2.2 Теории обоняния

Со времен Лукреция Кара было предложено множество теорий запахов [23]:

• Атомарная (корпускулярная) теория римского поэта и философа Лукреция Кара.

• Колебательная теория Дайсона (Dyson) 1938 г. или гипотеза об обусловленности запаха инфракрасным резонансом колебания молекул.

• Предположение Лайнуса Полинга, который в 1946 г. предположил, что специфичность запаха связана с формой и размером молекулы химического вещества.

• Стерическая теория Монкриффа (R.W. Moncrieff) 1949 г., который заявил, что запах ощущается, если переносимые воздухом молекулы комплементарно “встраиваются” в некие участки рецепторов обонятельной нервной системы,

• Химическая теория Цваардемакера. Одоривектор (молекулы пахучего вещества) растворяется в секрете боуменовых желез и вступает в контакт с волосками обонятельных клеток и вызывает их возбуждение.

• Физическая теория Генингса. Одоривекторы излучают волны высокой частоты, которые передаются на обонятельный анализатор и различные группы клеток резонируют в ответ на колебания, характерные определенному одоривектору.

• Электрохимическая теория Мюллера. Возбуждение органа обоняния происходит благодаря электрохимической энергии пахучего вещества.

• Стереохимическая теория Эймура.

• Колебательная спектроскопическая теория туннелирования электронов, или волновая теория Луки Турина (Luca Turin), согласно которой каждый аромат определяется частотой колебаний межатомных связей в молекулах, на которые нос реагирует.

Все теории можно разделить на две большие группы, контактные и волновые.

Самой известной волновой теорией является теория Бека и Милеса, которая предполагает, что орган обоняния подобен источнику инфракрасного излучения.

В качестве доказательства приводится способность пчел чувствовать запах меда, помещенного в запаянный контейнер, который, тем не менее, пропускает инфракрасное излучение. Следовательно, можно сделать вывод, что пахучие вещества, запаянные в полиэтилен, должны вызывать обонятельные ощущения, поскольку полиэтилен пропускает инфракрасное излучение. Однако ничего подобного не происходит.

Волновые теории противоречат двум основным свойствам запаха:

1) запах не может распространяться в безвоздушной среде;

2) вещества с запахом должны быть летучи. Так, например, железо ничем не пахнет, потому что с его поверхности не происходит испарения молекул. Следовательно, запах обусловлен не волнами, испускаемыми этими веществами, а молекулами пахучего вещества. В настоящее время от волновых теорий большинство ученых отказались.

Контактные теории делятся на физические и химические, в зависимости от типа взаимодействия обонятельных рецепторов с молекулами пахучего вещества.

Наиболее широко распространёнными являются стереохимическая, вибрационная и комбинаторная теории.

Стереохимическая теория считает, что запах обусловлен формой и размерами молекул, а не химическим составом. Запах вещества зависит от того, насколько точно их молекулы соответствуют определённым углублениям (лункам), расположенным на рецепторной мембране обонятельного анализатора.

Вибрационная теория предполагает связь восприятия запаха с колебательными движениями атомов, входящих в состав ароматических веществ. В результате колебаний атомов возникают электромагнитные волны, которые поглощаются рецепторной мембраной и трансформируются в ощущение запаха. Недостатком данной теории является то, что два вещества, имеющие совершенно разные запахи, имеют одинаковые электромагнитные колебания.

Комбинаторная теория считает, что механизм обоняния у млекопитающих работает по комбинаторному принципу, т.е. идет процесс распознавания и переработки сигналов запаха. Вместо выделения отдельного рецептора под каждый специфический запах система обоняния использует «рецепторный алфавит», что выливается в специфический ответ на запах, перерабатываемый в нейронах мозга Разработанный метод позволяет количественно измерять поток кальциевых ионов. С его помощью показано, что:

1) каждый отдельный рецептор может распознавать много одорантов (одорант (от лат. odor – запах), вещество, добавляемое в газ или воздух для придания ему характерного запаха);

2) в свою очередь, отдельный одорант, как правило, распознается многими рецепторами;

3) разнообразные одоранты распознаются различными комбинациями рецепторов, что указывает на то, что обонятельная система использует комбинаторную схему кодирования запахов.

Эти результаты объясняют, как могут 1000 (или около того) рецепторов различать многие тысячи разнообразных ароматов. Л.Бак и ее коллеги показали также, что даже небольшие изменения в химической структуре одоранта приводят к активизации различных комбинаций рецепторов .

