Теория докинга в обонянии: от формы к взаимодействиям.

Введение

Теория докинга обоняния предполагает, что восприятие запаха молекулы обусловлено рядом слабых нековалентных взаимодействий между молекулой запаха [лигандом] и одним или несколькими G-белок-связанными обонятельными рецепторами (находящимися в обонятельном эпителии). К ним относятся межмолекулярные силы, такие как диполь-дипольное взаимодействие и силы Ван-дер-Ваальса, а также водородные связи. Хотя эта теория распознавания запахов ранее описывалась как теория формы обоняния,

ранее теория докинга обоняния основывалась на известных свойствах других G-белок-связанных рецепторов, структура которых была определена методом рентгеноструктурного анализа, а также на структурных прогнозах, основанных на известной первичной структуре, для создания вероятной модели обонятельного рецептора. Несмотря на сходство обонятельных рецепторов с другими G-белок-связанными рецепторами, существуют значительные различия в первичной структуре, которые делают точные сравнения невозможными. В связи с этим, предсказание структур обонятельных рецепторов было облегчено разработкой нового программного обеспечения для прогнозирования структуры. На основе этих данных более простые модели связывания с обонятельными рецепторами были развиты в более тонкие концепции, учитывающие деформацию гибких молекул для формирования оптимальных взаимодействий с партнерами по связыванию. Эти модификации позволяют модели лучше соответствовать известным данным о молекулярном докинге не-обонятельных G-белок-связанных рецепторов.

История

В 1949 году Р. В. Монкрифф опубликовал статью в журнале American Perfumer под названием «Что такое запах: новая теория», в которой, опираясь на представление Линуса Полинга о молекулярных взаимодействиях, основанных на форме, была предложена теория запаха, основанная на форме молекул. Эта теория вытеснила более раннюю вибрационную теорию обоняния и, переименованная в теорию «стыковки» (докинга) для более точного отражения спектра нековалентных взаимодействий, помимо формы, остается основной теорией как в коммерческой парфюмерной химии, так и в академической молекулярной биологии. Через три года после публикации теории Монкриффа, Джон Амур предположил, что более десяти тысяч запахов, различаемых человеческой обонятельной системой, являются результатом комбинации семи основных первичных запахов, каждый из которых коррелирует с определенным обонятельным рецептором, подобно тому, как спектр воспринимаемых цветов в видимом свете генерируется активацией трех основных цветовых рецепторов. Семь основных запахов, выделенных Амуром, включали запахи пота, спермы, рыбы, солода, мочи и мускуса. Наиболее убедительные его работы были посвящены камфорному запаху, для которого он предположил наличие полусферического углубления, в котором могли связываться сферические молекулы, такие как камфора, циклооктан и нафталин. В 1991 году, когда Линда Бак и Ричард Аксель опубликовали свои исследования обонятельных рецепторов, удостоенные Нобелевской премии, они идентифицировали у мышей 1000 рецепторов, связанных с G-белком, используемых для обоняния. Поскольку все известные типы G-белковых рецепторов активируются посредством связывания (докинга) молекул с высокоспецифичными конформациями (формами) и нековалентными взаимодействиями, предполагается, что обонятельные рецепторы функционируют аналогичным образом. Последующие исследования обонятельных систем человека выявили 347 обонятельных рецепторов. Современная версия ранее названной теории формы, также известная как теория одотопа или теория слабой формы, утверждает, что любой запах обусловлен комбинацией активированных рецепторов, в отличие от более старой модели «один рецептор – одна форма – один запах». Рецепторы в модели одотопа распознают лишь небольшие структурные особенности каждой молекулы, а мозг отвечает за обработку комбинированного сигнала и интерпретацию запаха. Большая часть современных исследований теории «стыковки» сосредоточена на нейронной обработке, а не на специфическом взаимодействии между пахучим веществом и рецептором, которое генерирует исходный сигнал.

