Вкус

Вкусовые ощущения человека можно подразделить на четыре основных: соленое, кислое, горькое и сладкое. Конечно, такое деление весьма упрощенно. На языке (рис. 9.1) находятся вкусовые рецепторы, расположенные на участках, обладающих специфической чувствительностью. Когда знаток пьет хорошее вино, он сначала по запаху знакомится с букетом вина. Затем вино осторожно пробуют кончиком языка, чтобы получить общее вкусовое ощущение. Для того чтобы полностью насладиться букетом вина, его перемещают на заднюю часть языка и под язык, а затем вдыхают воздух ртом так, чтобы воздух проходил над вином. Это дает максимальный эффект и наиболее яркое ощущение, основанное на сочетании вкуса и запаха.

Рис. 9.1. Вкусовые области языка, определенные на основании физиологических данных

Вкусовые ощущения возникают благодаря рецепторам, расположенным в специальных бугорках на языке и называемых вкусовыми почками, которые изображены на рис. 9.2. Вкусовые ощущения связаны с возникновением электрического импульса. Если помещать на язык, например, различные соли, можно зарегистрировать при помощи приборов легко поддающиеся измерению электрические сигналы различной интенсивности, как показано на рис. 9.3.

Рис. 9.2. а - вкусовые почки, или папиллы, кролика (×79); б - электронная микрофотография вкусовых почек кролика (×4444); в - вид отверстия вкусовой почки крысы (×578) [1]

Рис. 9.3. Электрические сигналы вкусового нервного окончания крысы, возникающие при помещении на поверхность языка 0,1 М растворов различных солей. Одно деление горизонтальной шкалы равно 20 с [1]

Вкус представляет собой сложное явление, в основе которого лежат взаимодействия молекул. О молекулах, обладающих вкусом, известно довольно много. Однако полностью механизм вкусового ощущения еще не выяснен. С молекулярной точки зрения наиболее изученным и лучше других понятым является вкус сладкого. Мы знаем, что все сахара обладают неодинаковым вкусом, D-Глюкозу, сахарозу и фруктозу легко отличить по вкусу друг от друга и от других Сахаров (табл. 9.1). На вкус влияют даже столь незначительные структурные различия, как конфигурация относительно аномерного углеродного атома циклической формы гексозы. Так, α-D-манноза сладкая, в то время как β-D-манноза горькая на вкус

Эти структуры переходят друг в друга в результате так называемой мутаротации. Если циклическая форма, например кольцо β-D-маннозы, раскрывается, вполне возможно, что последующая циклизация альдегида приведет к α-D-маннозе. Эти две структуры различаются лишь конфигурацией относительно аномерного углеродного атома (в положении 1). Самым сладким из всех обычных Сахаров считается фруктоза в форме β-D-пиранозы. Ее сравнительная сладость заметно уменьшается при повышении температуры испытуемого раствора и увеличении длительности хранения. Этот эффект можно объяснить сложной мутаротацией, которая может происходить во фруктозе. Так, β- -фруктопиранозу можно превратить в менее сладкую β-D-фруктофуранозу и в небольшой концентрации даже в наименее стабильный изомер α-D-фуранозу.

Из данных, приведенных в табл. 9.1, становится ясно, что различные сахара отличаются по своей сладости. Многое зависит от способа измерения вкусового ощущения. При концентрации, близкой к порогу чувствительности определения, сахароза кажется горькой. По мере увеличения концентрации сахарозы преобладающим становится сладкий вкус. В случае других Сахаров на вкус могут влиять химические превращения, подобные мутаротации, которая уже обсуждалась для фруктозы и маннозы. Такие реакции возможны для многих других Сахаров, некоторые из которых приведены в табл. 9.1, в том числе для моносахаридов - глюкозы и галактозы и дисахаридов - мальтозы и лактозы.

Таблица 9.1

^а (По данным Шелленбергера (см. в конце главы "Использованная литература и материал для дополнительного чтения").)

Сладким вкусом обладают некоторые аминокислоты и пептиды. Сладковатый вкус у глицина и некоторых D-изомеров нормальных аминокислот. Из данных табл. 9.2 очевидно, что общего правила не существует. Можно считать сладкими L-изомеры аланина, серина, пролина, треонина и даже валина; сладкий вкус имеют почти все D-изомеры. Очевидно, должно быть какое-то специфическое взаимодействие между этими искусственно получаемыми изомерами и рецепторными центрами вкусовых сосочков. Можно предположить, что ощущение сладкого вкуса связано с конформационным воздействием, оказываемым D-аминокислотами на белки рецепторных центров. Вне сомнения, рецепторный центр содержит асимметрический атом углерода, и может происходить преимущественное взаимодействие, приводящее к образованию энантиомерного переходного комплекса D-аминокислоты с L-рецепторным центром.