Было также обнаружено, что бóльшие количества вещества оказывает влияние на бóльший набор рецепторов. Это объясняет вариации восприятия одного и того же вещества, если его концентрации существенно различаются, например, индол при высокой концентрации пахнет гнилью, в то время как его легкое дуновение ощущается как аромат цветов [24].

Рассмотрим более подробно основные положения этих теорий.

2.2.1 Стереохимическая теория

В 1949 году Р. Монкрифф предложил гипотезу, сильно напоминавшую догадку Лукреция 2000-летней давности. Монкрифф предположил, что обонятельная система построена из рецепторных клеток немногих типов, каждый из которых воспринимает отдельный «первичный» запах, и что пахучие молекулы оказывают свое действие при точном совпадении их формы с формой «рецепторных участков» этих клеток. Он предположил, что существует от 4 до 12 типов рецепторов, каждый из которых отвечает основному запаху. Его гипотеза была новым приложением концепции «ключа и замка», которая оказалась плодотворной для объяснения взаимодействия ферментов с их субстратами, антител с антигенами, молекул ДНК с молекулами РНК [22].

Дж. Эймур развил и детализировал теорию Р. Монкриффа [25]. Потребовалось два усовершенствования: во-первых, установить, сколько существует видов рецепторов, и, во-вторых, определить размеры и форму каждого из них. Для определения количества видов рецепторов Эймур установил число основных запахов, считая, что каждый из них отвечает форме рецептора. Это было достигнуто при объединении 600 соединений в группы на основе сходности запаха. На основании частоты встречающихся запахов удалось выделить 7 запахов, которые можно рассматривать как первичные.

При смешивании первичных запахов в определенных пропорциях можно получить любой известный запах. Молекулы важнейших запахов могут совпасть только с одним видом рецепторов, тогда как молекулы сложных запахов должны подходить двум или даже большему числу видов рецепторов. Поэтому важнейшие запахи в чистом виде встречаются реже, чем сложные.

Чтобы воспринять семь первичных запахов, в носу, согласно теории Эймура, должно быть семь различных типов обонятельных рецепторов. Ученый представлял рецепторные участки в виде ультрамикроскопических щелей или впадин в мембране нервного волокна, каждая из которых имеет своеобразную форму и величину. Предполагалось, 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. В подобных случаях вещество, молекула которого подходит к двум типам рецепторов, может сигнализировать мозгу о сложном запахе.

Исследователи изучили формы семи рецепторных участков. В результате были найдены формы и размеры молекул веществ, дающих первичные запахи.

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.

2.2.2 Вибрационная теория запаха

Вибрационная теория Дайсона предполагает, что физическую основу запаха составляет не размер, форма или реакционная способность молекул пахучих веществ, а их колебательные движения [26]. Эта теория дает простое и общее объяснение одному из наиболее загадочных явлений, касающихся запаха: вещества, имеющие совершенно разное строение, например, мускусы, пахнут очень похоже, тогда как вещества с весьма сходной структурой молекул, например, кетоны, пахнут по-разному. Молекула представляет собой, в сущности, набор тяжелых частиц, связанных друг с другом упругими силами. При этом одна и та же колебательная частота может соответствовать самым разнообразным химическим структурам и химическим свойствам.

На основании собранной информации Дайсон предположил, что осмические частоты, к которым чувствителен нос, соответствуют волновым числам между 1400 и 3500; так, ощущения эфирных запахов вызываются колебаниями с волновыми числами около 2700. Кроме того, Дайсон подчеркивал, что, помимо наличия определенных характеристических колебательных частот, пахучее вещество должно обладать достаточной летучестью и определенной растворимостью.

Привлекательность этой теории заключается в том, что ее можно детально проверить экспериментом. Для этого необходимо лишь сравнить колебательные частоты групп веществ, имеющих похожие запахи, и показать, таким образом, что запах этих веществ соответствует определенным частотам колебаний или комбинациям таких частот.

Теория Дайсона сразу привлекла к себе огромное внимание, однако вскоре о ней забыли, потому что ее положение о связи запаха с колебательными частотами молекул, соответствующими значениям волновых чисел от 1400 до 3500, оказалось несостоятельным. Дело в том, что, исходя из этих колебательных частот, нельзя было правильно предсказывать запахи, и, следовательно, эта теория не удовлетворяла самому главному требованию.

Райт показал, что в результате столкновений молекул пахучего вещества с молекулами воздуха при 300°К существенное значение могут иметь только возбуждения колебаний с волновыми числами ниже 500, а частоты Дайсона в диапазоне волновых чисел 1400—3500 скорее всего вообще не являются осмическими. Последние находятся в диапазоне от 500 до 50.