In 1949, R. W. Moncrieff published an article in American Perfumer called "What is odor: a new theory," which used Linus Pauling's notion of shape based molecular interactions to propose a shape based theory of odor. This superseded the older vibration theory of olfaction, and, renamed the docking theory of olfaction to more accurately reflect a range of non covalent interactions in addition to shape, remains the mainstream theory, in both commercial fragrance chemistry and academic molecular biology. Three years after Moncrieff proposed the theory, John Amoore speculated further that the over ten thousand smells distinguishable by the human olfaction system resulted from the combination of seven basic primary odors correlating to odor receptors for each, much as the spectrum of perceived colors in visible light is generated by the activation of three primary color receptors. Amoore's seven primary odors included sweaty, spermous, fishy, malty, urinous and musky. His most convincing work was done on the camphoraceous odor, for which he posited a hemispherical socket in which spherical molecules, such as camphor, cyclooctane, and naphthalene could bind. When Linda Buck and Richard Axel published their Nobel Prize winning research on the olfactory receptors in 1991, they identified in mice 1,000 G protein coupled receptors used for olfaction. Since all types of G protein receptors currently known are activated through binding (docking) of molecules with highly specific conformations (shapes) and non covalent interactions, it is assumed that olfactory receptors operate in a similar fashion. Further research on human olfaction systems identified 347 olfactory receptors. A recent version of the previously named shape theory, also known as odotope theory or Weak Shape Theory, holds that a combination of activated receptors is responsible for any one smell, as opposed to the older model of one receptor, one shape, one smell. Receptors in the odotope model recognize only small structural features on each molecule, and the brain is responsible for processing the combined signal into an interpreted smell. Much current work on the docking theory focuses on neural processing, rather than the specific interaction between odorant and receptor that generates the original signal.

