Вибрационная теория обоняния предполагает , что запах молекулы обусловлен ее вибрационной частотой в инфракрасном диапазоне. Эта спорная теория является альтернативой более широко принятой теории стыковки обоняния (ранее называвшейся теорией формы обоняния), которая предполагает, что запах молекулы обусловлен рядом слабых нековалентных взаимодействий между ее белковым рецептором одоранта (обнаруженным в эпителии носа ), таких как электростатические и ван-дер-ваальсовы взаимодействия, а также водородные связи , дипольное притяжение, пи-стэкинг , ион металла, взаимодействие катиона с пи и гидрофобные эффекты, в дополнение к конформации молекулы. [1] [2] [3]
Текущая теория колебаний недавно была названа моделью «протяжной карты», в отличие от моделей «замка и ключа», основанных на теории формы. [4] Как предложил Лука Турин , молекула одоранта должна сначала соответствовать месту связывания рецептора. [ требуется ссылка ] Затем она должна иметь режим колебательной энергии, совместимый с разницей в энергиях между двумя уровнями энергии на рецепторе, чтобы электроны могли перемещаться через молекулу посредством неупругого электронного туннелирования , запуская путь передачи сигнала . [5] Теория колебаний обсуждается в популярной, но спорной книге Чандлера Берра. [6] [7]
Характер запаха кодируется в соотношении активности рецепторов, настроенных на разные частоты колебаний, так же, как цвет кодируется в соотношении активности рецепторов колбочек , настроенных на разные частоты света. Однако важное отличие заключается в том, что одорант должен иметь возможность стать резидентом рецептора, чтобы сгенерировать ответ. Время пребывания одоранта в рецепторе зависит от того, насколько сильно он связывается, что, в свою очередь, определяет силу ответа; интенсивность запаха, таким образом, регулируется механизмом, аналогичным модели «замок и ключ». [5] Для чистой вибрационной теории различные запахи энантиомеров, которые обладают идентичными колебаниями, не могут быть объяснены. Однако, как только связь между реакцией рецептора и продолжительностью пребывания одоранта в рецепторе будет признана, можно будет понять различия в запахе между энантиомерами: молекулы с разной направленностью могут проводить разное количество времени в данном рецепторе и, таким образом, инициировать ответы разной интенсивности.
Поскольку существуют некоторые молекулы аромата разной формы, которые пахнут одинаково (например, бензальдегид, который придает одинаковый запах как миндалю, так и/или цианиду), модель формы «замок и ключ» не совсем достаточна для объяснения происходящего. Эксперименты с обонянием, принимая во внимание квантовую механику, предполагают, что в конечном итоге обе теории могут работать в гармонии — сначала молекулы аромата должны соответствовать друг другу, как в теории стыковки модели обоняния, но затем молекулярные колебания химических/атомных связей берут верх. Так что по сути ваше обоняние может быть гораздо больше похоже на ваше чувство слуха, где ваш нос может «слушать» акустические/вибрационные связи молекул аромата.
Некоторые исследования подтверждают теорию вибрации, в то время как другие оспаривают ее выводы.
