Стереохімічна природа запаху

Запах

Троянда – це троянда, а скунс – це скунс, і ніс легко визначить різницю між ними. Але описати або пояснити цю різницю не так легко. Ми до подиву мало знаємо про почуття нюху, хоча воно грає важливу роль в нашому повсякденному житті. Описати який-небудь запах можна, тільки порівнявши його з іншим, знайомим нам запахом. У нас немає міри, якою можна було б виміряти силу запаху так, як ми вимірюємо силу звуку (в децибеллах) або світла (в люменах). Ми не володіємо задовільною загальною теорією, яка пояснила б, як ніс і мозок виявляють, порівнюють і пізнають запахи. Більше 30 теорій було висунуто представниками різних наук. Однак жодна з них не витримала експериментальної перевірки, покликаної підтвердити право цих теорій на існування.

Хіміку здається надмірною, майже неймовірною здатність органів нюху сортувати і характеризувати різні пахучі речовини. Складні хімічні сполуки, на аналіз яких хімік в лабораторії витратив би не один місяць, ніс пізнає миттєво, навіть якщо вони знаходяться в таких малих кількостях (до однієї десятимільйонної частки грама), що найчутливіші сучасні прилади не можуть їх виявити.

Дві тисячі років тому поет Лукрецій запропонував просте пояснення почуттю нюху. Він вважав, що в «небі» носа є маленькі пори, різні за розмірами і формою. Будь-яка пахуча речовина випускає крихітні «молекули» властивої їй форми. Запах, по Лукрецію, сприймається, коли ці молекули входять в пори «неба». І, мабуть, розпізнавання кожного запаху залежить від того, до яких пір ці молекули підходять.

Нині складається враження, що здогад Лукреція був в своїй основі вірним. За останні кілька років з’явилися нові дані, які досить переконливо показують, що геометрія молекул дійсно служить головною розпізнавальною ознакою запаху. В цій статті буде розглянута стереохімічна теорія запаху і експерименти, які підтвердили її.

Ніс завжди знаходиться в стані готовності до сприйняття запахів. Потік повітря, що всмоктується через ніздрі, проходить вздовж вигнутих по спіралі кісткових перегородок у верхній частині носа; тут повітря обігрівається і фільтрується. При виявленні запаху ми збільшуємо приплив повітря у верхню частину носа, до двох заглибин, в яких розташовуються органи нюху. Вони складаються з двох ділянок жовтуватої тканини, площа кожної з них дорівнює приблизно шести квадратним сантиметрам. Ця тканина пронизана нервовими волокнами двох типів. Їх закінчення сприймають і виявляють молекули пахучих речовин. В основному це волокна нюхового нерва; кожне з таких волокон закінчується нюховою клітиною, збройним пучком волосків, що виконують обов’язки рецепторів.

Інший тип волокон – це довгі тонкі закінчення трійчастого нерва, які чутливі до деяких певних видів молекул. Молекули пахучих речовин, дратуючи закінчення нюхового нерва, посилають сигнали в нюхову цибулину, а звідти – до вищих мозкових центрів, де сигнали підсумовуються і переробляються в характеристики запаху.

З самої суті цієї системи з усією очевидністю випливає, що пахуча речовина має володіти рядом певних властивостей.

По-перше, вона повинна бути летючою. Цибулевий суп, наприклад, дуже сильно пахне тому, що з його поверхні безперервно піднімається пара, яка «вдаряє» в ніс. А така речовина, як залізо, при кімнатній температурі абсолютно позбавлена запаху, тому що атоми з її поверхні не випаровуються.

По-друге, пахуча речовина має володіти хоча б невеличкою розчинністю у воді. Якщо вона абсолютно нерозчина, то вона не проникне до нервових закінчень крізь плівку води, яка покриває їх поверхню.

Ще одна властивість, загальна для всіх пахучих речовин, – їх розчинність в ліпідах (жирових речовинах). Ця властивість дозволяє пахучим речовинам проникати в нервові закінчення крізь жировий шар, який утворює частина поверхневої мембрани – будь-якої клітини.

Якщо не говорити про ці основні властивості, то характеристики пахучих матеріалів надзвичайно невизначені і суперечливі. Протягом багатьох років хіміки шляхом підбору зуміли синтезувати безліч пахучих хімічних сполук. Але замість того щоб прояснити, якими ж властивостями визначається запах, ці речовини внесли ще більше плутанини в проблему. Все ж таки вдалося встановити кілька загальних принципів. Наприклад, виявилося, що додавання бічної гілки до прямого ланцюга вуглецевих атомів в молекулі запашної речовини помітно підсилює аромат. Сильний запах, мабуть, пов’язаний також з ланцюгами з 4-8 атомів вуглецю, які входять в молекули ряду спиртів і альдегідів.

Однак чим більше хіміки займалися аналізом хімічної будови пахучих речовин, тим більше виникало загадок. З точки зору хімічного складу і будови ці речовини відрізнялися дивовижною суперечливістю.