Поддержка

Структурное исследование криоэлектронной микроскопии 2023 года, посвященное связыванию пропионата с обонятельным рецептором человека OR51E2 и опубликованное в журнале Nature, полностью согласуется с теорией докинга обоняния для данного запаха и рецептора. Было проведено множество исследований для выяснения сложной взаимосвязи между докингом пахучей молекулы и ее воспринимаемым запахом, а химики-парфюмеры предложили структурные модели запахов амбры, сандалового дерева и камфоры, среди прочих. Исследование Лесли Б. Восшалл и Андреаса Келлера, опубликованное в Nature Neuroscience в 2004 году, проверило несколько ключевых предсказаний конкурирующей теории вибрации и не обнаружило экспериментальных подтверждений. Восшалл описала эти данные как "согласующиеся с теорией формы", хотя и добавила, что "они не доказывают теорию формы". Другое исследование также показало, что молекулярный объем пахучих веществ может определять верхние пределы нейронных ответов обонятельных рецепторов у дрозофилы. В статье Chemical & Engineering News за 2015 год, посвященной спору между "формой" и "вибрацией", отмечается, что в "многолетней, ожесточенной полемике с одной стороны большинство ученых-сенсоров утверждают, что наши обонятельные рецепторы распознают специфические молекулы запаха на основе их формы и химических свойств, а с другой – небольшая группа ученых, полагающих, что обонятельный рецептор распознает колебательные частоты молекулы запаха". В статье указывается, что новое исследование под руководством Блока и др. направлено против вибрационной теории обоняния, не обнаружив доказательств того, что обонятельные рецепторы различают колебательные состояния молекул. В частности, Блок и соавторы сообщают, что человеческий рецептор, распознающий мускус OR5AN1, идентифицированный с использованием системы гетерологичной экспрессии обонятельных рецепторов и надежно реагирующий на циклопентадеканон и мускон, не различает изотомеры этих соединений in vitro. Кроме того, мышиный рецептор, распознающий (метилтио)метантиол MOR244 3, а также другие отобранные человеческие и мышиные обонятельные рецепторы, реагировали аналогично на нормальные, дейтерированные и углерод-13 изотомеры своих лигандов, что соответствует результатам, полученным с мускусным рецептором OR5AN1. На основании этих данных авторы заключают, что предлагаемая теория вибрации неприменима к человеческому мускусному рецептору OR5AN1, мышиному тиольному рецептору MOR244 3 или другим исследованным обонятельным рецепторам. Кроме того, теоретический анализ авторов показывает, что предлагаемый механизм переноса электронов колебательных частот пахучих веществ может быть легко подавлен квантовыми эффектами непахучих молекулярных колебательных мод. Авторы заключают: "Эти и другие опасения относительно переноса электронов в обонятельных рецепторах, в сочетании с нашими обширными экспериментальными данными, опровергают правдоподобность теории вибрации". Восшалл, комментируя эту работу, пишет: "В PNAS Блок и др. переносят дебаты о "форме против вибрации" из обонятельной психофизики в биофизику самих рецепторов. Авторы организуют сложную междисциплинарную атаку на основные положения теории вибрации, используя синтетическую органическую химию, гетерологичную экспрессию обонятельных рецепторов и теоретические соображения, чтобы не найти доказательств в поддержку теории вибрации запаха". В то время как Турин отмечает, что Блок использовал "клетки в чашке Петри, а не в целых организмах", и что "экспрессия обонятельного рецептора в клетках эмбриональной почки человека не адекватно воспроизводит сложную природу обоняния", Восшалл отвечает: "Клетки эмбриональной почки не идентичны клеткам в носу, но если вы изучаете рецепторы, это лучшая система в мире". Молекулы с похожей формой, но различными молекулярными колебаниями, имеют разные запахи (эксперимент с металлоценом и замещение дейтерием молекулярного водорода). В эксперименте с металлоценом Турин отмечает, что, хотя ферроцен и никелоцен имеют почти одинаковую молекулярную структуру типа "сэндвича", они обладают различными запахами. Он предполагает, что "из-за изменения размера и массы различные атомы металлов дают разные частоты для колебаний, включающих атомы металлов". Проблема, касающаяся запаха молекул с аналогичной структурой, противоречит результатам, полученным с кремниевыми аналогами бургеонала и лилиала, которые, несмотря на различия в молекулярных колебаниях, имеют схожие запахи и одинаково активируют наиболее чувствительный человеческий рецептор hOR17 4, причем исследования показывают, что человеческий мускусный рецептор OR5AN1 идентично реагирует на дейтерированные и недейтерированные мускусы. Молекулы с различной формой, но схожими молекулярными колебаниями, имеют схожие запахи (замена углеродных двойных связей атомами серы и разнообразные по форме пахучие вещества, относящиеся к амбре). Маскировка функциональных групп не скрывает характерный запах этой группы. Однако это не всегда так, поскольку орто-замещенные арилизонитрилы и тиофенолы имеют гораздо менее резкий запах, чем исходные соединения. Очень маленькие молекулы с похожей формой, которые, по-видимому, с наибольшей вероятностью могут быть перепутаны системой, основанной на форме, имеют очень отчетливый запах, например, сероводород. Однако было предложено, что металлы, такие как Cu(I), могут быть связаны с металло-рецепторным участком в обонянии для сильно пахнущих летучих веществ, которые также являются хорошими лигандами для координации с металлами, например, тиолов. Эта гипотеза была подтверждена в конкретных случаях тиольных рецепторов мыши и человека. Утверждается, что описания запахов в обонятельной литературе лучше коррелируют с их колебательными частотами, чем с их молекулярной формой.