Теория была впервые предложена Малкольмом Дайсоном в 1928 году [8] и расширена Робертом Х. Райтом в 1954 году, после чего она была в значительной степени заброшена в пользу конкурирующей теории формы. Статья Луки Турина 1996 года возродила теорию, предложив механизм, предполагающий, что рецепторы, связанные с G-белком, открытые Линдой Бак и Ричардом Акселем, на самом деле измеряют молекулярные колебания с помощью неупругого электронного туннелирования, как утверждал Турин, а не реагируют на молекулярные ключи, подходящие к молекулярным замкам, работая только за счет формы. [5] [9] В 2007 году статья Маршалла Стоунхэма и его коллег из Университетского колледжа Лондона и Имперского колледжа Лондона в Physical Review Letters показала, что предложенный Турином механизм согласуется с известной физикой, и для его описания было придумано выражение «модель магнитной карты». [10] В статье PNAS от 2011 года Турина, Эфтимиоса Скулакиса и коллег из Массачусетского технологического института и Исследовательского центра биомедицинских наук имени Александра Флеминга сообщалось об экспериментах с поведением мух, соответствующих вибрационной теории обоняния. [11] Теория остается спорной. [3] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18]
Главным предсказанием теории Турина является изотопный эффект: нормальная и дейтерированная версии соединения должны пахнуть по-разному, хотя они имеют одинаковую форму. Исследование 2001 года, проведенное Хаффенденом и др., показало, что люди способны отличать бензальдегид от его дейтерированной версии. [19] [20] Однако это исследование подверглось критике за отсутствие двойного слепого контроля для устранения предвзятости и за то, что оно использовало аномальную версию теста дуо-трио. [21] В другом исследовании тесты с животными показали, что рыбы и насекомые способны различать изотопы по запаху. [22] [23] [24] [25]
Дейтерирование изменяет теплоты адсорбции и точки кипения и замерзания молекул (точки кипения: 100,0 °C для H 2 O против 101,42 °C для D 2 O; точки плавления: 0,0 °C для H 2 O, 3,82 °C для D 2 O), p K a (т. е. константу диссоциации : 9,71×10 −15 для H 2 O против 1,95×10 −15 для D 2 O, ср. Тяжелая вода ) и прочность водородных связей. Такие изотопные эффекты чрезвычайно распространены, и поэтому хорошо известно, что замещение дейтерия действительно изменит константы связывания молекул с белковыми рецепторами. [26] Таким образом, любое связывающее взаимодействие молекулы пахучего вещества с обонятельным рецептором, скорее всего, будет демонстрировать некоторый изотопный эффект при дейтерировании, и наблюдение изотопного эффекта никоим образом не свидетельствует исключительно в пользу вибрационной теории обоняния.
Исследование, опубликованное в 2011 году Франко, Турином, Мершиным и Скулакисом, показывает, что мухи могут чувствовать запах дейтерия, и что для мух связь углерода и дейтерия пахнет как нитрил , который имеет похожую вибрацию. В исследовании сообщается, что дрозофила меланогастер (плодовая мушка), которую обычно привлекает ацетофенон , спонтанно не любит дейтерированный ацетофенон. Эта неприязнь увеличивается с количеством дейтерия. (Мухи, генетически измененные с отсутствием обонятельных рецепторов, не могли заметить разницу.) Мух также можно было обучить с помощью электрошока либо избегать дейтерированной молекулы, либо предпочитать ее нормальной. Когда этим обученным мухам затем предоставляли совершенно новый и не связанный с этим выбор нормальных и дейтерированных одорантов, они избегали или предпочитали дейтерий, как и в случае с предыдущей парой. Это говорит о том, что мухи могли чувствовать запах дейтерия независимо от остальной части молекулы. Чтобы определить, был ли этот запах дейтерия на самом деле вызван колебаниями связи углерод-дейтерий (CD) или каким-то непредвиденным эффектом изотопов, исследователи обратились к нитрилам, которые имеют схожие колебания со связью CD. Мухи, обученные избегать дейтерия и которым было предложено выбрать между нитрилом и его ненитрильным аналогом, действительно избегали нитрила, что подтверждает идею о том, что мухи чувствуют колебания. [25] Дальнейшие исследования изотопного запаха ведутся на плодовых мушках и собаках. [27]
Карвон представил запутанную ситуацию для теории колебаний. У карвона есть два изомера , которые имеют идентичные колебания, но один пахнет мятой , а другой — тмином (в честь которого соединение и названо).
Эксперимент Турина, заснятый в документальном фильме BBC Horizon 1995 года «Код в носу», состоял в смешивании изомера мяты с бутаноном , исходя из теории, что форма рецептора, связанного с G-белком, не позволяет карбонильной группе в изомере мяты быть обнаруженной «биологическим спектроскопом». Эксперимент удался, поскольку в качестве испытуемых использовались обученные парфюмеры, которые почувствовали, что смесь 60% бутанона и 40% мятного карвона пахнет тмином.
