Стереохимическая природа запаха

Роза — это роза, а скунс — это скунс, и нос легко определит разницу между ними. Но описать или объяснить эту разницу не так легко. Мы до удивления мало знаем о чувстве обоняния, хотя оно играет важную роль в нашей повседневной жизни. Описать какой-нибудь запах можно, только сравнив его с другим, знакомым нам запахом. У нас нет меры, которой можно было бы измерить силу запаха так, как мы измеряем силу звука (в децибеллах) или света (в люменах). Мы не располагаем удовлетворительной общей теорией, которая объяснила бы, как нос и мозг обнаруживают, сравнивают и опознают запахи. Более 30 теорий было выдвинуто представителями различных наук. Однако ни одна из них не выдержала экспериментальной проверки, призванной подтвердить право этих теорий на существование.

Химику кажется баснословной, почти невероятной способность органов обоняния сортировать и характеризовать различные пахнущие вещества. Сложные химические соединения, на анализ которых химик в лаборатории затратил бы не один месяц, нос опознает мгновенно, даже если они находятся в таких малых количествах (до одной десятимиллионной доли грамма), что самые чувствительные современные приборы не могут их обнаружить.

Две тысячи лет назад поэт Лукреций предложил простое объяснение чувству обоняния. Он считал, что в «небе» носа есть маленькие поры, различные по размерам и по форме. Всякое пахнущее вещество испускает крошечные «молекулы» присущей ему формы. Запах, по Лукрецию, воспринимается, когда эти молекулы входят в поры «неба». И, по-видимому, распознавание каждого запаха зависит от того, к каким порам эти молекулы подходят.

Ныне складывается мнение, что догадка Лукреция была в своей основе верной. За последние несколько лет появились новые данные, которые довольно убедительно показывают, что геометрия молекул действительно служит главным опознавательным признаком запаха. В этой статье будет рассмотрена стереохимическая теория запаха и эксперименты, которые подтвердили ее.

Нос всегда находится в состоянии готовности к восприятию запахов. Поток воздуха, всасываемый через ноздри, проходит вдоль изогнутых по спирали костных перегородок в верхней части носа; здесь воздух обогревается и фильтруется. При обнаружении запаха мы увеличиваем приток воздуха в верхнюю часть носа, к двум углублениям, в которых располагаются органы обоняния. Они состоят из двух участков желтоватой ткани, площадь каждого из них равна примерно шести квадратным сантиметрам. Эта ткань пронизала нервными волокнами двух типов. Их окончания воспринимают и обнаруживают молекулы пахучих веществ. В основном это волокна обонятельного нерва; каждое из таких волокон оканчивается обонятельной клеткой, вооруженной пучком волосков, выполняющих обязанности рецепторов.

Другой тип волокон — это длинные тонкие окончания тройничного нерва, которые чувствительны к некоторым определенным видам молекул. Молекулы пахучих веществ, раздражая окончания обонятельного нерва, посылают сигналы в обонятельную луковицу, а оттуда — в высшие мозговые центры, где сигналы суммируются и перерабатываются в характеристики запаха.

Из самой сути этой системы со всей очевидностью следует, что пахучее вещество должно обладать рядом определенных свойств.

Во-первых, оно должно быть летучим. Луковый суп, например, очень сильно пахнет потому, что с его поверхности непрерывно поднимается пар, который «ударяет» в нос. А такое вещество, как железо, при комнатной температуре совершенно лишено запаха, потому что атомы с его поверхности не испаряются.

Во-вторых, пахучее вещество должно обладать хотя бы небольшой растворимостью в воде. Если оно абсолютно нерастворимо, то оно не проникнет к нервным окончаниям сквозь пленку воды, покрывающую их поверхность.

Еще одно свойство, общее для всех пахучих веществ,— их растворимость в липидах (жировых веществах). Это свойство позволяет пахучим веществам проникать в нервные окончания сквозь жировой слой, образующий часть поверхностной мембраны – любой клетки.

Если не говорить об этих основных свойствах, то характеристики пахучих материалов чрезвычайно неопределенны и противоречивы. На протяжении многих лет химики путем подбора сумели синтезировать множество пахучих химических соединений. Но вместо того чтобы прояснить, какими же свойствами определяется запах, эти вещества внесли еще больше путаницы в проблему. Все же удалось установить несколько общих принципов. Например, оказалось, что добавление боковой ветви к прямой цепи углеродных атомов в молекуле душистого вещества заметно усиливает аромат. Сильный запах, по-видимому, связан также с цепями из 4—8 атомов углерода, которые входят в молекулы ряда спиртов и альдегидов.

Однако чем больше химики занимались анализом химического строения пахучих веществ, тем больше возникало загадок. С точки зрения химического состава и строения эти вещества отличались удивительной противоречивостью.