The 2023 cryo electron microscopy structural study of the binding of propionate to human olfactory receptor OR51E2 published in Nature is fully consistent with the docking theory of olfaction for the particular odorant and receptor involved. Numerous studies have been conducted to elucidate the complex relationship between the docking of an odorous molecule and its perceived smell character, and fragrance chemists have proposed structure models for the smells of amber, sandalwood, and camphor, among others. A study by Leslie B. Vosshall and Andreas Keller, published in Nature Neuroscience in 2004, tested several key predictions of the competing vibration theory and found no experimental support for it. The data were described by Vosshall as "consistent with the shape theory", although she added that "they don't prove the shape theory". Another study also showed that molecular volume of odorants can determine the upper limits of neural responses of olfactory receptors in Drosophila. A 2015 Chemical & Engineering News article on the "shape" versus "vibration" debate notes that in the "acrimonious, nearly two decade long controversy on the one side are a majority of sensory scientists who argue that our odorant receptors detect specific scent molecules on the basis of their shapes and chemical properties. On the other side are a handful of scientists who posit that an odorant receptor detects an odor molecule's vibrational frequencies". The article indicates that a new study, led by Block et al., takes aim at the vibrational theory of olfaction, finding no evidence that olfactory receptors distinguish vibrational states of molecules. Specifically, Block et al. report that the human musk recognizing receptor, OR5AN1, identified using a heterologous olfactory receptor expression system and robustly responding to cyclopentadecanone and muscone, fails to distinguish isotopomers of these compounds in vitro. Furthermore, the mouse (methylthio)methanethiol recognizing receptor, MOR244 3, as well as other selected human and mouse olfactory receptors, responded similarly to normal, deuterated, and carbon 13 isotopomers of their respective ligands, paralleling results found with the musk receptor OR5AN1. Based on these findings, the authors conclude that the proposed vibration theory does not apply to the human musk receptor OR5AN1, mouse thiol receptor MOR244 3, or other olfactory receptors examined. Additionally, theoretical analysis by the authors shows that the proposed electron transfer mechanism of the vibrational frequencies of odorants could be easily suppressed by quantum effects of nonodorant molecular vibrational modes. The authors conclude: "These and other concerns about electron transfer at olfactory receptors, together with our extensive experimental data, argue against the plausibility of the vibration theory." In commenting on this work, Vosshall writes "In PNAS, Block et al shift the "shape vs. vibration" debate from olfactory psychophysics to the biophysics of the ORs themselves. The authors mount a sophisticated multidisciplinary attack on the central tenets of the vibration theory using synthetic organic chemistry, heterologous expression of olfactory receptors, and theoretical considerations to find no evidence to support the vibration theory of smell." While Turin comments that Block used "cells in a dish rather than within whole organisms" and that "expressing an olfactory receptor in human embryonic kidney cells doesn't adequately reconstitute the complex nature of olfaction " Vosshall responds "Embryonic kidney cells are not identical to the cells in the nose but if you are looking at receptors, it's the best system in the world." Similarly shaped molecules with different molecular vibrations have different smells (metallocene experiment and deuterium replacement of molecular hydrogen). In the metallocene experiment, Turin observes that while ferrocene and nickelocene have nearly the same molecular sandwich structures, they possess distinct odors. He suggests that "because of the change in size and mass, different metal atoms give different frequencies for those vibrations that involve the metal atoms," The challenge regarding smell of molecules with similar structures 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, with studies showing that the human musk receptor OR5AN1 responds identically to deuterated and non deuterated musks
Differently shaped molecules with similar molecular vibrations have similar smells (replacement of carbon double bonds by sulfur atoms and the disparate shaped amber odorants). Hiding functional groups does not hide the group's characteristic odor. However this is not always the case, since ortho substituted arylisonitriles and thiophenols have far less offensive odors than the parent compounds. Very small molecules of similar shape, which seem most likely to be confused by a shape based system, have extremely distinctive odors, such as hydrogen sulfide. However, it has been suggested that metals such as Cu(I) may be associated with a metallo receptor site in olfaction for strong smelling volatiles which are also good metal coordinating ligands, such as thiols. This hypothesis was confirmed in the specific cases of thiol responsive mouse and human olfactory receptors. It is claimed that odor descriptions in the olfaction literature correlate more strongly with their vibrational frequencies than with their molecular shape.