Согласно оригинальной статье Турина в журнале Chemical Senses , хорошо документированный запах соединений борана является сернистым, хотя эти молекулы не содержат серы . Он предлагает объяснить это сходством частоты между вибрацией связи BH и связью SH. [5] Однако было отмечено, что для o -карборана, который имеет очень сильную растяжку B−H при 2575 см −1 , «лукообразный запах сырого коммерческого o -карборана заменяется приятным камфарным запахом при тщательной очистке, отражая метод коммерческого получения o -карборана из реакций, стимулируемых диэтилсульфидом с запахом лука, который удаляется при очистке». [3]
Биофизические симуляции, опубликованные в Physical Review Letters в 2006 году, показывают, что предложение Турина жизнеспособно с точки зрения физики. [10] [28] Однако Блок и др. в своей статье 2015 года в Proceedings of the National Academy of Sciences указывают, что их теоретический анализ показывает, что «предложенный механизм переноса электронов колебательных частот одорантов [10] может быть легко подавлен квантовыми эффектами неодорантных молекулярных колебательных мод». [17]
Статья 2004 года, опубликованная в журнале Organic Biomolecular Chemistry Такане и Митчеллом, показывает, что описания запахов в литературе по обонянию лучше коррелируют с дескрипторами EVA, которые приблизительно соответствуют колебательному спектру, чем с дескрипторами, основанными на двумерной связности молекулы. Исследование не рассматривало молекулярную форму. [29]
Турин указывает, что традиционные взаимодействия рецепторов типа «замок и ключ» имеют дело с агонистами , которые увеличивают время пребывания рецептора в активном состоянии, и антагонистами , которые увеличивают время пребывания в неактивном состоянии. Другими словами, некоторые лиганды имеют тенденцию включать рецептор, а некоторые — выключать его. В качестве аргумента против традиционной теории обоняния типа «замок и ключ» можно привести тот факт, что было обнаружено очень мало обонятельных антагонистов.
В 2004 году японская исследовательская группа опубликовала данные о том, что продукт окисления изоэвгенола способен противодействовать или предотвращать реакцию обонятельных рецепторов мышей на изоэвгенол. [30]
Три предсказания Луки Турина о природе запаха, основанные на концепциях теории колебаний, были рассмотрены в экспериментальных тестах, опубликованных в Nature Neuroscience в 2004 году Восшаллом и Келлером. [21] Исследование не подтвердило предсказание о том, что изотопы должны пахнуть по-разному, поскольку неподготовленные люди не могли отличить ацетофенон от его дейтерированного аналога. [10] [28] [34] Это исследование также указало на недостатки экспериментального дизайна в более раннем исследовании Хаффендена. [19] Кроме того, описание Турином запаха длинноцепочечных альдегидов как попеременно (1) преимущественно воскового и слегка цитрусового и (2) преимущественно цитрусового и слегка воскового не было подтверждено тестами на неподготовленных испытуемых, несмотря на анекдотическую поддержку профессионалов парфюмерной промышленности, которые регулярно работают с этими материалами. Восшалл и Келлер также представили испытуемым смесь гваякола и бензальдегида , чтобы проверить теорию Турина о том, что смесь должна пахнуть ванилином . Данные Фосшалла и Келлера не подтвердили предсказание Турина. Однако Фосшалл утверждает, что эти тесты не опровергают теорию вибрации. [35]
В ответ на исследование PNAS 2011 года на мухах Восшалл признал, что мухи могут чувствовать запах изотопов, но назвал вывод о том, что запах основан на вибрациях, «чрезмерной интерпретацией» и выразил скептицизм по поводу использования мух для проверки механизма, изначально приписываемого человеческим рецепторам. [27] Восшалл заявил, что для подтверждения теории необходимо провести дополнительные исследования рецепторов млекопитающих. [36] Билл Ханссон, специалист по обонянию насекомых , поднял вопрос о том, может ли дейтерий влиять на водородные связи между одорантом и рецептором. [37]
В 2013 году Турин и его коллеги подтвердили эксперименты Восшалла и Келлера, показывающие, что даже обученные люди не могли отличить ацетофенон от его дейтерированного аналога. [38] В то же время Турин и его коллеги сообщили, что добровольцы смогли отличить циклопентадеканон от его полностью дейтерированного аналога. Чтобы объяснить различные результаты, наблюдаемые с ацетофеноном и циклопентадеканоном, Турин и его коллеги утверждают, что «должно быть много связей CH, прежде чем они будут обнаружены по запаху. В отличие от ацетофенона, который содержит только 8 водородов, циклопентадеканон имеет 28. Это приводит к более чем 3-кратному увеличению числа колебательных мод с участием водородов, чем в ацетофеноне, и это, вероятно, необходимо для обнаружения разницы между изотопомерами». [38] [39] Турин и его коллеги не приводят квантово-механического обоснования этого последнего утверждения. Обратите внимание, что правильным термином для соединений, различающихся числом изотопных замещений, является изотополог ; изотопомеры различаются только положением замещений.
