Проникновение в тайну запаха

Исходным событием в определении запаха – будь то запах апельсина, кораллового рифа, партнера, хищника или жертвы – является, как теперь понятно, связывание одной молекулы запаха с обонятельным рецептором, которое осуществляется на разветвленном конце одного из обонятельных нейронов, похожих на метелку. Однако каким образом каждый рецептор распознает свой набор молекул, скажем молекулы лимонена, не захватывая других, не связываясь с любой другой молекулой из необозримого океана возможных запахов, достигающих обонятельного эпителия?

Это и есть самая главная тайна запаха.

Традиционное объяснение работы данного механизма всегда содержало сравнение с замком и ключом. Считается, что молекулы запаха подходят к обонятельному рецептору, словно ключ к замку, например, молекула лимонена плотно встраивается в подходящий обонятельный рецептор. Далее, как предполагалось, в процессе, который до сих пор остается неясным, подобное тесное связывание поворачивает замок и запускает механизм высвобождения G-белка, который обычно находится на внутренней поверхности рецептора, словно снаряд, прикрепленный к корпусу корабля. Когда белок-снаряд запускается в клетку, он прокладывает путь к клеточной мембране, где открывает канал, позволяющий электрически заряженным молекулам проникнуть в клетку. Этот электрический заряд, проникающий в клетку через мембрану, заставляет нейрон отправить сигнал (подробнее об этом – в главе 9) из обонятельного эпителия в мозг.

Если говорить о механизме обоняния в терминах замка и ключа, это означает, что молекулы рецептора и молекулы запаха дополняют форму друг друга, поэтому вторые как бы встраиваются в первые. Простой аналогией являются головоломки-пазлы, которые так любят складывать малыши: на деревянной дощечке вырезаны отверстия определенной формы (скажем, круг, квадрат или треугольник), в которые вставляются подходящие фигурки той же формы и размера. Можно представить себе молекулы разных ароматов в виде таких фигурок: например, молекула запаха апельсина, то есть молекула лимонена, – круглая, молекула яблочного аромата – квадратная, молекула бананового запаха – треугольная. Таким образом, в каждом обонятельном рецепторе найдутся соответствующие отверстия – связывающие карманы, куда идеально войдет молекула определенного запаха.

Разумеется, в действительности молекулы не имеют таких правильных форм, поэтому связывающие карманы белков-рецепторов устроены гораздо сложнее, чтобы в них могли как можно плотнее войти молекулы замысловатых форм. Большинство карманов отличаются, вероятно, очень сложными формами, напоминающими формы активных центров ферментов, которые, как вы помните из главы 3, связывают молекулы субстратов. К слову, считается, что взаимодействие молекул запаха со связывающими карманами рецепторов происходит по той же схеме, что и взаимодействие субстратов с активными центрами фермента (см. рис. 3.4) и даже взаимодействие лекарственных средств и ферментов. Кстати, ученые высказывали мысль о том, что понимание роли квантовой механики во взаимодействии молекул запахов с рецепторами может усовершенствовать процесс разработки лекарственных препаратов.

В любом случае, из гипотезы о формах молекул и рецепторов вытекает следующее предположение: вероятно, существует корреляция между формой молекулы вещества и его запахом. Иными словами, схожие по форме молекулы должны иметь похожие запахи, а молекулы с сильно различающимися формами, вполне возможно, резко отличаются и запахами.

Пожалуй, одним из самых зловещих запахов в истории человечества был запах горчицы или гнилого сена в траншеях времен Первой мировой войны. Невидимые газы беспрепятственно распространялись над нейтральной зоной. В воздухе едва уловимо чувствовался запах горчицы (иприт, или горчичный газ) или затхлого сена (фосген) – и у солдата оставались несколько драгоценных секунд на то, чтобы натянуть маску, пока смертельно опасное вещество не проникло в легкие. Химик Малкольм Дайсон выжил после химической атаки ипритом. Возможно, благодаря тому, что именно обоняние спасло его от смерти, он впоследствии решил посвятить себя разгадке природы запахов. После войны он занимался промышленным синтезом многих веществ и часто пользовался обонянием, анализируя запахи продуктов реакций синтеза. Дайсона поражало очевидное отсутствие какой-либо связи между формой молекул и их запахами. Так, многие молекулы, отличающиеся по форме (вещества на рис. 5.2, а – г), пахнут одинаково, в данном случае мускусом. И наоборот, вещества со схожей молекулярной структурой (д и е на рис. 5.2) имеют различные запахи, в данном случае вещество е обладает запахом мочи, а вещество д вообще не имеет запаха [4].

