Расшифровка ольфакторных сообщений

 

Ключевой этап ольфакторного восприятия – это расшифровка химической информации, принесенной молекулами пахучих веществ, и перевод ее в электрические сигналы, которые далее отправляются прямиком в мозг. Сейчас мы уже знаем, что за этот перевод отвечают периферийные ольфакторные нейроны, и в особенности белки-рецепторы, сидящие на мембранах ресничек.

Это и стало ключом к пониманию устройства нашего обоняния.

В начале 60-х годов Джон Эймур сравнил сотни молекулярных структур и попытался установить корреляцию между ними и запахами, которые издают соответствующие вещества [3]. Он пришел к выводу, что из всех молекулярных характеристик с ольфакторными свойствами лучше всего коррелируют форма и размер молекул, то есть их структурные параметры.

Это стало настоящей вехой в изучении обоняния. С тех пор химики, занимающиеся запахами, сосредоточились в первую очередь на структурах. До всех наконец дошло, что искать надо прежде всего соответствия между тем, как вещество устроено и как оно пахнет. Это позволило отточить методики синтеза новых молекул с заранее заданными запахами и вообще лучше понять, куда двигаться дальше.

Поначалу ученые пробовали применить к науке об обонянии техники, давно придуманные и апробированные для создания новых лекарств, – это получило название «фармакологический подход».

На самом деле обоняние – просто еще один пример химической коммуникации, и его механизмы похожи на те, что регулируют все виды взаимодействий между мелкими молекулами и белками – от ферментов до рецепторов и прочих классов связывающих белков.

 

Фармакологический подход

 

Давайте для начала рассмотрим метод, давно доказавший свою успешность в изобретении новых лекарств. Благодаря ему научное знание шагнуло далеко вперед, а медицина умственных и гормональных расстройств (да и других болезней) получила в свое распоряжение огромное количество новых полезных веществ.

Разработка нового лекарства обычно начинается со структуры уже известного вещества, дающего нужный физиологический эффект. Следующей целью ставится создание нового соединения, сохраняющего этот эффект, но имеющего уже другие физико-химические характеристики, путем внесения в молекулу мелких структурных изменений и тщательного протоколирования результатов.

Объяснить этот метод помогут несколько наглядных примеров, однако для начала давайте вспомним некоторые основополагающие факты биологии. Известно, что принадлежащие к одному виду индивидуумы пользуются для коммуникации между собой химическими сигналами. Насекомые и млекопитающие при помощи феромонов сообщают о своем присутствии партнерам, предупреждают соплеменников об опасности или о наличии рядом еды. Социальные виды вроде муравьев или медоносных пчел разработали целые системы общения при помощи молекул, настолько богатые и изощренные, что просто диву даешься.

Клетки нашего организма точно так же пользуются химическими сообщениями для обмена информацией и регуляции своей деятельности. К примеру, человеческий мозг состоит из особых клеток, нейронов, связанных друг с другом огромным количеством похожих на щупальца дендритов. Каждый нейрон общается со своими собратьями при помощи электрических сигналов, проходящих через чрезвычайно сложную разветвленную сеть. Но, если заглянуть поглубже, окажется, что эта коммуникация носит также и химический характер. Дело в том, что нейроны не соприкасаются друг с другом физически и напрямую: между кончиком посылающего сигнал дендрита и принимающим нейроном есть зазор, через который в момент общения перебрасываются особые химические вещества – нейротрансмиттеры.

Эти растворимые молекулы перемещаются к целевому нейрону, где сидящие на мембране рецепторы идентифицируют каждую и посылают внутрь клетки сигналы, запускающие целую цепочку биохимических реакций, которая в конце концов приводит к возникновению электрического сигнала. Этот самый сигнал, в свою очередь, вызывает секрецию других нейротрансмиттеров, стимулирующих следующие нейроны, и т. д. На практике мы имеем дело с системой, которая виртуозно распознает информацию, закодированную в химических структурах, и переводит ее в электрические импульсы.

Обонятельная система в некотором роде работает так же. Она мониторит окружающую среду, улавливает из воздуха летучие молекулы, идентифицирует каждую и отправляет в мозг соответствующие сообщения. В нашем организме есть и другие системы, построенные на химической коммуникации (в том числе и такие, которые запускаются в действие гормонами), но для иллюстрации фармакологического подхода мы постараемся ограничиться нейронами и нейротрансмиттерами. Они же помогут нам понять, насколько такая техника годится для изучения обоняния.

Практика состоит в том, чтобы последовательно стимулировать рецепторы одного типа целым спектром синтетических лекарств, повторяющих структуру эндогенного активного соединения, и сравнивать получаемые реакции с той, которую дает натуральное вещество. Хотя рецепторы вполне можно изучать in vitro [4] (после изоляции и очистки), фармакологический подход применим и к живому органу или целому организму. В этом случае мы стимулируем всю систему спектром структурно родственных химикатов и наблюдаем за физиологическим ответом – например, за сокращением мускула или изменением сердечного ритма.

Стимул отделяет от реакции целая цепочка биохимических явлений, протекающих в сложно устроенном организме. Тем не менее мы заранее знаем, что наши лекарства воздействуют только на один определенный рецептор, который мы, собственно, и изучаем. Это позволяет судить об эффективности лекарства просто по интенсивности реакции, так как все остальные рецепторные системы в измерения не вмешиваются.

 

Взаимоотношения между структурой и запахом

 

Все это кажется довольно простым и понятным, но все равно возникает вопрос: можно ли применить тот же метод к изучению обоняния? Можно ли провести прямую связь между структурными параметрами молекул одоранта и их слышимым запахом? Мы уже говорили о том, что ольфакторный язык крайне сложен, что смеси одорантов могут вызывать в мозгу совершенно новые ощущения, точно так же как сочетания слов порождают новые смыслы и идеи; тем более что одно и то же вещество умеет вызывать разные ощущения в зависимости от контекста.

Все это относится к обработке периферических сигналов. А как насчет первичного распознавания и перевода химических сообщений? Здесь все снова очень сложно – и даже сложнее, чем было. Этот новый уровень сложности объясняется тремя особенностями взаимодействий между молекулами одорантов и белками рецепторов.

Большинство молекулярных структур у пахучих веществ – гибкие и могут взаимодействовать с рецепторами разными своими частями.

Ольфакторные рецепторы не слишком придирчивы и умеют принимать по нескольку разных одорантов со сходной структурой (рецепторы нейротрансмиттеров и гормонов устроены не так).

Мы экипированы сотнями разных рецепторов, каждый из которых в той или иной мере взаимодействует с несколькими потенциальными летучими партнерами: мы называем это комбинаторным кодом – он порождает очень разнообразные и сложные реактивные паттерны, даже когда стимул по своему устройству сравнительно прост.

Иначе говоря, в сфере обоняния простой линейной корреляции между молекулярной структурой и воспринимаемым запахом нет. Поскольку каждое химическое вещество может взаимодействовать с несколькими типами рецепторов одновременно, продуцируемая им реакция тоже зависит от нескольких причин. Если как-то изменить его молекулярную структуру, можно уменьшить степень «родства» с определенным рецептором, но при этом получившаяся новая молекула начнет более интенсивно общаться с другими рецепторами. Эффект подобной модификации не измеряется интенсивностью запаха: меняется само качество запаха, измерить которое – это уже отдельная и очень сложная задача.

Есть и еще одна проблема с применением фармакологического подхода к изучению обоняния. Мы до сих пор не располагаем исчерпывающей информацией о том, какие молекулярные структуры лучше всего подходят каким рецепторам. С лекарствами это не так: там химическая структура нейротрансмиттера, или гормона, или иного натурального соединения, ответственного за наблюдаемый физиологический эффект, уже достаточный критерий.

