Стереохімічна природа запаху

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.

Гострий (їдкий) і гнильний запахи випадають зі схеми, запропонованої Лукрецием. У цьому випадку ні форма, ні розміри молекул значення не мають; вирішальну роль грає їх електричний заряд. Гострі, їдкі запахи властиві тим з’єднанням, молекули яких через брак електронів мають позитивний заряд і сильне спорідненість до електронів. Вони називаються електрофільними. А гнильні запахи викликаються молекулами, у яких існує надлишок електронів. Вони носять назву нуклеофільних, так як сильно притягуються ядрами сусідніх атомів. Будь-яка теорія вірна лише в тому випадку, якщо її можна підтвердити експериментально. Стереохімічна теорія успішно витримала шість суворих експериментальних перевірок.

Як це легко бачити, якщо теорія вірна, то ми можемо, виходячи з форми молекули, передбачити, яким запахом ця молекула має. Отже, щоб перевірити теорію, потрібно синтезувати молекули певних форм, а потім подивитися, чи будуть вони видавати передбачені запахи.

Розглянемо молекулу, що складається з трьох ланцюгів, приєднаних до одного атома вуглецю, четверта зв’язок якого зайнята атомом водню. Ця молекула може входити в рецепторний ділянку, що має форму повітряного змія (квітковий запах), в клиновидний ділянку (м’ятний запах) або ж одному з ланцюжків входити в палочкообразной ділянку (ефірний запах). З теорії випливає, що така молекула повинна мати фруктовим запахом, складеним з трьох первинних запахів.

Тепер припустимо, що ми приєднали до четвертої зв’язку вуглецевого атома замість атома водню порівняно громіздку метильную групу. Поява четвертої гілки позбавить молекулу можливості легко входити в рецепторні ділянки, відповідні квітковому і м’ятного запахів, однак одна з її гілок і раніше зможе займати палочкообразной ділянку. В результаті, як це випливає з теорії, переважаючим повинен бути ефірний запах.

Інший з авторів цієї статті (Рубін) синтезував два таких з’єднання в своїй лабораторії. Вони були представлені на суд досвідчених дегустаторів запаху. У випробуваннях був використаний олфактомер, прилад, в якому за допомогою клапанів і регульованих повітряних потоків до дегустатору подавалися точно виміряні концентрації запахів, змішаних або первинних. Кількість пахне пара, що надходить до носа дегустатора, вимірювалося методом газової хроматографії.

Результати випробувань підтвердили правильність теоретичного передбачення. Дегустаційна комісія повідомила, що з’єднання А володіє фруктовим (схожим на виноградний) запахом, а з’єднання В, в якому атом водню був заміщений метильної групою, має запах, що нагадує запах ефіру.

Друге випробування напрошувалося само собою. Чи можна складний запах, зустрічається в природі, відтворити, комбінуючи відповідним чином первинні запахи. Взявши для дослідної перевірки запах кедрового масла, Емур встановив, що форми молекул хімічних сполук, що володіють цим запахом, відповідають рецепторних ділянок камфароподобного, мускусного, квіткового і м’ятного запахів. Третій автор, Джонстон, зайнявся підбором різних комбінацій цих чотирьох первинних запахів, щоб спробувати точно відтворити кедровий запах. Кожну суміш запахів він передавав восьми досвідченим дегустаторам, які порівнювали синтетичний запах з запахом кедрової олії. Після 86 спроб Джонстону вдалося скласти композицію, яка дуже близько походила на запах натурального кедра. З тих же чотирьох первинних запахів йому вдалося синтезувати дуже близьке подобу запаху сандалового масла.

Наступні два випробування були пов’язані з пізнанням чистих (тобто первинних) запахів. Якщо теорія вірна, то молекула, яка може входити в рецепторні ділянки тільки одного типу і ні в які інші, повинна володіти первинним запахом в чистому вигляді. Молекули, однакові за формою і за розмірами, повинні володіти практично однаковим запахом. А ті молекули, форми яких відповідають різним рецепторних ділянок, і пахнути повинні по-різному.

Дегустаторів знайомили з запахами двох різних речовин, молекули яких, тим не менше, мали однакову форму (наприклад, відповідну рецепторному ділянці квіткового запаху). Дегустатори робили висновок, що обидва запаху дуже схожі один на інший. Коли молекули двох дегустованих речовин мали форми, які відповідають різним типам рецепторних ділянок, дегустатори вказували, що речовини мають різні запахами.