Отсутствие прямой связи между формой и запахом молекул всегда являлось – и продолжает оставаться – одной из главных проблем производителей парфюмерии и ароматов. Вместо того чтобы создать запах по той же схеме, что и бутылочку для него – всего лишь выбрать форму молекулы, парфюмеры вынуждены полагаться на химический синтез, который обычно растягивается на многочисленные этапы проб и ошибок, в ходе которых химикам вроде Дайсона приходится перенюхать бесчисленное множество запахов. И все же Дайсон заметил, что вещества, пахнущие одинаково, обычно содержали компоненты с одинаковыми химическими группами, например атом кислорода, связанный с атомом углерода двойной связью С=О, во всех веществах, обладающих запахом мускуса (см. рис. 5.2). Эти химические группы входят в состав любых крупных молекул и определяют многие их свойства, в том числе, как заметил Дайсон, запах вещества. Еще одна многочисленная группа веществ с похожим запахом включает вещества, в молекулах которых встречается сероводородная группа (S – H). Если в структуре молекулы есть атом водорода, связанный с атомом серы, вещество имеет характерный запах тухлого яйца. Дайсон предположил, что наши носы улавливают не форму всей молекулы вещества, а совсем иное физическое свойство, а именно частоту колебаний молекулярных связей между атомами.

Дайсон высказал свои предположения в конце 1920-х годов, когда никто не имел ни малейшего понятия, как обнаружить и зафиксировать молекулярные колебания. Однако в начале 1920-х годов во время путешествия в Европу индийский физик Чандрасекхара Венката Раман был восхищен «чудесными синими переливами Средиземного моря» и предположил, что «данное явление обязано своим происхождением рассеянию света молекулами воды». Обычно свет отталкивается от атома или молекулы «упруго», то есть без потери энергии, словно мячик из твердой резины от жесткой поверхности. Раман предположил, что в редких случаях свет может рассеиваться «неупруго», словно твердый мяч, ударяющий по бейсбольной бите, при этом передающий и бите и игроку некоторое количество энергии (помните, как в мультфильме Багс Банни отбивает быстро летящий мяч, после чего вибрирует и бита, и сам кролик). При «неупругом» рассеянии протоны также теряют энергию «в пользу» молекулярных связей, с которыми они сталкиваются и которые начинают колебаться. Рассеянный свет, таким образом, теряет энергию, что приводит к изменению его частоты и, соответственно, цвета (ближе к синему концу спектра), создавая эффект «чудесных синих переливов», которыми был очарован Раман.

Химики применяют данный принцип при исследовании структуры молекул. Через образец исследуемого вещества пропускается луч света, и разница между цветом и частотой (то есть энергией) входящего и выходящего света фиксируется как рамановский спектр вещества, представляющий собой своего рода отпечатки его химических связей. Метод выявления данного спектра – рамановская спектроскопия – носит имя индийского физика. За разработку данного метода Раман был удостоен Нобелевской премии по физике. Услышав о результатах исследований Рамана, Дайсон понял, что они, возможно, объясняют и механизм, посредством которого органы обоняния идентифицируют колебания молекул запаха. Он предположил, что нос «является своеобразным спектроскопом», способным улавливать частоту колебаний различных химических связей. Он даже определил некоторые частоты Раман-спектра для веществ со схожим запахом. Так, частота пика комбинационного рассеяния всех меркаптанов (вещества, молекулы которых содержат концевую сероводородную связь) находится в диапазоне 2567–2580. Для всех этих веществ характерен запах протухших яиц.

В рамках теории Дайсона по крайней мере можно было объяснить аналитическую природу запахов, однако никто не мог даже предположить, каким образом нечто подобное рамановской спектроскопии используется в системе органов обоняния для формирования образа запаха. Для этого нам понадобился бы не только внутренний биологический спектроскоп, который бы улавливал и анализировал рассеянный свет. В первую очередь при восприятии запаха нам понадобился бы источник света.

Еще один серьезный недостаток теории Дайсона обнаружился тогда, когда стало понятно, что наши органы обоняния способны легко различать молекулы, имеющие одинаковую химическую структуру и идентичный рамановский спектр, однако при этом являются зеркальным отражением друг друга. Например, молекулу лимонена, формирующую запах апельсина, лежащего перед вами, можно назвать правосторонней молекулой. Однако существует практически идентичная по структуре молекула дипентена – левосторонняя (зеркальная) копия молекулы лимонена (рис. 5.3, на котором острые, затемненные области внизу каждой схемы обозначают углерод-углеродную связь, направленную в первом случае вниз, а в другом – вверх).

Рис. 5.3. Лимонен (а) и дипептен (б) – зеркальные изомеры с различными запахами. Молекулы различаются только направлениями нижних химических групп, которые на схеме обозначены затемненными стрелками (стрелка указывает вниз на схеме молекулы лимонена и вверх на схеме молекулы дипентена). Разумеется, молекулу дипентена можно перевернуть так, что данная химическая группа будет направлена вниз, как в молекуле лимонена, однако в этом случае двойная связь молекулы также поменяет расположение и окажется слева, а не справа, поэтому в структуре двух молекул все равно останутся различия. Подобные изомеры напоминают перчатки из одной пары

Дипентен имеет те же молекулярные связи, что и лимонен, и, соответственно, совпадает с ним в показателях рамановского спектра, однако он сильно отличается от лимонена резким скипидарным запахом. Молекулы, имеющие зеркальные отражения, называются хиральными. В большинстве случаев они имеют разные запахи. Свойством хиральности обладает также карвон – природное вещество, содержащееся в семенах укропа и тмина. Карвон имеет тминный запах, а его зеркальный изомер – запах остролистой мяты. Два этих изомера нельзя различить методом рамановской спектроскопии, однако они легко идентифицируются по запаху. Понятно, что обоняние не может полагаться только лишь на обнаружение молекулярных колебаний.

