Введение

Вибрационная теория запаха предполагает, что характер запаха молекулы обусловлен её колебательной частотой в инфракрасном диапазоне. Эта спорная теория является альтернативой более общепринятой док-теории обоняния (ранее называемой теорией формы обоняния), которая утверждает, что характер запаха молекулы определяется целым рядом слабых нековалентных взаимодействий между её белковым обонятельным рецептором (расположенным в носовом эпителии), таких как электростатические и ван-дер-ваальсовы взаимодействия, а также водородные связи, дипольное притяжение, π-π стэкинг, взаимодействие с ионами металлов, катион-π взаимодействие и гидрофобные эффекты, наряду с конформацией молекулы.

Введение

Текущая теория вибрации недавно была названа моделью "карты с магнитной полосой", в отличие от моделей "замок и ключ", основанных на теории формы. Как предложил Лука Турин, молекула запаха сначала должна поместиться в связывающий участок рецептора. Затем она должна иметь вибрационный энергетический режим, совместимый с разницей энергий между двумя энергетическими уровнями рецептора, чтобы электроны могли проходить через молекулу посредством неэластичного туннелирования электронов, запуская путь передачи сигнала. Теория вибрации обсуждается в популярной, но спорной книге Чендлера Берра. Характер запаха кодируется в соотношении активности рецепторов, настроенных на различные частоты вибрации, так же, как цвет кодируется в соотношении активности рецепторов колбочек, настроенных на различные частоты света. Важное отличие, однако, заключается в том, что для генерации ответа молекула запаха должна быть способна оставаться в рецепторе. Время пребывания молекулы запаха в рецепторе зависит от прочности ее связывания, что, в свою очередь, определяет силу ответа; интенсивность запаха, таким образом, регулируется механизмом, аналогичным модели "замок и ключ". Эта модель была расширена Робертом Х. Райтом в 1954 году, после чего она была в значительной степени заброшена в пользу конкурирующей теории формы. Статья Луки Турина 1996 года возродила теорию, предложив механизм и предположив, что рецепторы, связанные с G-белком, открытые Линдой Бак и Ричардом Акселем, на самом деле измеряют молекулярные вибрации с помощью неэластичного туннелирования электронов, как утверждал Турин, а не реагируют на молекулярные "ключи", подходящие к молекулярным "замкам", действуя исключительно по форме. В 2007 году статья в журнале Physical Review Letters, опубликованная Маршаллом Стоунхэмом и его коллегами из Университетского колледжа Лондона и Имперского колледжа Лондона, показала, что предложенный Турином механизм согласуется с известными законами физики, и ввела термин "модель карты с магнитной полосой" для его описания. В статье PNAS 2011 года Турин, Ефтимиос Скоулакис и их коллеги из MIT и Исследовательского центра биомедицинских наук Александра Флеминга сообщили об экспериментах на мухах, подтверждающих вибрационную теорию обоняния. Теория остается предметом споров.

Изотопные эффекты

Основным предсказанием теории Турина является изотопный эффект: нормальные и деутерированные версии соединения должны пахнуть по-разному, хотя они имеют одну и ту же форму. Исследование 2001 года, проведенное Haffenden и др., показало, что люди способны различать бензальдегид и его деутерированную версию. Однако это исследование подверглось критике за отсутствие двойного слепого контроля для исключения предвзятости и за использование аномальной версии теста «дуо-трио». В другом исследовании, проведенном на животных, было показано, что рыбы и насекомые способны различать изотопы по запаху. Деутерация изменяет теплоты адсорбции, а также точки кипения и замерзания молекул (точки кипения: 100,0 °C для H2O против 101,42 °C для D2O; точки плавления: 0,0 °C для H2O, 3,82 °C для D2O), pKa (т.е. константу диссоциации: 9,71 × 10−15 для H2O против 1,95 × 10−15 для D2O, см. Тяжёлая вода) и прочность водородных связей. Такие изотопные эффекты чрезвычайно распространены, и поэтому хорошо известно, что замещение дейтерием действительно изменяет константы связывания молекул с белковыми рецепторами. Любое взаимодействие связывания молекулы-одорaнта с обонятельным рецептором, следовательно, вероятно, будет проявлять некоторый изотопный эффект при деутерировании, и наблюдение изотопного эффекта ни в коем случае не свидетельствует исключительно в пользу вибрационной теории обоняния. Исследование, опубликованное в 2011 году Франко, Турином, Мершином и Скоулакисом, показало, что мухи способны чувствовать запах дейтерия, и что для мух углерод-дейтериевая связь пахнет нитрилом, который имеет схожую вибрацию. В исследовании сообщается, что дрозофила меланогастер (плодовая мушка), которая обычно привлекается ацетофеноном, спонтанно испытывает неприязнь к деутерированному ацетофенону. Эта неприязнь усиливается с увеличением числа атомов дейтерия. (Мухи, у которых генетически отсутствует обонятельные рецепторы, не могли различить эти соединения.) Мух также можно было обучить с помощью электрических разрядов избегать деутерированной молекулы или, наоборот, отдавать ей предпочтение перед нормальной. Когда этим обученным мухам предлагали совершенно новый и не связанный выбор между нормальными и деутерированными запахами, они избегали или предпочитали дейтерий, как и в предыдущем случае. Это позволило предположить, что мухи способны чувствовать запах дейтерия независимо от остальной части молекулы. Чтобы определить, обусловлен ли этот запах дейтерия вибрациями углерод-дейтериевой (C-D) связи или каким-либо непредвиденным эффектом изотопов, исследователи обратились к нитрилам, которые имеют схожую вибрацию с C-D связью. Мух, обученных избегать дейтерия и попросивших выбрать между нитрилом и его не-нитриловым аналогом, избегали нитрила, что подтверждает идею о том, что мухи чувствуют вибрации. Однако, Block и др. в своей статье 2015 года, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, указывают, что их теоретический анализ показывает, что "предлагаемый механизм переноса электронов, основанный на вибрационных частотах одорантов…

