Запахи Примеры веществ Примеры

Дата: 2025-04-30; Просмотры: 11

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

из повседневной жизни

Камфарный Камфара Антимоль

Мускусный Пентадеканолактон Масло из корня дудника

Цветочный Фенилэтилметилэтил- Розы

карбинол

Мятный Ментол Мятные конфеты

Эфирный Этилендихлорид Жидкость для сухой чистки

Едкий Муравьиная кислота Уксус

Гнилостный Бутилмеркаптан Тухлые яйца

Из этих семи первичных может быть произведен любой известный запах при смешивании их в определенных пропор­циях. В этом отношении первичные запахи подобны трем пер­вичным цветам (красному, зеленому и синему) и четырем первичным вкусовым ощущениям (сладкому, соленому, кис­лому и горькому).

Для того чтобы воспринять семь первичных запахов, в носу должно быть семь различных типов обонятельных рецепторов. Мы можем представить себе рецепторные участки в виде уль­трамикроскопических щелей или впадин на мембране нервно­го волокна, каждая из которых имеет своеобразную форму и величину. Можно предположить, что молекулы определенной конфигурации «вписываются» в каждый из этих участков по­добно тому, как штеккер входит в гнездо. Некоторые молеку-лы могут подходить к двум различным рецепторным участ­кам — к широкому и узкому (рис. 4). В подобных случаях вещество, молекула которого подходит к двум типам рецепто­ров, может сигнализировать мозгу о сложном запахе.

Следующая проблема заключалась в том, чтобы изучить формы семи рецепторных участков. Исследование началось с изучения структурных формул камфарных соединений и по­строения моделей их молекул. Благодаря методам современ­ной стереохимии, которая определяет структуру молекул с помощью дифракции рентгеновских лучей, инфракрасной спек-

314

Рис. 4. Одно вещество может обладать несколькими первичными запаха­ми, если его молекула подходит к нескольким рецепторным участкам. Например, ацетилентетрабромид обладает и камфорным и эфирным за­пахами. Оказалось, что его молекула подходит к обоим рецепторным участкам в зависимости от своего положения.

троскопии, электронно-зондового анализа и других методов, можно построить трехмерную модель молекулы любого веще­ства, если известна его структурная формула. Существуют пра­вила для построения таких моделей, а также строительные блоки (наборы радикалов), величина которых в 100 милли­онов раз больше истинной величины атомов.

Когда модели молекул камфарных соединений были пост­роены, стало ясно, что все они имеют примерно одинаковую приблизительно округлую форму (рис. 5). И не только это; ока­залось, что все молекулы при переводе размеров моделей в молекулярные размеры имели также примерно одинаковый диаметр, равный около семи ангстрем. Многие молекулы кам­фарных соединений представляют собой жесткие шары, кото­рые неизбежно будут подходить к этим чашам, другие не столь жестки и могут легко принять форму чаши.

Когда были построены другие модели, то были найдены фор­мы и размеры молекул веществ, дающих другие первичные за­пахи. Мускусный запах характерен для молекул дискообраз­ной формы с диаметром около 10 ангстрем. Приятный цветоч­ный запах вызывается молекулами дискообразной формы с гибким хвостом, как воздушный змей. Прохладный мятный запах вызывается молекулами клинообразной формы с элект­рически поляризованной группой атомов, способных образовать водородную связь у верхушки клина. Эфирный запах обязан своим происхождением палочковидным молекулам или дру­гим тонким молекулам. В каждом из этих случаев рецептор-ный участок на нервном окончании, по-видимому, имеет фор­му и величину, соответствующие форме и величине молекул.

315

Рис. 5. Различные неродственные между собой химические соединения с камфароподобным запахом не обнаруживают сходства друг с другом по эмпирическим формулам и мало сходны по структурным формулам. Однако благодаря сходству по величине и форме их молекул они все ук­ладываются в чашеобразную форму рецепторного участка, соответствую­щего камфарному запаху.

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.

Теория имеет ценность только в том слуучае, если она мо­жет быть проверена экспериментально. Одно из достоинств стереохимической теории состоит в том, что она указывает путь к некоторым весьма специфичным и недвусмысленным спо­собам экспериментальной проверки. До настоящего времени эта теория прошла шесть очень строгих испытаний на досто­верность и уверенно выдержала каждое из них.