Итак, мы вынуждены иметь дело со слишком сложной задачей и, естественным образом, пытаемся максимально упростить не только наше «дано», но и сами описывающие систему модели. Чаще всего такой подход работает, – по крайней мере, он обеспечивает нас пакетом базовой информации.

Описывая биологическую систему с помощью сложных математических уравнений, мы первым делом задаем аппроксимации, приблизительные величины, и удаляем малозначительные факторы, чтобы получить формулу, с которой хотя бы можно иметь дело. Полученная в результате модель будет не идеально точной, но зато сможет воспроизвести основополагающие черты системы и позволит делать прогнозы, пусть и довольно грубые, – а это уже большой шаг вперед.

Эту процедуру мы сейчас проиллюстрируем рядом простых примеров. Мы будем изменять те или иные элементы в структуре одоранта и наблюдать, как от этого меняется запах. Так мы сумеем выявить молекулярные параметры, оказывающие самое большое влияние на формирование аромата, и одновременно получим детальные направляющие для создания новых молекул с искомым ароматом.

Начнем с классических случаев, доказывающих, что запах химического вещества не слишком изменится, если поменять одну функциональную группу на какую-то другую, а сам скелет при этом оставить в покое. Возьмем бензальдегид – простое соединение, в котором альдегидная группа присоединена к бензольному кольцу; оно пахнет горьким миндалем (см. рис. 11). Если заменить альдегидную группу на нитро– или нитрильную, получатся вещества, сильно отличающиеся от бензальдегида по своим химическим свойствам – но не по запаху.

Точно так же можно заменить альдегидную группу цитронеллаля (вещества, как нетрудно догадаться, с цитрусовым запахом) на нитрил и получить цитральву с почти тем же самым запахом, но зато куда более устойчивую к окислению и распаду (рис. 11).

В главе третьей мы уже говорили о чем-то подобном. Изучая производные трех ароматических колец, пиразина, тиазола и фурана (рис. 8), мы наблюдали, как запах меняется с орехового и жареного на зеленый и растительный – в зависимости от длины выдающихся углеродных цепочек. Замена одного кольца на другое при этом на него не особенно влияла.

Еще один наглядный пример – γ-лактоны (см. рис. 12), у которых длина углеродной цепочки тоже оказывает на запах самое драматическое влияние. Первый, у которого к кольцу присоединен один-единственный углерод, пахнет свежевыпеченным хлебом; второй, с цепочкой из пяти углеродов, – кокосом; а третий, у которого углеродов целых восемь, – фруктами, и конкретно персиком.

Эти примеры (и другие, которые в изобилии можно найти в специальной химической литературе) доказывают, что запах куда больше зависит от размера и формы молекулы – то есть от ее скелета, – чем от типа функциональной группы. Это правило можно с успехом применять для синтеза новых молекул с желаемым ароматом, но при этом еще и более стабильных, чем натуральный прототип (как в случае с цитронеллалем и цитральвой), более простых и дешевых в производстве или обладающих другими полезными свойствами, например более щадящих при контакте с одеждой (очень ценная характеристика при синтезе отдушек для моющих средств) или кожей (в парфюмерной промышленности) и вообще более безопасных для человека и окружающей среды.

Стратегия заключается в том, чтобы заменить одну функциональную группу другой… но иногда ведь можно еще и поменять сам скелет, сохранив приблизительно ту же общую форму молекулы. Мне самому выпало на долю одно интересное исследование – я тогда сотрудничал с моими коллегами-химиками и одновременно друзьями Элио Наполитано (из моего же Пизанского университета) и Чечилией Ансельми (из Сиенского). В ходе работы мы не единожды сталкивались с геосмином (см. рис. 3) – веществом с запахом земли, крайне нежелательным в питьевой воде, но очень ценным для парфюмерии. У геосмина очень приятный, сильный аромат, но на его получение приходится потратить много времени и сил.

