Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
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.
The vibration theory of smell proposes that a molecule's smell character is due to its vibrational frequency in the infrared range. This controversial theory is an alternative to the more widely accepted docking theory of olfaction (formerly termed the shape theory of olfaction), which proposes that a molecule's smell character is due to a range of weak non covalent interactions between its protein odorant receptor (found in the nasal epithelium), such as electrostatic and Van der Waals interactions as well as H bonding, dipole attraction, pi stacking, metal ion, Cation–pi interaction, and hydrophobic effects, in addition to the molecule's conformation.
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.
The current vibration theory has recently been called the "swipe card" model, in contrast with "lock and key" models based on shape theory. As proposed by Luca Turin, the odorant molecule must first fit in the receptor's binding site. Then it must have a vibrational energy mode compatible with the difference in energies between two energy levels on the receptor, so electrons can travel through the molecule via inelastic electron tunneling, triggering the signal transduction pathway. The vibration theory is discussed in a popular but controversial book by Chandler Burr. The odor character is encoded in the ratio of activities of receptors tuned to different vibration frequencies, in the same way that color is encoded in the ratio of activities of cone cell receptors tuned to different frequencies of light. An important difference, though, is that the odorant has to be able to become resident in the receptor for a response to be generated. The time an odorant resides in a receptor depends on how strongly it binds, which in turn determines the strength of the response; the odor intensity is thus governed by a similar mechanism to the "lock and key" model. and expanded by Robert H. Wright in 1954, after which it was largely abandoned in favor of the competing shape theory. A 1996 paper by Luca Turin revived the theory by proposing a mechanism, speculating that the G protein coupled receptors discovered by Linda Buck and Richard Axel were actually measuring molecular vibrations using inelastic electron tunneling as Turin claimed, rather than responding to molecular keys fitting molecular locks, working by shape alone. In 2007 a Physical Review Letters paper by Marshall Stoneham and colleagues at University College London and Imperial College London showed that Turin's proposed mechanism was consistent with known physics and coined the expression "swipe card model" to describe it. A PNAS paper in 2011 by Turin, Efthimios Skoulakis, and colleagues at MIT and the Alexander Fleming Biomedical Sciences Research Center reported fly behavioral experiments consistent with a vibrational theory of smell. The theory remains controversial.
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…»
A major prediction of Turin's theory is the isotope effect: that the normal and deuterated versions of a compound should smell different, although they have the same shape. A 2001 study by Haffenden et al. showed humans able to distinguish benzaldehyde from its deuterated version. However, this study has been criticized for lacking double blind controls to eliminate bias and because it used an anomalous version of the duo trio test. In another study, tests with animals have shown fish and insects able to distinguish isotopes by smell. Deuteration changes the heats of adsorption and the boiling and freezing points of molecules (boiling points: 100.0 °C for H2O vs. 101.42 °C for D2O; melting points: 0.0 °C for H2O, 3.82 °C for D2O), pKa (i. e., dissociation constant: 9.71×10−15 for H2O vs. 1.95×10−15 for D2O, cf. Heavy water) and the strength of hydrogen bonding. Such isotope effects are exceedingly common, and so it is well known that deuterium substitution will indeed change the binding constants of molecules to protein receptors. Any binding interaction of an odorant molecule with an olfactory receptor will therefore be likely to show some isotope effect upon deuteration, and the observation of an isotope effect in no way argues exclusively for a vibrational theory of olfaction. A study published in 2011 by Franco, Turin, Mershin and Skoulakis shows both that flies can smell deuterium, and that to flies, a carbon deuterium bond smells like a nitrile, which has a similar vibration. The study reports that drosophila melanogaster (fruit fly), which is ordinarily attracted to acetophenone, spontaneously dislikes deuterated acetophenone. This dislike increases with the number of deuteriums. (Flies genetically altered to lack smell receptors could not tell the difference.) Flies could also be trained by electric shocks either to avoid the deuterated molecule or to prefer it to the normal one. When these trained flies were then presented with a completely new and unrelated choice of normal vs. deuterated odorants, they avoided or preferred deuterium as with the previous pair. This suggested that flies were able to smell deuterium regardless of the rest of the molecule. To determine whether this deuterium smell was actually due to vibrations of the carbon deuterium (C D) bond or to some unforeseen effect of isotopes, the researchers looked to nitriles, which have a similar vibration to the C D bond. Flies trained to avoid deuterium and asked to choose between a nitrile and its non nitrile counterpart did avoid the nitrile, lending support to the idea that the flies are smelling vibrations. However, Block et al. in their 2015 paper in Proceedings of the National Academy of Sciences indicate that their theoretical analysis shows that "the proposed electron transfer mechanism of the vibrational frequencies of odorants
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.