Начать хотя бы с очевидного, а именно что по форме моле­кулы мы должны уметь предсказать ее запах. Предположим

316

Рис. 6. Изменение формы молекулы изменяет запах вещества. А. Моле­кула вещества с фруктовым запахом; эта молекула соответствовала трем рецепторным участкам. Когда ее строение было изменено путем замены атома водорода метильной группой, вещество приобрело эфирный за­пах (Б). По-видимому, метильная группа сделала ее менее подходящей для двух участков, но не препятствовала, однако, тому, чтобы она уклады­валась в эфирный участок.

теперь, что мы синтезировали молекулы определенных форм, и посмотрим, будут ли они обладать предсказанным для них запахом.

Рассмотрим молекулу, содержащую три радикала, связан­ных с одним атомом углерода, четвертая связь которого заня­та атомом водорода (рис. 6). Эта молекула может подойти к рецепторному участку, имеющему форму воздушного змея (цве­точный запах), клиновидную форму (мятный запах), или — благодаря одному из радикалов — к рецепторному участку, имеющему форму палочки (эфирный запах). Теория предска­зывает, что такое вещество должно иметь фруктовый запах, состоящий из вышеперечисленных трех первичных. Предпо­ложим, что мы теперь заменим маленький атом водорода, свя­занный с атомом углерода, сравнительно громоздкой метиль­ной группой (СН₃). Наличие четвертого радикала не даст воз­можности молекуле легко подойти к рецепторным участкам, имеющим формы воздушного змея или клина, но один из ра­дикалов все-таки сможет занять палочковидный участок. В ре­зультате, согласно теории, должен преобладать эфирный запах.

Оба вещества были синтезированы и подвергнуты испыта­нию с привлечением экспертов, натренированных на восприя­тие запахов. Был использован прибор, называемый ольфакто­метром, который при помощи клапанов и регулируемого воз­душного потока доставляет по отдельности или в смеси тща­тельно дозированную концентрацию пахучих веществ. Коли­чество поступающих пахучих паров измерялось с помощью газового хроматографа. Применялось два ольфактометра, для каждого из двух испытуемых соединений, и наблюдателя про­сили понюхать по очереди из каждого (рис. 7).

317

Рис. 7. В ольфактометре пахучие вещества смешиваются в точных про­порциях и подводятся к носовой маске для пробы. Эта схема показывает основные части ольфактометра. Пузырьки воздуха проходят сквозь жид­кость в одном из сатураторов, захватывают молекулы пахучего вещества и затем разбавляются чистым воздухом или воздухом, несущим другие пахучие вещества.

Результаты подтвердили наши предсказания. Эксперты со­общили, что соединение А имело фруктовый (виноградоподоб-ный) запах, а соединение Б, в котором атом водорода был за­мещен на метальную группу, имело выраженную примесь эфи-роподобного запаха. Этот эксперимент и теория, на которой он основан, делает понятным ранее обнаруженный факт резкого изменения запаха некоторых соединений, содержащих бен­зольное кольцо, при перемещении радикала. Изменение запа­ха связано с изменением общей формы молекулы.

Второй эксперимент напрашивался сам собой. Можно ли сложный запах, обнаруженный в природе, воспроизвести с помощью комбинации нескольких первичных запахов? Взяв в качестве тестирующего запах кедрового масла, Эймур нашел, что вещества с этим запахом имеют формы молекул, которые подходят к рецепторным участкам для камфарных, мускус­ных, цветочных и перечномятных запахов. Джонстон подверг испытанию различные комбинации этих четырех первичных запахов, чтобы воспроизвести из них запах кедрового масла.

318

Он опробовал каждую смесь на восьми тренированных людях, которые сравнивали синтетический запах с запахом кедрово­го масла. После 86 попыток ему удалось создать смесь, запах которой почти не отличался от запаха кедрового масла. Из тех же четырех первичных запахов ему удалось также создать за­пах, сходный с запахом сандалового дерева.

Два следующих теста были направлены на идентификацию чистого (т. е. первичного) запаха. Если теория верна, то моле­кула, которая подходит к одному-единственному рецепторно-му участку определенной формы и величины, должна давать первичный запах в чистом виде. Молекулы такой же формы и того же размера должны иметь очень сходный запах, но мо­лекулы другой первичной формы должны пахнуть совершен­но иначе. Исследование было проведено на людях. Когда им давали понюхать два различных вещества, молекулы которых тем не менее имели одинаковую первичную форму (например, форму, соответствующую цветочному запаху), то испытуемые оценивали два запаха как очень близкие. Когда же два веще­ства имели первичные молекулярные свойства различных ка­тегорий (например, форму воздушного змея, характерную для цветочного запаха, а заряд нуклеофильный, характерный для гнилостных соединений), то испытуемые находили запахи аб­солютно несходными.