Вибрационной теории запаха, однако, чрезвычайно не повезло в том смысле, что колебания в этом диапазоне частот почти не изучены.

Основные положения этой теории по Райту [26].

1 Ощущения запаха возникают в результате каких-то колебательных движений, свойственных молекулам пахучих веществ.

2 Подчиняясь правилам квантований, эти колебаний должны иметь довольно низкую частоту и, вероятно, лежать в диапазоне волновых чисел от 500 до 50.

3 Единственно доступные методы экспериментального измерения колебательных движений в молекулах основаны на эффекте комбинационного рассеяния света (Раман-эффекте) и методе инфракрасной спектроскопии.

4 Определив соответствующие колебательные частоты различных пахучих веществ, можно установить связь между запахами веществ и некоторыми частотами или комбинациями частот, характеризующими эти вещества.

5 Природа взаимоотношений молекулярных колебаний пахучих веществ и обонятельных клеток носа не известна, но нет никаких оснований считать, что их взаимодействие как-то связано с эффектом комбинационного рассеяния света или поглощения в инфракрасной области, которые используются просто для определения вибрационных частот.

Что касается информационной емкости обонятельной системы, то вибрационная теория является первой и единственной теорией обоняния, которая удовлетворяет всем требованиям, вытекающим из представлений об информационной емкости. Диапазон частот со значениями волновых чисел от 50 до 500 включает несколько более трех «октав». У фортепьяно это соответствует 35-40 полным тонам, и если «ширина полос» отдельных осмических частот составляет примерно ту же величину, что и у фортепьяно, то можно наилучшим образом объяснить существование 25-35 первичных запахов, как и требует теория информации.

Колебательная спектроскопическая теория туннелирования электронов

Дальнейшее развитие вибрационная теория получила в трудах Люка Турина (Luca Turin) [27] Л. Турин увидел в ней рациональное зерно и решил основательно ее переработать. В результате им был предложен новый механизм передачи биологического сигнала, но основанный также на молекулярных колебаниях. При этом Турин отверг основные позиции более ранней механистической колебательной спектроскопической гипотезы. Он допустил, что рецепторные белки работают как “биологический спектроскоп. В основе разработанного механизма лежит процесс “упругого туннелирования”* электронов [28]. Процесс туннелирования показан на рисунке 2.1.

*Термин “туннелирование электрона” означает, что электрон переносится между двумя молекулами переносчиков, разделенных энергетическим барьером, в условиях, когда энергия электрона недостаточна для преодоления этого барьера. В классической физике в этих условиях перенос электрона был бы невозможен, поскольку при обычной температуре он не может получить необходимую для преодоления барьера энергию. Квантово-механический эффект состоит в том, что в силу своей волновой природы электрон как бы “просачивается” под барьером. Отсюда и название — туннелирование. Электрон туннелирует от одного переносчика к другому с вероятностью, которая зависит от ширины и высоты барьера.

Когда обонятельный рецептор свободен, электроны не могут через него туннелировать, но с приходом молекулы с нужной энергией колебаний, равной разности между заполненными и незаполненными энергетическими уровнями на рецепторе, появляется туннельный ток, сигнал передаётся дальше, и животное чувствует запах. Соответствующий молекуле аромат, таким образом, кодируется её колебательной частотой.

Рисунок 2.1 - Действие обонятельного рецептора и туннелирование электрона в «вибрационной» теории (иллюстрация NewScientist).

Для практического сравнения двух теорий используют следующую схему: испытуемым предлагают «обычные» молекулы пахучего вещества и молекулы, в которых водород заменён дейтерием, стабильным тяжёлым изотопом водорода. Если участники эксперимента чувствуют разницу, можно утверждать, что «стерическая» теория не соответствует действительности, поскольку на форму молекулы дейтерий никакого влияния не оказывает, а колебательные частоты, напротив, изменяются.

В новой работе г-на Турина и его коллег описан именно такой опыт. Дрозофил помещали в простейший лабиринт с двумя одинаковыми рукавами, в один из которых закачивался привлекающий мушек ацетофенонC₆H₅COCH₃, а в другой — дейтерированная версия того же соединения. Как оказалось, насекомые явно предпочитают отделение, в котором находится обычный ацетофенон; кроме того, биологи, используя стандартную процедуру «обучения» мушек с помощью слабого электрического тока, сумели заставить подопытных изменить предпочтения. Аналогичные результаты дали эксперименты с октаноломCH₃(CH₂)₇OH и бензойным альдегидомC₆H₅CHO.