Воссхолл , комментируя работу Турина, отмечает, что «обонятельные мембраны загружены ферментами, которые могут метаболизировать одоранты, изменяя их химическую идентичность и воспринимаемый запах. Дейтерированные молекулы были бы плохими субстратами для таких ферментов, что привело бы к химическому различию в том, что тестируют субъекты. В конечном счете, любая попытка доказать вибрационную теорию обоняния должна быть сосредоточена на реальных механизмах на уровне рецептора, а не на косвенном психофизическом тестировании». [15] Ричард Аксель , один из лауреатов Нобелевской премии по физиологии 2004 года за свою работу по обонянию, выражает схожее мнение, указывая, что работа Турина «не разрешит спор — только микроскопический взгляд на рецепторы в носу наконец покажет, что работает. Пока кто-то действительно не сядет и серьезно не рассмотрит механизм, а не выводы из механизма... не кажется полезным использовать поведенческие реакции в качестве аргумента». [13]
В ответ на статью 2013 года о циклопентадеканоне [38] Блок и др. [17] сообщают, что рецептор распознания мускуса человека OR5AN1, идентифицированный с использованием гетерологичной системы экспрессии обонятельных рецепторов и устойчиво реагирующий на циклопентадеканон и мускон (который имеет 30 водородов), не различает изотопологи этих соединений in vitro. Более того, рецептор распознания (метилтио)метантиола мыши MOR244-3, а также другие выбранные обонятельные рецепторы человека и мыши реагировали аналогично на нормальные, дейтерированные и изотопологи углерода-13 их соответствующих лигандов, что соответствует результатам, полученным с рецептором мускуса OR5AN1. На основании этих результатов авторы приходят к выводу, что предложенная теория вибрации не применима к человеческому мускусному рецептору OR5AN1, мышиному тиоловому рецептору MOR244-3 или другим исследованным обонятельным рецепторам . Кроме того, теоретический анализ авторов показывает, что предложенный механизм переноса электронов колебательных частот одорантов может быть легко подавлен квантовыми эффектами неодорантных молекулярных колебательных мод. Авторы приходят к выводу: «Эти и другие опасения по поводу переноса электронов в обонятельных рецепторах вместе с нашими обширными экспериментальными данными свидетельствуют против правдоподобности теории вибрации».
Комментируя эту работу, Восшалл пишет: «В PNAS Блок и др.... переносят спор «форма против вибрации» с обонятельной психофизики на биофизику самих ОР. Авторы предпринимают сложную междисциплинарную атаку на центральные положения теории вибрации, используя синтетическую органическую химию, гетерологичную экспрессию обонятельных рецепторов и теоретические соображения, чтобы не найти никаких доказательств в поддержку вибрационной теории обоняния». [1] В то время как Турин комментирует, что Блок использовал «клетки в чашке, а не внутри целых организмов» и что «экспрессия обонятельного рецептора в эмбриональных почечных клетках человека неадекватно воссоздает сложную природу обоняния ...», Восшалл отвечает: «Эмбриональные почечные клетки не идентичны клеткам в носу... но если вы смотрите на рецепторы, это лучшая система в мире». [40] В письме редактору PNAS Турин и др. [41] выражают обеспокоенность по поводу Блока и др. [17] и Блок и др. отвечают. [42]
Недавно Сабери и Аллаеи предположили, что существует функциональная связь между молекулярным объемом и обонятельным нейронным ответом. Молекулярный объем является важным фактором, но это не единственный фактор, определяющий ответ ONR. Сродство связывания пары одорант-рецептор зависит от их относительных размеров. Максимальное сродство может быть достигнуто, когда молекулярный объем одоранта соответствует объему связывающего кармана. [43] Недавнее исследование [44] описывает реакции первичных обонятельных нейронов в культуре тканей на изотопы и обнаруживает, что небольшая часть популяции (<1%) четко различает изотопы, некоторые даже дают ответ «все или ничего» на изотопологи H или D октаналя. Авторы связывают это с различиями в гидрофобности между нормальными и дейтерированными одорантами.