Как ни странно, но в самой этой противоречивости постепенно начала угадываться некая система. Так, например, два оптических изомера — молекулы одинаковые во всех отношениях, за исключением того, что они являются зеркальным отображением одна другой,— могут иметь различные запахи. Другой пример. В соединении, молекулы которого содержат бензойное кольцо с шестью атомами углерода, изменение положения группы атомов, связанной с кольцом, может привести к резкому изменению запаха соединения. В то же время в соединении, молекулы которого содержат большое кольцо, насчитывающее от 14 до 19 звеньев, атомы можно очень существенно перегруппировать, и запах при этом не изменится сколько-нибудь заметно.

Все эти факты привели химиков к мысли, что основным фактором, определяющим запах вещества, возможно, является геометрическая форма молекулы в целом, а не детали ее состава или строения.

В 1949 году шотландский ученый Р. Монкриф, исходя из этих идей, выдвинул гипотезу, весьма напоминавшую догадку Лукреция двухтысячелетней давности. Монкриф предположил, что обонятельная система состоит из рецепторных клеток нескольких различных типов, каждый из которых соответствует отдельному «первичному» запаху, и что молекулы пахучего вещества вызывают ощущение запаха, плотно входя в рецепторные участки этих клеток. Его гипотеза, по существу, представляет собой приложение принципа «замка и ключа», который оказался столь плодотворным в объяснении взаимодействия ферментов с их «подшефными» молекулами, антител с антигенами и дезоксирибонуклеиновой кислоты — ДНК с транспортной РНК в процессе синтеза белка.

Для того, чтобы гипотеза Монкрифа стала практическим инструментом исследования проблемы обоняния, нужно было найти ответы на два вопроса. Что такое «первичный» запах? И какое значение имеет форма рецепторного участка для каждого из первичных запахов?

Чтобы ответить на эти вопросы, один из нас (Д. Эмур, работавший тогда в Оксфордском университете) провел обширное изучение литературы по органической химии, отыскивая ключ в характеристиках пахучих веществ. Эти исследования привели его к выводу, что существуют семь первичных запахов. Вот они: камфароподобный, мускусный, цветочный, мятный, эфирный, острый и гнилостный.

Из этих семи первичных запахов можно получить любой из известных запахов, смешивая их в определенных пропорциях. В этом смысле первичные запахи сходны с тремя основными категориями цвета (красный, зеленый и синий) и четырьмя основными категориями вкусовых ощущений (сладкое, соленое, кислое и горькое).

Семи первичным запахам должны соответствовать семь различных видов обонятельных рецепторов в носу. Можно представить себе рецепторные участки как ультрамикроскопические щели или углубления определенных форм и размеров в мембране нервного волокна. По-видимому, молекула соответствующей конфигурации входит в такое углубление так же, как штепсельная пилка в розетку. Некоторые молекулы, вероятно, могут входить и в две разные розетки. Одной стороной — в более широкий рецептор, а другой — в узкий. Вещество, молекулы которого входят в рецепторные участки обоих типов, может восприниматься как обладающее сложным запахом.

Следующая проблема заключалась в том, чтобы выяснить, какие формы имеют эти семь рецепторных участков. Благодаря методам современной стереохимии, которая исследует строение молекул с помощью дифракции рентгеновских лучей, инфракрасной спектроскопии, электронно-лучевых зондов и других средств, можно воссоздать пространственную модель молекулы любого химического соединения, для которого известна структурная формула.

После того как были определены очертания молекул камфароподобных веществ, стало ясно, что все они имеют примерно одну и ту же, приближенно говоря, сферическую форму. Мало того, когда от моделей перешли к реальным размерам молекул, оказалось, что все они имеют примерно один и тот же диаметр — около 7 ангстрем (1 ангстрем — десятимиллионная доля миллиметра). Отсюда следовало, что рецепторный участок для камфароподобных молекул должен иметь форму полусферической чаши диаметром около 7 ангстрем. Многие из камфароподобных молекул представляют собой сферы, которые точно входят в такую чашу, другие слегка изгибаются и легко подгоняют свою форму к форме чаши.

Когда были построены другие модели, удалось найти формы и размеры молекул веществ, обладающих остальными первичными запахами. Мускусный запах присущ молекулам, имеющим форму диска с диаметром около 10 ангстрем. Приятный цветочный аромат вызывают молекулы, имеющие форму диска, к которому присоединен гибкий «хвост» — нечто вроде детского воздушного змея. «Прохладный» мятный запах дают клинообразные молекулы, имеющие электрически поляризованную группу атомов, способную образовывать водородную связь около острия клина. Эфирный запах свойствен молекулам, имеющим форму палочек. И в каждом случае рецепторный участок в нервном окончании, по-видимому, имеет форму и размер, соответствующие форме и размеру молекул.

Продолжение следует.

Авторы: Джон Эмур, Джеймс Джонстон, Мартин Бубер, перевод с английского.