Кіріспе

Иіс тербеліс теориясы молекуланың иіс ерекшелігі оның инфрақызыл диапазондағы тербеліс жиілігіне байланысты екенін ұсынады. Бұл даулы теория, иіс сезудің кеңінен қабылданған доктеу теориясына (бұрын иіс сезудің пішін теориясы деп аталатын) альтернатива болып табылады, ол молекуланың иіс ерекшелігі оның мұрын эпителийінде табылған ақуыздық иіс рецепторымен арасындағы әлсіз ковалентті емес өзара әрекеттесулер жиынтығына байланысты екенін айтады, мысалы электростатикалық және Ван дер Ваальс өзара әрекеттесулері, сондай-ақ H байланысы, дипольдік тартымдылық, пи үйілу, металл иондары, катион-пи өзара әрекеттесуі және гидрофобтық әсерлер, соған қоса молекуланың конформациясы.

Кіріспе

Қазіргі тербеліс теориясы жақында "картаны сырғыту" моделі деп аталды, бұл пішін теориясына негізделген "кілт пен құлып" модельдерімен салыстырылады. Лука Туриннің ұсынысы бойынша, иіс молекуласы ең алдымен рецептордың байланыс орнына сәйкес келуі керек. Содан кейін, рецептордағы екі энергия деңгейі арасындағы энергия айырмашылығына сәйкес келетін тербеліс энергия режимі болуы тиіс, сонда электрондар молекула арқылы серпімсіз электрондық туннельдеу арқылы өте алады, бұл сигнал трандукция жолын іске қосады. Вибрация теориясы Чендлер Беррдің танымал, бірақ даулы кітабында талқыланады. Иіс сипаты әртүрлі тербеліс жиіліктеріне қадаластырылған рецепторлардың белсенділіктерінің қатынасында кодталады, дәл сол сияқты түс әртүрлі жиіліктегі жарыққа қадаластырылған конус клеткалары рецепторларының белсенділіктерінің қатынасында кодталады. Дегенмен, маңызды айырмашылық – иіс молекуласы реакция тудыру үшін рецепторда тұруы керек. Иіс молекуласының рецепторда болатын уақыты оның қаншалықты мықты байланысқа түсетініне байланысты, бұл өз кезегінде жауаптың күшін анықтайды; иіс қарқындылығы "кілт пен құлып" моделіне ұқсас механизммен реттеледі. Бұл теория Роберт Х. Райт тарапынан 1954 жылы кеңейтілді, содан кейін ол бәсекелес пішін теориясының пайдасына көбінесе тасталды. 1996 жылы Лука Туриннің жариялаған мақаласы теорияны қайта жаңғыртты, ол механизм ұсынды, Линда Бак пен Ричард Аксель ашқан G белоктарымен байланысқан рецепторлар, шын мәнінде, молекулалық кілттерге жауап берудің орнына, молекулалық құлыптарға сәйкес келетін молекулалық кілттерге жауап берудің орнына, молекулалық тербелістерді өлшейтінін болжады. 2007 жылы Маршалл Стоунхэм және Лондон университетінің колледжі мен Лондон Императорлық колледжінің әріптестері жариялаған Physical Review Letters мақаласы Туриннің ұсынған механизмі белгілі физикамен сәйкес келетінін көрсетті және оны сипаттау үшін "картаны сырғыту моделі" терминін енгізді. 2011 жылы Турин, Ефтимиос Скулакис және MIT және Александр Флеминг биомедициналық ғылымдар зерттеу орталығының әріптестері жариялаған PNAS мақаласы иіс сезудің тербеліс теориясына сәйкес келетін шыбынның мінез-құлқы туралы эксперименттерді хабарлады. Теория әлі де даулы болып қалуда.

