ФИЗИКА ЖИЗНЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

РЕЦЕПЦИЯ ЗАПАХА

С другими яркими примерами узнавания мы встречаемся в первичных процессах, определяющих рецепцию запаха. Обоня­тельная рецепция имеет особое значение для ряда организмов, определяя важные черты их поведения. Сказанное относится, в частности, к насекомым. Насекомые пользуются «языком за­пахов»— выделяемые ими специальные вещества, именуемые феромонами, служат для сигнализации. Имеются феромоны, применяемые общественными насекомыми — муравьями — в ка­честве сигналов тревоги и указателей пути к запасам пищи [41]. Бабочки пользуются феромонами в качестве половых аттрактан - тов. Бабочки-самцы прилетают издалека, за много километров, руководствуясь запахом самки, что было показано еще Фабром [42]. Фабр помещал самку сатурнии в жестяную, деревянную или картонную коробку. Если коробки были достаточно герме­тичны, самцы не прилетали. Вместе с тем они прилетали к ве­точке, на которой ранее сидела самка, и даже на стул, на кото­ром ранее лежала эта веточка. «Итак доказано, — пишет Фабр, — что нельзя допустить здесь способ уведомления, подоб­ный беспроволочному телеграфу, потому что всякое препят - і

Ствие — худой или хороший проводник — прекращает совер­шенно сигналы самки. Для того чтобы эти сигналы могли рас­пространяться на далекие расстояния, одно условие необходи - ' мо, — это чтобы помещение, в которое заключена самка, было не вполне закрыто, чтобы внутренний воздух сообщался с на­ружным» [42]. Действительно, строгие расчеты распределения летучих веществ в воздухе при ветре различной силы показы­вают, что их концентрация может быть заметной на расстоянии многих километров от источника пахучего вещества [41, 43].

Сигнализация у насекомых, основанная на обонятельной ре­цепции, установлена однозначно; фигурирующие иногда в лите­ратуре утверждения об электромагнитной сигнализации у насе­комых [44] ошибочны. Ряд феромонов удалось выделить в чис­том виде, в частности, половой аттрактант самки тутового шелкопряда (Bombyx mori), названный бомбиколом. Бутенандт выделил 4 мг бомбикола из 313 000 бабочек и определил его строение [45—48]. Он нашел формулу бомбикола

Н3С—СН2—СН2—СН=СН—СН=СН—(СН2)7—СН2—ОН,

Причем группировка атомных групп относительно сопряженных двойных связей имеет вид

А—С—Н

II

Н—с—с—н

II

В—с—н,

Где А —это Н3С—СН2—СН2— В —это НО—СН2— (СН2) 7—. Чувствительность бабочек к бомбиколу чрезвычайно велика — Ю-18 р ег0; растворенного в 1 см3 петролейного эфира, т. е. около 2500 молекул, достаточно, чтобы вызвать возбуждение у самца шелкопряда. Выделен и целый ряд других феромонов [43]. Ориентация насекомых в полете по присутствию феромона в воздухе изучена экспериментально [118]. Ориентация по запаху установлена и для ряда других организмов — рыб, млекопитаю­щих и т. д. Выдвинуто предположение о том, что сигнализация у пчел определяется не их «танцем» по Фришу, но обонятельной рецепцией ([49], см. также [141]). С помощью феромона, мечен­ного тритием, установлено, что феромон действительно прони­кает в антенны шелкопряда, сорбируется на поверхности возбу­димой мембраны рецептора, а затем инактивируется и метабо - лизируется [119].

Что же воспринимается при взаимодействии молекул паху­чего вещества с обонятельными рецепторами? Ответ на этот вопрос можно получить, не входя в рассмотрение устройства самих рецепторов, различных, скажем, для насекомых и млеко­питающих.

