Ричард Эксел и Линда Бак стали лауреатами Нобелевской премии по физиологии и медицине за 2004 год за передовые исследования «обонятельных рецепторов и организации системы органов обоняния».
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[69]. 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[70].
Рис. 5.2. Молекулы а, б, в и г различаются по форме, однако пахнут практически одинаково. Молекулы д и е практически совпадают по форме, однако сильно различаются запахом
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 C=O, 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.