Як не дивно, але в самій цій суперечливості поступово почала вгадуватися якась система. Так, наприклад, два оптичних ізомери – молекули однакові в усіх відношеннях, за винятком того, що вони є дзеркальним відображенням одна одної, – можуть мати різні запахи. Інший приклад. У з’єднанні, молекули якого містять бензойне кільце з шістьма атомами вуглецю, зміна положення групи атомів, пов’язаної з кільцем, може привести до різкої зміни запаху з’єднання. У той же час в з’єднанні, молекули якого містять велике кільце, яке налічує від 14 до 19 ланок, атоми можна дуже істотно перегрупувати, і запах при цьому не зміниться скільки-небудь помітно.

Всі ці факти призвели хіміків до думки, що основним чинником, що визначає запах речовини, можливо, є геометрична форма молекули в цілому, а не деталі її складу або будови.

У 1949 році шотландський вчений Р. Монкріф, виходячи з цих ідей, висунув гіпотезу, що вельми нагадувала здогад Лукреція двотисячолітньої давності. Монкріф припустив, що нюхова система складається з рецепторних клітин декількох різних типів, кожен з яких відповідає окремому «первинному» запаху, і що молекули пахучої речовини викликають відчуття запаху, щільно входячи в рецепторні ділянки цих клітин. Його гіпотеза, по суті, являє собою додаток принципу «замку і ключа», який виявився таким плідним в поясненні взаємодії ферментів з їх «підшефними» молекулами, антитіл з антигенами і дезоксирибонуклеїнової кислоти – ДНК з транспортною РНК в процесі синтезу білка.

Для того, щоб гіпотеза Монкріфа стала практичним інструментом дослідження проблеми нюху, потрібно було знайти відповіді на два питання. Що таке «первинний» запах? І яке значення має форма рецепторної ділянки для кожного з первинних запахів?

Щоб відповісти на ці питання, один з нас (Д. Емур, який працював тоді в Оксфордському університеті) провів велике вивчення літератури з органічної хімії, відшукуючи ключ в характеристиках пахучих речовин. Ці дослідження привели його до висновку, що існують сім первинних запахів. Ось вони: камфароподібний, мускусний, квітковий, м’ятний, ефірний, гострий і гнильний.

З цих семи первинних запахів можна отримати будь-який з відомих запахів, змішуючи їх в певних пропорціях. У цьому сенсі первинні запахи схожі з трьома основними категоріями кольору (червоний, зелений і синій) і чотирма основними категоріями смакових відчуттів (солодке, солоне, кисле і гірке).

Семи первинним запахам повинні відповідати сім різних видів нюхових рецепторів в носі. Можна уявити собі рецепторні ділянки як ультрамікроскопічні щілини або поглиблення певних форм і розмірів в мембрані нервового волокна. Мабуть, молекула відповідної конфігурації входить в таке поглиблення так само, як штепсельна пилка в розетку. Деякі молекули, ймовірно, можуть входити і в дві різні розетки. Одним боком – в більш широкий рецептор, а іншим – у вузький. Речовина, молекули якого входять в рецепторні ділянки обох типів, може сприйматися як що володіє складним запахом.

Наступна проблема полягала в тому, щоб з’ясувати, які форми мають ці сім рецепторних ділянок. Завдяки методам сучасної стереохімії, яка досліджує будову молекул за допомогою дифракції рентгенівських променів, інфрачервоної спектроскопії, електронно-променевих зондів та інших засобів, можна відтворити просторову модель молекули будь-якої хімічної сполуки, для якої відома структурна формула.

Після того як були визначені обриси молекул камфароподібних речовин, стало ясно, що всі вони мають приблизно одну і ту ж, наближено кажучи, сферичну форму. Мало того, коли від моделей перейшли до реальних розмірів молекул, виявилося, що всі вони мають приблизно один і той же діаметр – близько 7 ангстрем (1 ангстрем – десятимільйонна частка міліметра). Звідси випливало, що рецепторна ділянка для камфароподібних молекул повинна мати форму напівсферичної чаші діаметром близько 7 ангстрем. Багато з камфароподібних молекул є сфери, які точно входять в таку чашу, інші злегка згинаються і легко підганяють свою форму до форми чаші.

Коли були побудовані інші моделі, вдалося знайти форми і розміри молекул речовин, що володіють іншими первинними запахами. Мускусний запах властивий молекулам, які мають форму диска з діаметром близько 10 ангстрем. Приємний квітковий аромат викликають молекули, що мають форму диска, до якого приєднаний гнучкий «хвіст» – щось на зразок дитячого повітряного змія. «Прохолодний» м’ятний запах дають клиноподібні молекули, які мають електрично поляризовану групу атомів, здатну утворювати водневий зв’язок близько вістря клина. Ефірний запах властивий молекулам, які мають форму паличок. І в кожному випадку рецепторна ділянка в нервовому закінченні, мабуть, має форму і розмір, відповідно до форми і розміру молекул.

Далі буде.

Автори: Джон Емур, Джеймс Джонстон, Мартін Бубер, переклад з англійської.

P. S. Про що ще говорять британські вчені: про те, що наукові дослідження в галузі вивчення природи запаху окрім головної мети, мають ще побіжні приємні цілі, скажімо завдяки цьому створюються нові, більш досконалі косметичні засоби, такі, як наприклад кремі віші, більше про який можна дізнатися на сайті http://allexpert.com.ua/krem-vishi-dlya-kozhi-lica-svojjstva-i-dejjst/.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *