахи. Мускусный запах характерен для молекул дискообразной формы с диаметром около 10 ангстрем. Приятный цветочный запах вызывается молекулами дискообразной формы с гибким хвостом, как воздушный змей. Прохладный мятный запах вызывается молекулами клинообразной формы с электрически поляризованной группой атомов, способных образовать водородную связь у верхушки клина. Эфирный запах обязан своим происхождением палочковидным молекулам или другим тонким молекулам. В каждом из этих случаев рецепторный участок на нервном окончании, по-видимому, имеет форму и величину, соответствующие форме и величине молекул.

Едкий и гнилостный запахи, по-видимому, являются исключениями из принципа Лукреция о соответствии форм. Молекулы, обладающие этими запахами, имеют неопределенную форму и размеры, и в этих случаях особое значение приобретает электрический заряд молекул. Едкие запахи свойственны соединениям, молекулы которых имеют положительный заряд и сильное сродство к электронам, поэтому они и названы электрофильными. Напротив, гнилостные запахи свойственны молекулам с избытком электронов, получившим название нуклеофильных.

Теория имеет ценность только в том случае, если она может быть проверена экспериментально. Одно из достоинств стереохимической теории состоит в том, что она указывает путь к некоторым весьма специфичным и недвусмысленным способам экспериментальной проверки. До настоящего времени эта теория прошла шесть очень строгих испытаний на достоверность и уверенно выдержала каждое из них.

Начать хотя бы с очевидного, а именно что по форме молекулы мы должны уметь предсказать ее запах. Предположим теперь, что мы синтезировали молекулы определенных форм, и посмотрим, будут ли они обладать предсказанным для них запахом.



Рассмотрим молекулу, содержащую три радикала, связанных с одним атомом углерода, четвертая связь которого занята атомом водорода (рис. 6). Эта молекула может подойти к рецепторному участку, имеющему форму воздушного змея (цветочный запах), клиновидную форму (мятный запах), или — благодаря одному из радикалов — к рецепторному участку, имеющему форму палочки (эфирный запах). Теория предсказывает, что такое вещество должно иметь фруктовый запах, состоящий из вышеперечисленных трех первичных. Предположим, что мы теперь заменим маленький атом водорода, связанный с атомом углерода, сравнительно громоздкой метальной группой (СН3). Наличие четвертого радикала не даст возможности молекуле легко подойти к рецепторным участкам, имеющим формы воздушного змея или клина, но один из радикалов все-таки сможет занять палочковидный участок. В результате, согласно теории, должен преобладать эфирный запах.

Оба вещества были синтезированы и подвергнуты испытанию с привлечением экспертов, натренированных на восприятие запахов. Был использован прибор, называемый ольфактометром, который при помощи клапанов и регулируемого воздушного потока доставляет по отдельности или в смеси тщательно дозированную концентрацию пахучих веществ. Количество поступающих пахучих паров измерялось с помощью газового хроматографа. Применялось два ольфактометра, для каждого из двух испытуемых соединений, и наблюдателя просили понюхать по очереди из каждого (рис. 7).



Результаты подтвердили наши предсказания. Эксперты сообщили, что соединение А имело фруктовый (виноградоподобный) запах, а соединение Б, в котором атом водорода был замещен на метильную группу, имело выраженную примесь эфироподобного запаха. Этот эксперимент и теория, на которой он основан, делает понятным ранее обнаруженный факт резкого изменения запаха некоторых соединений, содержащих бензольное кольцо, при перемещении радикала. Изменение запаха связано с изменением общей формы молекулы.

Второй эксперимент напрашивался сам собой. Можно ли сложный запах, обнаруженный в природе, воспроизвести с помощью комбинации нескольких первичных запахов? Взяв в качестве тестирующего запах кедрового масла, Эймур нашел, что вещества с этим запахом имеют формы молекул, которые подходят к рецепторным участкам для камфарных, мускусных, цветочных и перечномятных запахов. Джонстон подверг испытанию различные комбинации этих четырех первичных запахов, чтобы воспроизвести из них запах кедрового масла. Он опробовал каждую смесь на восьми тренированных людях, которые сравнивали синтетический запах с запахом кедрового масла. После 86 попыток ему удалось создать смесь, запах которой почти не отличался от запаха кедрового масла. Из тех же четырех первичных запахов ему удалось также создать запах, сходный с запахом сандалового дерева.

Два следующих теста были направлены на идентификацию чистого (т. е. первичного) запаха. Если теория верна, то молекула, которая подходит к одному-единственному рецепторному участку определенной формы и величины, должна давать первичный запах в чистом виде. Молекулы такой же формы и того же размера должны иметь очень сходный запах, но молекулы другой первичной формы должны пахнуть совершенно иначе. Исследование было проведено на людях. Когда им давали понюхать два различных вещества, молекулы которых тем не менее имели одинаковую первичную форму (например, форму, соответствующую цветочному запаху), то испытуемые оценивали два запаха как очень близкие. Когда же два вещества имели первичные молекулярные свойства различных категорий (например, форму воздушного змея, характерную для цветочного запаха, а заряд нуклеофильный, характерный для гнилостных соединений), то испытуемые находили запахи абсолютно несходными.

Джонстон продолжил эти испытания на пчелах. Он поставил эксперимент, рассчитанный на то, чтобы испытать способность пчел различать два запаха, один из которых был «хорошим» (сочетался с сахарным сиропом), другой — «плохим» (сочетался с ударом электрическим током). Два запаха могли быть из одной и той же первичной группы или из разных первичных групп (например, из цветочной или мятной). На стол около улья ставились два сосуда с пахучими жидкостями, и пчел прежде всего обучали тому, что один из запахов «хороший», а другой «плохой». Затем приманка из сиропа в сосудах заменялась дистиллированной водой, и новые дезодорированные сосуды помещались на место тех, которые использовались во время обучения. Подсчитывал ось число посещений мечеными пчелами соответствующих сосудов в поисках сиропа. Предполагалось, что они будут лететь на запах, к которому они были приучены положительным подкреплением, и избегать того, который сочетался с ударом электрическим током, конечно, при условии, что они смогут различить два запаха.

Эксперимент показал, что пчелы с трудом различали два запаха, принадлежащих к одной и той же первичной группе (скажем, мятной), но легко различали разные первичные запахи (мятный и цветочный). В последнем случае они почти безошибочно и без задержки определяли нужный запах. Эти эксперименты указывают, что обонятельная система пчелы, так же как и человека, основана на стереохимическом принципе, хотя обонятельный орган у пчелы построен иначе: у нее обонятельную функцию несут усики. Очевидно, рецепторные участки на усиках отличаются друг от друга по форме точно так же, как в обонятельных рецепторах у человека.

Пятый эксперимент был поставлен на людях, натренированных различать запахи. Предположим, им дали несколько веществ, сильно отличающихся друг от друга химически, но молекулы которых имеют примерно одинаковую общую форму. Будут ли эти различные соединения пахнуть одинаково? Для проведения эксперимента использовалось пять соединений. Они принадлежали к трем различным классам химических соединений, резко отличающихся друг от друга по внутренней структуре молекул, но все пять веществ обладали дискообразной формой, характерной для молекул с мускусным запахом. Испытуемые, которым давали вдыхать пары этих пяти химических веществ среди многих других с помощью ольфактометра, действительно отличали эти вещества от других и характеризовали их запах как мускусный. Однако по запаху они часто не могли отличить эти пять совершенно различных веществ одно от другого.

По сути все эти доказательства в пользу стереохимической теории были в большей или меньшей степени косвенными. Хотелось бы получить какое-либо прямое доказательство действительного существования различных рецепторных участков в обонятельном органе. Недавно Р. Джестленд занялся поисками этих доказательств. Он нашел способ микроэлектродного отведения импульсов от одиночных обонятельных клеток. Введя электроды в обонятельный орган лягушки, Джестленд помещал этот орган в атмосферу различных запахов и исследовал одну за другой клетки с целью установить, реагируют ли они электрическими импульсами. Он обнаружил, что различные клетки избирательно реагировали на различные запахи, и его исследования показали, что у лягушки имеется около восьми таких различных рецепторов. Более того, пять из этих рецепторов реагировали именно на те пять запахов (камфарный, мускусный, эфирный, едкий и гнилостный), которые стереохимическая теория считает первичными! Эти данные, таким образом, можно принять как шестое и независимое подтверждение теории.

Теперь, оснащенные проверенной основной теорией, которая направляет дальнейшие исследования, мы можем надеяться на более быстрый прогресс в изучении обоняния. Это может привести к неожиданным результатам, полезным для людей. Для человека обоняние, возможно, стало менее важным как жизненно необходимое чувство, чем для многих животных, но мы все-таки зависим от этого чувства в гораздо большей степени, чем это нам кажется. Можно оценить важность обоняния для человека, вспомнив, какой безвкусной кажется пища при насморке и как неприятно действует дурной запах воды или спертый воздух в комнате. Управление запахами — важнейшая задача для нашей развитой парфюмерной и табачной промышленности. Без сомнения, обоняние оказывает влияние на нашу жизнь многими тонкими способами, которые мы не осознаем.

Исследования, для которых теперь открыт путь, должны помочь проанализировать детально сложные запахи пищи и питья, чтобы отделаться от неприятных запахов и создать новые и в конце концов научиться создавать любой желаемый запах либо для собственного удовольствия, либо для борьбы с насекомыми-вредителями.




Описание Роза есть роза, а вонючка — вонючка, и наш нос легко определяет разницу между ними. Но не так-то легко описать или объяснить эту разницу. Мы знаем удивительно мало об обонянии, несмотря на то что оно оказывает большое влияние на нашу повседневную жизнь и ему посвящена огромная исследовательская литература. Человек может описать запах только путем сравнения его с каким-либо более знакомым запахом. У нас нет единицы для измерения силы запаха, подобной децибелам для измерения силы звука и люменам для измерения светового потока. И мы не располагаем до сих пор какой-либо удовлетворительной общей теорией, которая объяснила бы, каким образом нос и мозг обнаруживают, опознают и узнают запах. Ученые различных специальностей предложили более 30 теорий, но ни одна из них не выдержала проверки экспериментом. [[Психология ощущений и восприятия. Хрестоматия по психологии. / Под ред. Ю.Б. Гиппенрейтер, В.В. Любимова, М.Б. Михалевской. М., 1999. С. 307-321]]
Вложенные файлы
  • eimur_etal_0002.jpg
  • eimur_etal_0001.jpg
  • eimur_etal_0004.jpg
  • eimur_etal_0005.jpg
  • eimur_etal_0006.jpg
  • eimur_etal_0009.jpg
  • eimur_etal_0008.jpg
  • eimur_etal_0007.jpg
Рейтинг
5/5 на основе 1 голосов. Медианный рейтинг 5.
Теги , , ,
Просмотры 4977 просмотров. В среднем 2 просмотров в день.
Похожие статьи