Высокая чувствительность обонятельных рецепторов свиде­тельствует о том, что запах переносится молекулами. Пороговые концентрации пахучих веществ, воспринимаемых человеком, со­ставляют 4-Ю-7 мг/л для скатола, 4,4-Ю-8 мг/л для этилмер - каптана и 5-Ю-9 мг/л для тринитробутилтолуола [50]. Для того чтобы обладать запахом, вещество должно быть достаточно летучим и растворяться в воде и в липидах — окончания нерв­ных волокон покрыты водяной пленкой, и для проникновения в нервные клетки вещество должно пройти сквозь клеточные мембраны (см. гл. 3).

Было выдвинуто предположение, что рецепция основана на резонансе атомных колебаний молекул пахучего вещества и ка­ких-то молекулярных структур рецептора. Эта, так называемая вибрационная, или квантовая, теория запаха [43, 51—53, 146] исходит из аналогии рецепции запаха со зрительной и слуховой рецепцией. При зрительной рецепции воспринимаются электро­магнитные колебания в видимой области спектра (см. гл. 7), при слуховой — механические, акустические, колебания. Почему бы обонятельным рецепторам не реагировать на колебания мо­лекул, частоты которых лежат в инфракрасной-области спектра?

Несмотря на тщательные изыскания, эту теорию нельзя счи­тать аргументированной. Характер запаха и его интенсивность плохо коррелируют с колебательным спектром вещества. Веще­ства, содержащие различные атомные группы и поэтому обла­дающие сильно разнящимися наборами колебательных частот, зачастую имеют сходные запахи. С другой стороны, запах и по­роговая концентрация вещества могут меняться при сохранении одних и тех же атомных групп в молекулах, но при изменении их положения (например, ОН-группы [54]). Оптические анти­поды имеют тождественные спектры, но в ряде случаев различ­ные запахи.

Мембраны обонятельной слизистой носа человека окрашены в желтый или коричневый цвет обонятельным пигментом. Райт предположил, что обонятельный пигмент относится к кароти - ноидам и ответствен за резонансные колебательные взаимодей­ствия. Эти утверждения также ничем не доказаны.

Колебательная теория противоречит элементарным термоди­намическим соображениям. Носовая полость практически замк­нута, это своего рода черное тело, и если в него попадают моле­кулы, то их излучение должно находиться в термодинамическом равновесии со стенками полости. Следовательно, колебания в такой системе не могут восприниматься.

Монкрифф предположил, что рецепция запаха основана на узнавании формы молекулы, на стерическом соответствии между структурой молекулы пахучего вещества и структурой некоторой полости в рецепторной клетке [55]. Руководствуясь этой идеей, Эймур провел исследования запахов множества ор­ганических соединений. Восприятие запаха человеком субъек­тивно в смысле его оценки как приятного или неприятного, в смысле установления сходства между запахами. Тем не менее, Эймуру удалось систематизировать запахи [56, 57]. Согласно Эймуру, имеется семь первичных запахов, а именно (в скобках приведены примеры веществ):

Камфорный (камфора),

Мускусный (пентадеканолактон),

Цветочный (фенилметилэтилкарбинол),

Мятный (ментол),

Эфирный (дихлорэтилен),

Едкий, острый (муравьиная кислота),

Гнилостный (бутилмеркаптан).

Сопоставление структур веществ, обладающих этими запа­хами, показало, что запах определяется не химическим соста­вом, а формой и размерами молекул. Так, вещества, характери­зуемые камфорным запахом, имеют форму, близкую к сфериче­ской с диаметром порядка 7 А. В эту группу попадают моле­кулы с сильно разнящимся химическим строением, например, камфора СюН160, гексахлорэтан С2СІ6, дихлоридэтиламид тио - фосфорной кислоты C2H6NC12SP, циклооктан СзНю. Вещества с мускусным запахом имеют форму диска с диаметром около 10 А. Для веществ с мятным запахом помимо специфической формы необходимо наличие группы атомов, способной образо­вать водородную связь в определенном положении.