Изотоптық әсерлер

Турин теориясының маңызды болжамы – изотоптық эффект: бір заттың қалыпты және деутерленген түрлері бірдей пішінде болғанымен, әртүрлі иіс беруі керек. 2001 жылғы Хаффенден және авторлар тобының зерттеуі адамдардың бензальдегидті оның деутерленген түрінен ажырата алатынын көрсетті. Дегенмен, бұл зерттеу қос соқыр бақылаудың болмауы және дуо-трио тестісінің қалыптан тыс нұсқасын қолданғаны үшін сынға ұшырады. Тағы бір зерттеуде жануарлармен жүргізілген тәжірибелер балықтар мен жәндіктердің иіс арқылы изотоптарды ажырата алатынын көрсетті. Деутерлеу молекулалардың адсорбция жылуын, қайнау және қату температураларын өзгертеді (қайнау температурасы: H2O үшін 100,0 °C, D2O үшін 101,42 °C; балқу температурасы: H2O үшін 0,0 °C, D2O үшін 3,82 °C), pKa (яғни, диссоциация тұрақтысы: H2O үшін 9,71×10−15, D2O үшін 1,95×10−15, салыстырыңыз: ауыр су) және сутекті байланыстың күшін. Мұндай изотоптық эффекттер өте көп кездеседі, сондықтан дейтерийді алмастыру молекулалардың белок рецепторларымен байланысу тұрақтысын өзгертетіні белгілі. Осылайша, иіс молекуласының иіс сезу рецепторымен кез келген өзара әрекеттесуі деутерлеу кезінде белгілі бір изотоптық эффект көрсетеді, ал изотоптық эффектті байқау иіс сезудің тербеліс теориясын ғана көрсете бермейді. 2011 жылы Франко, Турин, Мершин және Скоулакис жариялаған зерттеулер шыбындар дейтерийді иіскеуге қабілетті екенін және шыбындар үшін көміртек-дейтерий байланысының иісі ұқсас тербеліске ие нитрил сияқты екенін көрсетті. Зерттеуде әдетте ацетофенонға тартылатын drosophila melanogaster (жеміс шыбыны) деутерленген ацетофенонға өздігінен қарсы екені анықталды. Бұл қарсылық дейтерийдің саны артуымен күшейеді. (Иіс сезу рецепторлары жоқ генетикалық түрлендірілген шыбындар ешқандай айырмашылықты байқамады.) Шыбындарды электр тогымен соққы беру арқылы деутерленген молекуладан аулақ болуға немесе оны қалыпты молекуладан артық көруге үйретуге болады. Осылайша оқытылған шыбындарға жаңа және байланысы жоқ иіс таңдау ұсынылғанда, олар бұрынғы жұптағыдай дейтерийден аулақ болды немесе оған басымдық берді. Бұл шыбындар молекуланың қалған бөлігіне қарамастан дейтерийді иіскеуге қабілетті екенін көрсетеді. Деутерийдің иісі көміртек-дейтерий (C-D) байланысының тербелісінен немесе изотоптардың күтпеген әсерінен туындай ма, зерттеушілер C-D байланысына ұқсас тербеліске ие нитрилдерге жүгінді. Деутерийден аулақ болуға оқытылған және нитрил мен оның нитрил емес аналогы арасында таңдау жасауды сұраған шыбындар нитрилден аулақ болды, бұл шыбындар тербелісті иіскейді деген идеяны қолдайды. Алайда, Блок және авторлар 2015 жылғы «Ұлттық ғылым академиясының еңбектерінде» жариялаған мақалаларында олардың теориялық талдауы «иіс шығаратын заттардың тербеліс жиіліктерінің жарияланған электрондық беру механизмі…»

Антагонисттердің болмауы

Туриндің айтуынша, дәстүрлі кілт-бұғал рецепторларының өзара әрекеттесуі агонисттермен, рецептордың белсенді күйдегі уақытын ұзарту арқылы, және антагонисттермен, белсенді емес күйдегі уақытын ұзарту арқылы жүзеге асады. Яғни, кейбір лигандтар рецепторды қосатын болса, ал кейбіреулері оны өшіреді. Иіс сезудің дәстүрлі кілт-бұғал теориясына қарсы аргумент ретінде, иіс сезу антагонисттері өте сирек кездеседі. 2004 жылы жапондық зерттеу тобы изоэугенолдың окистену өнімінің изоэугенолға тышқанның иіс рецепторларының жауабын тежеуге немесе алдын алуға қабілетті екенін жариялады.

Иіс сезудің сүйемелдеу теориясына қосымша сын-тегеуріндер

Ұқсас пішіндес, бірақ молекулалық тербелісі әртүрлі молекулалардың иісі әртүрлі болады (металлоцен эксперименті және молекулалық сутегіне дейтерийдің қосылуы). Дегенмен, бұл мәселе бургеональ мен лилиалдың кремнийлік аналогтарынан алынған нәтижелерге қайшы келеді, олар молекулалық тербелістерінің айырмашылықтарына қарамастан ұқсас иіске ие және адамның ең сезімтал рецепторы hOR17 4-ті бірдей белсендіреді. Сондай-ақ, адамның мускус рецепторы OR5AN1 деутерленген және деутерленбеген мускустарға бірдей жауап беретінін көрсететін зерттеулер де осыған қарсы келеді. Ал тиофенолдар бастапқы қосылыстарға қарағанда әлдеқайда жағымсыз емес иіске ие.