Все эти, казалось бы, неотвратимые недостатки теории колебаний, объясняющей механизм обоняния, привели к тому, что ее надолго – практически на всю вторую половину XX столетия – затмила теория замка и ключа. Ученую общественность не расположили к ней даже усердные старания немногочисленных сторонников теории молекулярных колебаний исправить недостатки. Один из сторонников теории колебаний канадский химик Роберт Райт даже предложил потенциальное решение головоломки с зеркальными изомерами, имеющими различные запахи. Он высказал предположение о том, что сами обонятельные рецепторы обладают свойством хиральности (имеют лево- и правосторонние формы). Молекулу запаха может захватить рецептор с лево- или правосторонним строением, и в зависимости от этого колебания молекулярных связей будут восприняты по-разному. Обратимся к аналогии из мира музыки. Известно, что левша Джими Хендрикс (пусть он символизирует обонятельный рецептор) обычно играл на правосторонней гитаре (сравним ее с хиральной молекулой запаха), гриф которой был направлен вправо. Правша Эрик Клэптон играл на обычной гитаре (зеркальное отражение молекулы), гриф которой был рассчитан на левую руку. Оба музыканта могли сыграть один и тот же рифф (произвести одинаковые колебания) на зеркальных гитарах, однако звук, улавливаемый микрофоном (который в нашей аналогии представляет детектор колебаний – часть обонятельного рецептора), установленным, скажем, слева от музыкантов, будет различным. Отличия будут обусловлены тем, что струны двух гитар (то есть молекулярные связи) по-разному расположены относительно микрофона. Райт предположил, что хиральные обонятельные рецепторы реагируют на частоту колебаний химических связей только в том случае, если химические связи находятся в подходящем для рецептора положении: он утверждал, что рецепторы бывают левшами и правшами, как и гитаристы. И все же теория колебаний осталась на периферии науки, так и не объяснив механизм работы биологического детектора колебаний химических связей.

Однако в теории замка и ключа (теории формы) также есть противоречия. Как мы уже говорили, в рамках данной теории невозможно объяснить наличие молекул с различной структурой и одинаковым запахом и наоборот. Размышляя над этими противоречиями, в 1994 году Гордон Шеперд и Кенсаку Мори сформулировали несколько идей, которые иногда объединяют общим названием «теория слабой формы», или «теория одотопа» [5]. Основное отличие данной теории обоняния от классической теории формы заключалось в предположении Шеперда и Мори о том, что обонятельные рецепторы идентифицируют форму не всей молекулы, а лишь ее части – определенной химической группы. Например, мы уже говорили о том, что в состав молекул веществ с мускусным запахом (схемы представлены на рис. 5.2) входит атом кислорода, связанный двойной связью с атомом углерода. Согласно теории одотопа, рецепторы обоняния реагируют именно на форму этих химических групп, а не на форму целой молекулы. Эта теория больше подходит для объяснения аналитической природы запаха, однако не лишена недостатков, как и теория колебаний. Недостатки, например, всплывают тогда, когда речь идет о молекулах, которые сильно различаются по структуре, однако содержат одинаковые химические группы. Так, ни теория одотопа, ни теория колебаний не может объяснить, почему вещества различаются по запаху, несмотря на одинаковые химические группы в составе молекул. Например, молекулы ванилина (основного компонента ванили) и изованилина состоят из шестиатомного углеродного кольца и трех одинаковых боковых групп, расположенных в неодинаковом порядке (рис. 5.4). Согласно теории одотопа, одинаковые химические группы должны иметь одинаковый запах. Тем не менее ванилин, как вы понимаете, пахнет ванилью, а изованилин отличается резким запахом фенола (сладковато-медицинский запах).

Рис. 5.4. Молекулы с идентичными химическими группами (например, молекулы ванилина и изованилина) могут тем не менее иметь абсолютно разные запахи

Для преодоления этих противоречий сторонники теории замка и ключа предложили объединить ее с теорией одотопа. Они предположили наличие в обонятельной системе хирального механизма распознавания формы химических групп. И все же новая теория не способна объяснить наличие зеркальных молекул с одинаковым запахом. Согласно объединенной теории, запахи таких молекул распознаются одним и тем же рецептором. В таком случае данный рецептор, одинаково подходящий по форме для зеркальных изомеров, представляет собой своеобразный молекулярный организм с универсальной рукой, на которую можно надеть и правую и левую перчатку, а это уже похоже на бессмыслицу.