Сторонники классической теории, однако, не считают, что эти данные доказывают её состоятельность. Имеются исследования, содержащие прямо противоположные результаты опыта с тем же дейтерированным ацетофеноном, проведённые в группе людей.

Теория Турина столкнулась с одной проблемой, связанной с различными запахами некоторых энантиомеров (оптические изомеры), поскольку они имеют идентичные колебательные спектры. Например, запах R-карвона похож на запах мяты, а S-карвона на запах тмина. Решение этой проблемы заключается в следующем: спектры идентичны только в ахиральной среде, как в растворе, так и в газовой фазе. Но обонятельные рецепторы - хиральные и располагают эти два энантиомера по-другому. Это означает, что различные колебательные группы лежат в туннельном направлении в каждом энантиомере. Ученый полагает, что тминный S-карвон располагается в одном направлении с карбонильной (C=O) группой, и поэтому ее возможно обнаружить; в мятном R-карвоне, она находится под прямым углом, и поэтому не обнаруживается. Турин подтвердил это, создав аромат тмина путем смешивания мятного карвона с бутаноном, в котором содержался карбонил (C₂H₅COCH₃). [29]

2.2.3 Комбинаторная теория

В марте 1999 г. исследователи Линда Бак (Linda Buck), Беттина Малник (Bettina Malnic) из Гарвардской Медицинской Школы (Harvard Medical School), Джунзо Хироно (Junzo Hirono) и Такааки Сато (Takaaki Sato) из японского научного центра “Life Electronics Research Center” в г. Амагасаки (Amagasaki) своей публикацией дали ответ на старую загадку — как нос различает такое колоссальное количество запахов [30, 31]. Оказалось, что механизм обоняния у млекопитающих работает по комбинаторному принципу, т. е. идет процесс распознавания и переработки запаховых сигналов. Вместо выделения отдельного рецептора под каждый специфический запах, система обоняния использует “рецепторный алфавит”, что выливается в специфический ответ на запах, перерабатываемый в нейронах мозга. Как в языке или музыке, с целью резкого снижения числа рецепторов до реально необходимого количества система обоняния, по-видимому, использует комбинацию рецепторов (аналог словам или музыкальным нотам, или коду компьютерной программы), что, тем не менее, позволяет ей передавать широкую гамму ароматов. Как и в генетическом коде, где четыре нуклеотида (аденин, цитозин, гуанин и тимин) позволяют создавать почти бесконечное число комбинаторных последовательностей генов, обонятельная система млекопитающих также использует комбинаторный подход. Первым подтверждением этого стали результаты работы Бак и ее соавторов. Когда запах возбуждает нейрон, сигнал передается по аксону в обонятельную луковицу. Эта структура, расположенная в самой передней части мозга, является центром обмена информацией о запахе. Из обонятельной луковицы сигналы ретранслируются в высшие отделы коры головного мозга, где они обрабатываются, после чего в лимбической системе генерируются соответствующие эмоции.

В указанной выше работе отдельные нейроны мыши обрабатывались набором одорантов, и с помощью метода, позволяющего получать изображение ионов кальция, исследователи могли видеть, какие нервные клетки стимулируются в ответ на конкретный одорант. Когда молекула одоранта связывается со своим рецептором, нервные клетки реагируют на это открытием кальциевых каналов, при этом поток ионов кальция направлен внутрь клетки. Затем этот поток преобразуется в электрический ток, передаваемый по аксону как нервный сигнал. Разработанный метод позволяет количественно измерять поток кальциевых ионов. С его помощью показано, что каждый отдельный рецептор может распознавать много одорантов, в свою очередь, отдельный одорант, как правило, распознается многими рецепторами и разнообразные одоранты распознаются различными комбинациями рецепторов, что указывает на то, что обонятельная система использует комбинаторную схему кодирования запахов.

Эти результаты объясняют, как может 1000 (или около того) рецепторов различать многие тысячи разнообразных ароматов. Бак и ее коллеги показали также, что даже небольшие изменения в химической структуре одоранта приводят к активизации различных комбинаций рецепторов. Именно поэтому запах октанола навевает мысли о цитрусовых ароматах, а запах сходного соединения, октановой кислоты, скорее напоминает запах пота. Было также обнаружено, что бóльшие количества вещества связываются с бóльшим репертуаром рецепторов по сравнению с малым количеством этого же вещества. Это объясняет вариации восприятия одного и того же вещества, если его концентрации существенно различаются, например, индол при высокой концентрации пахнет гнилью, в то время как его легкое дуновение ощущается как аромат цветов.