На рис. 1.8 показаны структуры молекул и формы полостей, которые этим структурам соответствуют. Едкий и гнилостный запахи определяются, по-видимому, не столько структурой, сколько способностью соответствующих молекул приобретать заряд — электрофильные вещества с малыми размерами моле­кул имеют едкий запах (НСООН, S02, С12 и т. д.), нуклеофиль - ные — гнилостный (H2S). Сложные запахи возникают в тех слу­чаях, когда разные группы одного и того же вещества попадают в несколько различных полостей. Одно и то же вещество может иметь различные первичные запахи, если его молекулы могут разместиться в полостях различных типод^ Эти положения сте - реохимической теории Эймура установлены на основании ряда фактов, прямо или косвенно свидетельствующих в ее пользу. Наличие различных рецепторных клеток доказано с помощью микроэлектродной техники. Исходя из теории Эймура, удалось провести направленный синтез пахучего вещества путем соеди­нения нескольких веществ, обладавших первичными запахами, соответствующими структуре их молекул. Убедительные аргу­менты в пользу теории дают опыты, в которых изменение запаха

Рис, 1,8, Структуры молекул и ячеек в рецепторних клетках для семи основ* ных запахов по Эймуру.

Достигалось изменением формы молекулы в результате замены водорода на метильную группу.

Лафор и Дравниекс предложили эмпирическую формулу, связывающую порог восприятия запаха с физико-химическими параметрами, характеризующими растворимость вещества в воде [58]. Эти параметры в свою очередь связаны с молярным объемом вещества, с его способностью образовывать водород­ные связи и с поляризуемостью молекул. Специфичность про­странственной структуры в этих параметрах не проявляется. Непосредственного физического смысла предложенная формула не имеет, и полученные корреляции оставляют желать лучшего. Можно думать, что найденные совпадения определяются зави­симостью выбранных параметров от пространственного строения молекул и их способности вступать в слабые взаимодействия с молекулярной структурой рецепторных клеток (см. также стр. 150).

Таким образом, сейчас можно считать, что обонятельная ре­цепция основана на прямом узнавании молекулярной структуры, реализуемом посредством слабых взаимодействий. Детальный механизм процесса остается пока неизвестным (см. также [145]).

Конечно, существенна не только пространственная структура, но и физические характеристики молекул, ответственные за ее слабые взаимодействия с рецепторными полостями. Несомненно, что важную роль должны играть поляризуемость и дипольный момент молекулы. Так, пиридин C5H5N, имеющий острый не­приятный запах, сходен по пространственной структуре со слабо пахнущим бензолом С6Н6. Но пиридин — полярное, а бен­зол — неполярное вещество.

Сложность проблемы определяется отсутствием в настоя­щее время объективных критериев запаха. Приходится пользо­ваться психофизиологическими понятиями типа «приятный» или «неприятный», «сильный» или «слабый». Попытка корреляции характеристик молекул с такого рода оценками предложена в работе [120]. Проблема рецепции вкуса не менее сложна. Мо­жно утверждать, что первичный акт рецепции связан с функ­циональностью белковых и липидных молекул рецепторных1' мембран. Кислый вкус определяется наличием свободных ионов водорода, соленый — такими анионами, как С1~\ Горький и сладкий вкус возникают при воздействии на рецепторы веществ самого разнообразного строения (горек хинин и сульфат нат­рия, сладок — сахар и сахарин), и в этом смысле во вкусовой рецепции нет узнавания молекулярной структуры. Недавно бы­ли открыты специфические белки растительного происхождения, обладающие высокой вкусовой активностью [59]. Два из них, монеллин и тауматин, обладающие интенсивно сладким вкусом, могут рассматриваться как хемостимулирующие белки. Третье вещество — гликопротеид миракулин — является модификато­ром вкуса. После того, как миракулин воздействует на язык, кислота воспринимается как сладкое вещество. Предполагает­ся, что миракулин связывается плазматической мембраной. Кис­лота изменяет конформацию мембраны, стимулируя «сладкий» ее участок [60]. Вкус определяется воздействием на специфиче­ские центры рецепторных мембран. Эти воздействия в конечном счете сводятся к молекулярному узнаванию.