Дж . Эймур , Дж . Джонстон , М , Рабин Стереохимическая теория обоняния 1
Роза есть роза, а вонючка — вонючка, и наш нос легко определяет разницу между ними. Но не так-то легко описать или объяснить эту разницу. Мы знаем удивительно мало об обонянии, несмотря на то, что оно оказывает большое влияние на нашу повседневную жизнь и ему посвящена огромная исследовательская литература. Человек может описать запах только путем сравнения его с каким-либо более знакомым запахом. У нас нет единицы для измерения силы запаха, подобной децибелам для измерения силы звука и люменам для измерения светового потока. И мы не располагаем до сих пор какой-либо удовлетворительной общей теорией, которая объяснила бы, каким образом нос и мозг обнаруживают, опознают и узнают запах. Ученые различных специальностей предложили более 30 теорий, но ни одна из них не выдержала проверки экспериментом.
Обоняние, несомненно, является химическим чувством, тонкость которого вошла в поговорку. Химику способность носа различать и определять свойства химических веществ кажется почти невероятной. Ему приходится иметь дело со сложными соединениями, химический анализ которых может потребовать месяцев лабораторных исследований; нос же опознает их немедленно в столь ничтожных количествах (одна десятимиллионная грамма), в каких самая чувствительная современная лабораторная аппаратура часто не в состоянии их даже обнаружить, не говоря уже о том, чтобы проанализировать и классифицировать их.
Две тысячи лет назад поэт Лукреций предложил простое объяснение чувству обоняния. Он думал, что на нёбе имеются маленькие поры различной величины и формы. Каждое пахучее вещество, говорил он, испускает мельчайшие «молекулы» определенной формы, и запах ощущается тогда, когда эти молекулы входят в поры на нёбе. По-видимому, опознание каждого запаха зависит от того, к каким порам подходят его молекулы.
Сегодня нам представляется, что догадка Лукреция была принципиально правильной. В течение последних нескольких лет новые данные довольно убедительно показали, что геомет-
 |
1 Восприятие: механизмы и модели.— М.: Мир, 1974.— с. 86—96.
307
Puc . l. На этих рисунках представлена «анатомия обоняния». А.Воздух, несущий молекулы пахучего вещества, втягивается в полость носа и проходит мимо трех косточек причудливой формы к островкам эпителия, в который погружены окончания многочисленных обонятельных нервов. Б. Гистологический срез обонятельного эпителия показывает обонятельные нервные клетки и их отростки, окончания тройничного нерва и опорные клетки. В. Согласно стереохимической теории, разные обонятельные нервные клетки возбуждаются различными молекулами в зависимости от размера, формы или заряда молекулы; эти свойства определяют, к какой из разнообразных ямок или щелей на окончаниях обонятельного нерва будет проходить молекула; здесь видно, что молекула /-ментола соответствует углублению «мятного» рецепторного участка.
308
рия молекул является действительно главным фактором, определяющим запах, и на этой основе была создана современная теория обоняния. Здесь мы рассмотрим стереохимичес-кую теорию обоняния и опишем эксперименты, которые ее подтверждают.
Нос всегда готов к восприятию запахов. Поток воздуха, втянутый через ноздри, согревается и фильтруется при прохождении между тремя косточками типа раковин в верхней части носовой полости; когда обнаруживается запах, новая порция воздуха сильно втягивается вверх к двум щелям, в которых находятся обонятельные рецепторы (рис. 1). Эти образования представляют собой два участка желтоватой ткани, каждый из которых занимает площадь около 2,5 см2. В этой ткани проходит два типа нервных волокон, окончания которых воспринимают и обнаруживают пахучие молекулы. Основной тип представлен волокнами обонятельного нерва; на конце каждого из таких волокон находится обонятельная клетка, снабженная пучком волосоподобных нитей, которые выполняют роль рецепторов. Другой тип волокон представляет собой длинные тонкие окончания тройничного нерва, которые чувствительны к некоторым видам молекул. При раздражении пахучими молекулами окончания обонятельного нерва посылают сигналы к обонятельной луковице и оттуда к высшим центрам мозга, где эти сигналы интегрируются и декодируются в отношении характера и интенсивности запаха.
Из самой природы этой системы сразу становится очевидным, что для того, чтобы быть пахучим, вещество должно обладать некоторыми особыми свойствами. Прежде всего оно должно быть летучим. Луковый суп, например, обладает сильным запахом, потому что непрерывно выделяет пар, который достигает носа. И наоборот, такое вещество, как железо, при обычных температурах совсем ничем не пахнет, потому что с его поверхности не происходит испарения молекул.