Отсутствие антагонистов

Турин отмечает, что традиционные взаимодействия рецепторов типа "ключ-замок" связаны с агонистами, которые увеличивают время, в течение которого рецептор находится в активном состоянии, и с антагонистами, которые увеличивают время, в течение которого рецептор находится в неактивном состоянии. Иными словами, некоторые лиганды склонны активировать рецептор, а другие – блокировать его. В качестве аргумента против традиционной теории обоняния, было обнаружено очень мало обонятельных антагонистов. В 2004 году японская исследовательская группа опубликовала данные о том, что продукт окисления изоэугенола способен антагонизировать, то есть предотвращать, реакцию обонятельных рецепторов мышей на изоэугенол.

Дополнительные проблемы с теорией стыковки обоняния

Молекулы схожей формы, но с различными молекулярными колебаниями, имеют разные запахи (эксперимент с металлоценом и замещение дейтерием молекулярного водорода). Однако это противоречит результатам, полученным с кремниевыми аналогами бургеонала и лилиаля, которые, несмотря на различия в молекулярных колебаниях, обладают схожими запахами и одинаково активируют наиболее чувствительный человеческий рецептор hOR17-4. Это также подтверждается исследованиями, показывающими, что человеческий мускусный рецептор OR5AN1 одинаково реагирует на дейтерированные и недейтерированные мускусы, а тиофенолы имеют значительно менее резкий запах, чем исходные соединения.

Вызовы

Три предсказания Луки Турина о природе запаха, основанные на концепциях теории вибрации, были проверены экспериментальными тестами, опубликованными в журнале Nature Neuroscience в 2004 году Восшаллом и Келлером. Это исследование также указало на недостатки в дизайне более раннего исследования Хаффендена. В ответ на исследование PNAS 2011 года о мухах, Восшалл признал, что мухи способны различать запахи изотопов, но назвал вывод о том, что обоняние основано на вибрациях, «чрезмерной интерпретацией» и выразил скептицизм относительно использования мух для проверки механизма, изначально приписываемого человеческим рецепторам. Для подтверждения теории, по мнению Восшалла, необходимы дальнейшие исследования рецепторов млекопитающих. Билл Хансон, специалист по обонянию насекомых, поднял вопрос о том, может ли дейтерий влиять на водородные связи между запаховым веществом и рецептором. В 2013 году Турин и его коллеги подтвердили эксперименты Восшалла и Келлера, показавшие, что даже обученные люди не смогли отличить ацетофенон от его дейтерированного аналога. В то же время Турин и его коллеги сообщили, что добровольцы-люди смогли различить циклопентадеканон и его полностью дейтерированный аналог. Чтобы объяснить различные результаты, полученные с ацетофеноном и циклопентадеканоном, Турин и его коллеги утверждают, что «для того, чтобы их можно было обнаружить обонянием, должно присутствовать большое количество связей C-H. В отличие от ацетофенона, содержащего всего 8 атомов водорода, циклопентадеканон содержит 28. Это приводит к более чем трехкратному увеличению числа колебательных мод, включающих водород, по сравнению с ацетофеноном, и это, вероятно, необходимо для обнаружения разницы между изотопомерами». Турин и его коллеги не приводят квантово-механического обоснования для этого утверждения. Следует отметить, что правильный термин для соединений, различающихся по количеству изотопных замещений, – изотополог; изотопомеры различаются только положением замещений. Восшалл, комментируя работу Турина, отмечает, что «обонятельные мембраны содержат ферменты, способные метаболизировать запахи, изменяя их химическую идентичность и воспринимаемый запах. Дейтерированные молекулы будут плохими субстратами для таких ферментов, что приведет к химической разнице в том, что испытывают испытуемые. В конечном счете, любая попытка доказать вибрационную теорию обоняния должна быть сосредоточена на реальных механизмах на уровне рецептора, а не на косвенных психофизических тестах». В письме редактору PNAS, Турин и др. выразили обеспокоенность по поводу работы Блока и др. Недавно Сабери и Аллаи предположили, что существует функциональная связь между молекулярным объемом и обонятельным нейронным ответом. Молекулярный объем является важным фактором, но не единственным, определяющим ответ ОНР. Сродство связывания пары обонятельных рецепторов зависит от их относительных размеров. Максимальное сродство может быть достигнуто, когда молекулярный объем запахового вещества соответствует объему связывающего кармана. Недавнее исследование описывает реакцию первичных обонятельных нейронов в тканевой культуре на изотопы и показывает, что небольшая часть популяции (<1%) четко различает изотопы, некоторые даже демонстрируя ответ «все или ничего» на изотопологи H или D октаналя. Авторы объясняют это различиями в гидрофобности между нормальными и дейтерированными запаховыми веществами.