 

Рисунок 11. Классические примеры, доказывающие, что аромат зависит в основном от стереохимических параметров молекулы. Замена альдегидной группы бензальдегида нитро– или нитрильной группой никак не влияет на основную ноту запаха. Точно так же цитрусовый запах цитронеллаля сохраняется и у его нитрилового дериватива – цитральвы. В этом и в других подобных случаях замена лабильной альдегидной группы на очень стабильную нитриловую приносит массу практических преимуществ.

 

Рисунок 12. Химические структуры и молекулярные модели трех γ-лактонов с разными запахами. У всех трех молекул одинаковое кольцо, но разная длина боковой углеродной цепочки. У первой к кольцу присоединен один-единственный атом углерода; она пахнет свежевыпеченным хлебом. У второй углеродов уже пять, а запах превращается в кокосовый. Дальнейшее удлинение дает персик и другие фруктовые ноты.

 

В то время геосмин интересовал меня и по более умозрительным причинам. Как уже говорилось, он используется в качестве маркера при оценке качества воды. Вода в высшей степени важна для выживания всех живых организмов на Земле – но она не обладает собственным запахом, потому что наши ольфакторные нейроны и так постоянно погружены в воду. Поэтому присутствие воды можно учуять только благодаря летучим веществам, продуцируемым в связи с водой. Геосмин – прекрасный кандидат в такие индикаторы, так как в природе он производится и высвобождается после дождя.

В тот период, о котором идет речь, геосмин не был коммерчески доступен: его можно было только выделить самостоятельно из соответствующих микроорганизмов – ну, или потратить массу времени и сил на последовательный многоэтапный синтез. Выход вещества в обоих случаях был критически мал.

Поэтому мы решили подойти к делу с другой стороны и создать новый химикат, более простой по структуре и в производстве, но обладающий похожей формой молекулы. Главная проблема заключалась в том, чтобы синтезировать систему с двумя кольцами, поэтому мы сначала сделали структуру с одним – это оказалось гораздо проще. Она идеальным образом получалась из молекулы геосмина, если открыть ей одно кольцо. Некоторые из полученных в результате веществ сохранили насыщенный земляной запах натурального прототипа. Мы решили пойти еще на шаг дальше и попробовать создать еще более простые молекулы, вообще без колец. В итоге у нас получился ряд новых химических веществ с отчетливым земляным запахом, но получили мы их путем простого одноэтапного синтеза из простейших коммерческих исходников (рис. 13).

Увы, что-то в процессе оказалось утрачено. Приятную земляную ноту теперь сопровождала камфарная – более слабая, но заметная в чистом веществе или высококонцентрированном растворе. Эффект, по всей вероятности, объяснялся большей гибкостью новых структур, которые теперь получили способность стимулировать рецепторы камфарного аромата. Известно, что этот ольфакторный профиль обычно ассоциируется с молекулами круглой формы и 10–12 атомами углерода.

Такие корреляции довольно легко установить и верифицировать, синтезируя новые молекулы с определенным искомым запахом. Этот подход широко используется в парфюмерном производстве, так как новые химикаты довольно легко проходят апробацию в качестве элементов духов или отдушек (а вот попасть в пищевые ароматизаторы им уже гораздо труднее, так как в этой отрасли практикуют заметно более жесткий контроль).

 

Рисунок 13.  Этот пример показывает, как можно синтезировать новые одоранты, опираясь на знание взаимосвязей между молекулярной структурой и запахом. Производное циклогексанола и третичный спирт с открытой цепочкой сохраняют земляной запах геосмина, но гораздо проще и дешевле в производстве.

 

Возможность творить новые молекулы с новыми запахами стала бесценным инструментом для этого нового направления в искусстве, где креативность химии и непредсказуемость запахов сообща создают целый новый мир, по которому можно путешествовать до бесконечности.

 

Часть II

Вестники секса и опасности

 

5

Насекомые и феромоны

Смертельное влечение