Turin points out that traditional lock and key receptor interactions deal with agonists, which increase the receptor's time spent in the active state, and antagonists, which increase the time spent in the inactive state. In other words, some ligands tend to turn the receptor on and some tend to turn it off. As an argument against the traditional lock and key theory of smell, very few olfactory antagonists have been found. In 2004, a Japanese research group published that an oxidation product of isoeugenol is able to antagonize, or prevent, mice olfactory receptor response to isoeugenol.
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.
Similarly shaped molecules with different molecular vibrations have different smells (metallocene experiment and deuterium replacement of molecular hydrogen). However this challenge is contrary to the results obtained with silicon analogues of bourgeonal and lilial, which despite their differences in molecular vibrations have similar smells and similarly activate the most responsive human receptor, hOR17 4, and with studies showing that the human musk receptor OR5AN1 responds identically to deuterated and non deuterated musks. and thiophenols have far less offensive odors than the parent compounds.
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.
Three predictions by Luca Turin on the nature of smell, using concepts of vibration theory, were addressed by experimental tests published in Nature Neuroscience in 2004 by Vosshall and Keller. This study also pointed to experimental design flaws in the earlier study by Haffenden. In response to the 2011 PNAS study on flies, Vosshall acknowledged that flies could smell isotopes but called the conclusion that smell was based on vibrations an "overinterpretation" and expressed skepticism about using flies to test a mechanism originally ascribed to human receptors. For the theory to be confirmed, Vosshall stated there must be further studies on mammalian receptors. Bill Hansson, an insect olfaction specialist, raised the question of whether deuterium could affect hydrogen bonds between the odorant and receptor. In 2013, Turin and coworkers confirmed Vosshall and Keller's experiments showing that even trained human subjects were unable to distinguish acetophenone from its deuterated counterpart. At the same time Turin and coworkers reported that human volunteers were able to distinguish cyclopentadecanone from its fully deuterated analog. To account for the different results seen with acetophenone and cyclopentadecanone, Turin and coworkers assert that "there must be many C H bonds before they are detectable by smell. In contrast to acetophenone which contains only 8 hydrogens, cyclopentadecanone has 28. This results in more than 3 times the number of vibrational modes involving hydrogens than in acetophenone, and this is likely essential for detecting the difference between isotopomers." Turin and coworkers provide no quantum mechanical justification for this latter assertion. Note that the correct term for compounds differing in the number of isotopic substitutions is isotopologue; isotopomers differ only in the position of the substitutions. Vosshall, in commenting on Turin's work, notes that "the olfactory membranes are loaded with enzymes that can metabolise odorants, changing their chemical identity and perceived odour. Deuterated molecules would be poor substrates for such enzymes, leading to a chemical difference in what the subjects are testing. Ultimately, any attempt to prove the vibrational theory of olfaction should concentrate on actual mechanisms at the level of the receptor, not on indirect psychophysical testing." In a Letter to the Editor of PNAS, Turin et al. raise concerns about Block et al. Recently, Saberi and Allaei have suggested that a functional relationship exists between molecular volume and the olfactory neural response. The molecular volume is an important factor, but it is not the only factor that determines the response of ONRs. The binding affinity of an odorant receptor pair is affected by their relative sizes. The maximum affinity can be attained when the molecular volume of an odorant matches the volume of the binding pocket. A recent study describes the responses of primary olfactory neurons in tissue culture to isotopes and finds that a small fraction of the population (<1%) clearly discriminates between isotopes, some even giving an all or or none response to H or D isotopologues of octanal. The authors attribute this to differences in hydrophobicity between normal and deuterated odorants.