Джонстон продолжил эти испытания на пчелах. Он поста­вил эксперимент, рассчитанный на то, чтобы испытать спо­собность пчел различать два запаха, один из которых был «хо­рошим» (сочетался с сахарным сиропом), другой — «плохим» (сочетался с ударом электрическим током). Два запаха мог­ли быть из одной и той же первичной группы или из разных первичных групп (например, из цветочной или мятной). На стол около улья ставились два сосуда с пахучими жидкостя­ми, и пчел прежде всего обучали тому, что один из запахов «хороший», а другой «плохой». Затем приманка из сиропа в сосудах заменялась дистиллированной водой, и новые дезо­дорированные сосуды помещались на место тех, которые ис­пользовались во время обучения. Подсчитывалось число по­сещений мечеными пчелами соответствующих сосудов в по­исках сиропа. Предполагалось, что они будут лететь на запах, к которому они были приучены положительным подкрепле­нием, и избегать того, который сочетался с ударом электри-

319

ческим током, конечно, при условии, что они смогут разли­чить два запаха.

Эксперимент показал, что пчелы с трудом различали два запаха, принадлежащих к одной и той же первичной группе (скажем, мятной), но легко различали разные первичные запа­хи (мятный и цветочный). В последнем случае они почти без­ошибочно и без задержки определяли нужный запах. Эти экс­перименты указывают, что обонятельная система пчелы, так же как и человека, основана на стереохимическом принципе, хотя обонятельный орган у пчелы построен иначе: у нее обо­нятельную функцию несут усики. Очевидно, рецепторные уча­стки на усиках отличаются друг от друга по форме точно так же, как в обонятельных рецепторах у человека.

Пятый эксперимент был поставлен на людях, натрениро­ванных различать запахи. Предположим, им дали несколько веществ, сильно отличающихся друг от друга химически, но молекулы которых имеют примерно одинаковую общую фор­му. Будут ли эти различные соединения пахнуть одинаково? Для проведения эксперимента использовалось пять соедине­ний. Они принадлежали к трем различным классам химичес­ких соединений, резко отличающихся друг от друга по внут­ренней структуре молекул, но все пять веществ обладали дис­кообразной формой, характерной для молекул с мускусным запахом. Испытуемые, которым давали вдыхать пары этих пяти химических веществ среди многих других с помощью ольфак­тометра, действительно отличали эти вещества от других и характеризовали их запах как мускусный. Однако по запаху они часто не могли отличить эти пять совершенно различных веществ одно от другого.

По сути все эти доказательства в пользу стереохимической теории были в большей или меньшей степени косвенными. Хотелось бы получить какое-либо прямое доказательство дей­ствительного существования различных рецепторных участков в обонятельном органе. Недавно Р. Джестленд занялся поис­ками этих доказательств. Он нашел способ микроэлектродного отведения импульсов от одиночных обонятельных клеток. Введя электроды в обонятельный орган лягушки, Джестленд поме­щал этот орган в атмосферу различных запахов и исследовал одну за другой клетки с целью установить, реагируют ли они электрическими импульсами. Он обнаружил, что различные

320

клетки избирательно реагировали на различные запахи, и его исследования показали, что у лягушки имеется около восьми таких различных рецепторов. Более того, пять из этих рецеп­торов реагировали именно на те пять запахов (камфарный, мускусный, эфирный, едкий и гнилостный), которые стерео­химическая теория считает первичными! Эти данные, таким образом, можно принять как шестое и независимое подтверж­дение теории.

Теперь, оснащенные проверенной основной теорией, кото­рая направляет дальнейшие исследования, мы можем наде­яться на более быстрый прогресс в изучении обоняния. Это может привести к неожиданным результатам, полезным для людей. Для человека обоняние, возможно, стало менее важ­ным как жизненно необходимое чувство, чем для многих жи­вотных, но мы все-таки зависим от этого чувства в гораздо большей степени, чем это нам кажется. Можно оценить важ­ность обоняния для человека, вспомнив, какой безвкусной кажется пища при насморке и как неприятно действует дур­ной запах воды или спертый воздух в комнате. Управление запахами — важнейшая задача для нашей развитой парфю­мерной и табачной промышленности. Без сомнения, обоняние оказывает влияние на нашу жизнь многими тонкими способа­ми, которые мы не осознаем.

Исследования, для которых теперь открыт путь, должны помочь проанализировать детально сложные запахи пищи и питья, чтобы отделаться от неприятных запахов и создать но­вые и в конце концов научиться создавать любой желаемый запах либо для собственного удовольствия, либо для борьбы с насекомыми-вредителями.

11. Гиппенрейтер