Второе требование к пахучим веществам состоит в том, что они должны быть растворимы в воде хотя бы в самых ничтожных количествах. Если вещество полностью нерастворимо, то оно не достигнет нервных окончаний, поверхность которых покрыта водной пленкой. Еще одно общее свойство пахучих веществ заключается в их растворимости в липидах (жирах), что позволяет им проникнуть в нервные окончания через ли-
309
Рис. 2. Показаны обонятельные рецепторные участки для всех первичных запахов, а также примеры молекул веществ, обладающих этими запахами. Формы первых пяти рецепторных участков показаны в перспективе, а также в верхней и боковой проекциях (с расположенными в них силуэтами молкул); известные размеры даны в ангстремах. Представлены молекулы следующих веществ (слева направо): гексахлорэтан, ксиленовый мускус, а-алмипиридин, /-ментол и диэтиловый эфир. Вещества с едким (муравьиная кислота) и гнилостным (сероводород) запахами имеют молекулы, которые соответствуют рецепторным участкам по зарядам, а не по форме.
пидный слой, который образует часть наружной мембраны каждой клетки.
Не считая этих элементарных свойств, особенности пахучих веществ остаются неясными и залутанными. В течение многих лет химики эмпирически синтезировали огромное ко-
310
личество пахучих веществ как для парфюмерии, так и для своих собственных исследований обоняния, но вместо того чтобы пролить свет на свойства, от которых зависит запах, эти вещества только увеличивали путаницу. Было открыто лишь несколько общих принципов. Например, было обнаружено, что добавление боковой ветви к прямой цепи углеродных атомов весьма усиливает запах духов. Сильный запах оказался также свойственным молекулам некоторых спиртов и альдегидов, содержащих от четырех до восьми углеродных атомов. Однако чем больше химики анализировали химическое строение пахучих веществ, тем больше возникало загадок. С точки зрения химического состава и структуры эти вещества поражают отсутствием какой-либо закономерности.
Достаточно любопытно то, что это отсутствие закономерности само стало своего рода закономерностью. Например, два
311
оптических изомера — идентичные во всех отношениях молекулы, кроме того, что одна является зеркальным отражением другой, — могут пахнуть по-разному. Другой пример: в веществах, молекулы которых содержат бензольное кольцо из шести углеродных атомов, изменение положения группы атомов, связанных с кольцом, может резко изменить запах соединения, тогда как соединения, молекулы которых включают большое кольцо из 14—19 атомов, могут быть существенно перегруппированы без заметного изменения их запаха. Эти факты привели химиков к мысли о том, что, возможно, основным фактором, определяющим запах вещества, является общая геометрическая форма его молекулы, а не какая-либо деталь его состава или структуры.
В 1949 году Р. Монкрифф оформил эти идеи, предложив гипотезу, сильно напоминавшую догадку Лукреция 2000-летней давности. Монкрифф предположил, что обонятельная система построена из рецепторных клеток немногих отличных друг от друга типов, каждый из которых представляет отдельный «первичный» запах, и что пахучие молекулы оказывают свое действие путем точного совпадения их формы с формой «рецепторных участков» на этих клетках. Его гипотеза является новым приложением концепции «ключа и замка», которая оказалась плодотворной для объяснения взаимодействия ферментов с их субстратами, антител с антигенами и дезоксирибо-нуклеиновой кислоты с матричной (информационной) рибонуклеиновой кислотой.
Для того чтобы перевести гипотезу Монкриффа на язык практического исследования обоняния, надо было ответить на два важных вопроса: что такое «первичные запахи» и какова форма рецепторного участка для каждого из них? Пытаясь ответить на эти вопросы, один из нас (Эймур) занялся выяснением химических особенностей пахучих соединений. Его поиски привели к заключению, что существует семь первичных запахов, и в 1952 году его исследования были суммированы в стереохимической теории обоняния, которая определила эти семь запахов и дала детальное описание размеров, формы и химического сродства семи соответствующих рецепторных участков (рис. 2).
Чтобы определить первичные запахи, Эймур начал с описания 600 органических соединений, которые обозначены в ли-
312
Рис. 3. Сложные запахи составлены из нескольких первичных. Изображены молекулы трех веществ с запахом миндаля: бензальдегид (А), 
нит-ротиофен (Б) и циклооктанон (В). Каждый из них укладывается (слева направо) в камфарный, цветочный (двумя молекулами) и мятный рецеп-торные участки.
тературе как пахучие. Если гипотеза рецепторных участков была правильной, то распознавание первичных запахов должно происходить значительно чаще, чем смешанных запахов, составленных из двух или большего числа первичных (рис. 3). И действительно, по данным химиков, определенные запахи встречаются гораздо чаще, чем другие. Например, в литературе указано более 100 соединений, имеющих запах камфары, и только около шести отнесены к категории обладающих запахом кедрового дерева. Это указывало, что, по всей вероятности, запах камфары относится к первичным. На основании частоты встречающихся запахов и некоторых других соображений удалось выделить семь запахов, которые можно было pac-
313
сматривать как возможные первичные. К этим запахам относятся: камфарный, мускусный, цветочный, мятный, эфирный (эфироподобный), едкий и гнилостный (таблица).
Таблица Первичные запахи