Джонстон провів аналогічні експерименти з бджолами. Він поставив досвід, метою якого була перевірка їх здатності розрізняти два запаху, один з яких був «правильним» (з ним була пов’язана підгодівля бджіл цукровим сиропом), а інший – «неправильним» (з ним був пов’язаний «удар» електричним струмом). Ця пара запахів могла ставитися до однієї первинної групі або до різних первинним групам (наприклад, до квіткової та м’ятною).

Спочатку на столику перед вуликом ставилися пари бульбашок з пахучими речовинами, і бджіл привчали до того, що з кожної пари запахів один – «правильний», а інший – «неправильний». Після такого навчання можна було вважати, що бджоли будуть прагнути до запаху, який для них пов’язаний з сиропом, і будуть уникати запаху, пов’язаного з дією електричного струму, звичайно, за умови, що бджоли можуть відрізняти один запах від іншого.

Виявилося, що бджолам важко було розрізняти запахи, що належать до однієї і тієї ж первинної групі (наприклад, м’ятною), але вони легко відрізняли різні первинні запахи (наприклад, м’ятний і квітковий). У цьому останньому випадку вони майже завжди вибирали «правильний» запах без коливань.

Ці експерименти показали, що у бджіл нюх в принципі таке ж, як і у людини. Воно теж засновано на Стереохимические принципі, хоча органи нюху у бджіл влаштовані інакше. Бджола сприймає запах не носом, а вусиками (антенами). Мабуть, рецепторні ділянки на антенах диференціюються за формою приблизно так само, як і в носі людини.

П’ятий досвід проводився з дегустаторами, що мають досвід в розпізнаванні запахів. Дегустаторам давали на дослідження кілька речовин, абсолютно несхожих один на одного в хімічному відношенні, хоча їх молекули мали приблизно однакову форму. Чи будуть всі ці речовини пахнути однаково? Для випробування було відібрано п’ять речовин. Вони належали до трьох різних класів хімічних сполук, що різко відрізняються один від одного за внутрішньою структурою молекул. Але разом з тим у всіх п’яти випадках молекули речовин мали одну і ту ж дискообразную форму, яка властива молекулам, що володіє мускусним запахом. Дегустатори, яким давали нюхати пари цих п’яти речовин в числі багатьох інших, пізнавали все п’ять речовин як речовини, що володіють мускусним запахом. Однак один від одного ці запахи вони відрізнити не могли.

Всі ці свідчення на користь стереохимической теорії були в тій чи іншій мірі непрямими. Потрібно було отримати прямий доказ того, що в органі нюху дійсно існують диференційовані рецепторні ділянки. Таке доказ недавно вдалося знайти Р. Геетленду. Він розробив спосіб відводити електричні імпульси від окремих клітин нюхового нерва за допомогою мікроелектродів, Ввівши електроди в нюховий орган жаби, Гестленд діяв на нього різними запахами і обстежив черзі клітини нюхового нерва, чи відповідають вони електричними імпульсами. Виявилося, що різні клітини по-різному реагують на різні запахи. Вчений встановив, що у жаби є приблизно вісім таких різних рецепторів: мало того, п’ять з них відповідають п’яти таким заходам (камфароподобний, мускусний, ефірний, гнильний і гострий), які стереохимическая теорія виділяє як первинні! Цей результат можна вважати шостим і притому незалежним від попередніх підтвердженням даної теорії.

Маючи в своєму розпорядженні перевіреної на досвіді теорією, ми можемо тепер сподіватися на швидкий прогрес науки про запах. Це може привести до несподіваних результатів. Для людини почуття нюху грає, мабуть, не настільки важливу роль, як для нижчих тварин, але ми залежимо від цього почуття набагато більше, ніж думаємо. Певне уявлення про значущість нюху для людини можна отримати, якщо згадати, який позбавленою смаку стає їжа, коли ніс заклало при нежиті, або як неприємна нам погано пахне питна вода. Управління запахами має найважливіше значення в парфумерної та тютюнової промисловості. Безсумнівно, запах впливає на наше життя багатьма непомітними шляхами, про які ми не підозрюємо.

Проведені дослідження, про які ми розповіли, ймовірно, дозволять вивчити в найдрібніших деталях складні запахи нашої їжі, створити нові аромати і в кінцевому рахунку синтезувати будь-який запах, який ми захочемо отримати.

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