Қиындықтар

Лука Туриннің иіс сезудің табиғаты туралы үш болжамын, діріл теориясының ұғымдарын қолданып, Восшалл мен Келлер 2004 жылы Nature Neuroscience журналында жариялаған тәжірибелік сынақтармен қарастырды. Бұл зерттеуде Хаффенденнің бұрынғы зерттеуіндегі тәжірибелік жобаның кемшіліктері де көрсетілді. 2011 жылы PNAS журналындағы шыбындар туралы зерттеуге жауап ретінде Восшалл шыбындардың изотоптарды сезуге қабілетті екенін мойындады, бірақ иіс дірілге негізделген деген қорытындыны "артық интерпретация" деп атады және бастапқыда адам рецепторларына жатқызылған механизмді сынау үшін шыбындарды пайдалануға күмән білдірді. Теорияны растау үшін Восшалл сүтқоректілер рецепторларын зерттеуді жалғастыру қажет екенін айтты. Жәндіктердің иіс сезуімен айналысатын Билл Ханссон деутерийдің иіс молекуласы мен рецептор арасындағы сутекті байланысқа әсер етуі мүмкін бе деген сұрақ қойды. 2013 жылы Турин және әріптестері Восшалл мен Келлердің тәжірибелерін растады, тіпті жаттығудан өткен адамдар да ацетофенон мен оның деутерленген түрін ажырата алмады. Сонымен қатар, Турин және әріптестері еріктілердің циклопентадеканонды оның толық деутерленген аналогынан ажырата алатынын хабарлады. Ацетофенон мен циклопентадеканонның әртүрлі нәтижелерін түсіндіру үшін Турин және әріптестері "иіс сезу үшін жеткілікті СН байланыстары болуы керек. Ацетофенон тек 8 сутектің болғанымен, циклопентадеканонда 28 сутек бар. Бұл ацетофенонға қарағанда сутекке байланысты діріл режимдерінің саны 3 есе көп, және бұл изотоптар арасындағы айырмашылықты анықтау үшін маңызды". Турин және әріптестері бұл соңғы тұжырымды кванттық механикалық тұрғыдан негіздемеді. Изотоптық алмастырулардың саны бойынша ерекшеленетін қосылыстарды дұрыс атау – изотополог, ал изотомерлер алмастырулардың орналасуымен ғана ерекшеленеді. Восшалл Туриннің жұмысына қатысты: "Иіс сезу мембраналары иіс молекулаларын метаболизмдейтін ферменттерге толы, бұл олардың химиялық ерекшеліктерін және сезілетін иісін өзгертеді. Деутерленген молекулалар мұндай ферменттер үшін нашар субстраттар болады, нәтижесінде сынаушылардың сынап жатқан заттарының химиялық айырмашылығы пайда болады. Соңында, иіс сезудің діріл теориясын дәлелдеуге жасалатын кез келген әрекет рецептор деңгейіндегі нақты механизмдерге, ал емес жанама психофизикалық сынақтарға бағытталған болуы керек". PNAS журналының редакторына жолданған хатында Турин және т.б. Block және басқалардың жұмысы туралы алаңдаушылық білдірді. Жақында Сабери мен Аллаи молекулалық көлем мен иіс сезу нейрондық жауабы арасында функционалдық байланыс бар екенін ұсынды. Молекулалық көлем маңызды фактор, бірақ ол ONR жауабын анықтайтын жалғыз фактор емес. Иіс рецепторларының жұптарының байланысу туыстығына олардың салыстырмалы мөлшері әсер етеді. Ең жоғары туыстыққа иіс молекуласының көлемі байланыстыру қалтасының көлеміне сәйкес келгенде қол жеткізіледі. Жақында жүргізілген зерттеуде тіндердегі иіс сезу нейрондарының изотоптарға жауабы зерттелді және популяцияның шағын бөлігі (<1%) изотоптарды айқын ажырататыны, ал кейбіреулері октанальдың H немесе D изотопологтарына толық немесе толыққанды жауап бермейтіні анықталды. Авторлар бұл айырмашылықты қалыпты және деутерленген иіс молекулаларының гидрофобтылығындағы айырмашылықтармен байланыстырды.