Таблица 9.2. Вкус аминокислот^а

^а (По данным Шелленбергера (см. в конце главы "Использованная литература и материал для дополнительного чтения").)

^б (Напомним, что глицин не содержит асимметрического атома углерода и потому не имеет оптических изомеров (см. приложение).)

Недавно было сделано удивительное открытие. Оказалось, что дипептиды, например метиловый эфир L-аспартил-L-фенилаланина, а также некоторые другие родственные ему соединения почти в 200 раз слаще сахарозы.

Это синтетическое вещество весьма привлекательно, поскольку оно состоит из природных аминокислот и обладает очень низкой калорийностью. В результате гидролиза или реакций ферментативного расщепления получаются легко метаболизируемые природные аминокислоты - L-аспарагиновая кислота и L-фенилаланин и сопутствующий им продукт метанол. Мазур и его коллеги установили, что замещение L-аспартильной группы любым другим аминокислотным остатком, в том числе близким по структуре -глутамильным или D-аспартильным, приводит к образованию безвуксных продуктов. Они обнаружили также, что в метиловом эфире такого дипептида фенилаланин можно заменить метионином или тирозином, а сладкий вкус при этом сохраняется. Дипептидные свободные кислоты, соответствующие этим метиловым эфирам (например, L-аспартил-L-фенилаланин), сладкими не являются. Сладость этих трех эфиров дипептидов уменьшается при замене метальной эфирной группы на этильную.

Органикам-синтетикам издавна известно, что соединение, обладающее сладким вкусом, нелегко модифицировать, сохранив при этом его сладкий вкус. Сахарин является сладким, в то время как его N-алкилпроизводные безвкусны. Соли щелочных металлов циклогексиламинсульфата (цикламаты) обладают сладким вкусом, тогда как такие же соли анилинсульфата почти безвкусны. Вкус алкилнитроанилинов очень сильно изменяется в зависимости от характера замещения.

Три представителя веществ, обладающих сладким вкусом и полученных синтетическим путем, и близкие им по структуре безвкусные вещества

Если рассматривать эти данные вместе с приведенными выше для Сахаров и аминокислот, трудно вывести какую-нибудь связь между структурой соединения и его вкусом. Рецепторы вкусовых органов способны отзываться на воздействие, оказываемое молекулами этих соединений, определенным и воспроизводимым образом. Должно играть определенную роль и молекулярное узнавание. В некоторой степени вкусовые ощущения определяются и генетическими факторами. Так, фенилтиомочевина для 75% людей кажется горькой, в то время как остальные 25% не ощущают никакого вкуса этого соединения даже при высокой его концентрации.

Конечно, вызывает недоумение тот факт, каким образом вещества со столь сильно отличающейся структурой могут вызывать ощущение сладкого вкуса. Для объяснения механизма возникновения вкусового ощущения на молекулярном уровне было предложено несколько теорий. Эти теории основываются на таких представлениях, как природа функциональных групп, входящих в соединение, вкус которого рассматривается; химические и физические свойства молекул, считаемых сладкими; образование специфических внутримолекулярных водородных связей и (или) наличие белка, играющего роль привратника, который управляет подходом к рецепторам вкусового бугорка.

Еще в 1914 г. специфические группы атомов в молекуле, придающие веществу сладкий вкус, были названы "сапофорными звеньями". Этими группами часто были полиокси- или аминокислотные остатки. По аналогии с химией красителей были введены понятия о глюкофорах - группах, при взаимодействии которых с "ауксоглюками" (т. е. безвкусными группами) образуются соединения, обладающие сладким вкусом.

Для понимания структурных особенностей, определяющих вкус и, в частности, сладость веществ, существенно следующее:

а) вкус сладких веществ при модификации изменяется;

б) соединения, содержащие активный атом водорода, обладают заметно различимым вкусом;

в) оптические антиподы обычно различаются по вкусу.

Было высказано предположение, что сладкий вкус сахарина связан с енолизацией

Такие таутомерные превращения позволили бы объяснить, почему N-алкилзамещенные сахарины не являются сладкими: они не могут претерпевать енолизации. То, что α-аномерные гексозы и дисахариды являются более сладкими, объяснялось наличием цис-гидроксильных групп у аномерного и соседнего с ним углеродного атома α-аномерных форм. Однако не всегда это обобщение справедливо, поскольку β-D-лактоза слаще α-формы, а β-D-манноза, обладающая цис-структурой, имеет более горький вкус.

Ганч и его коллеги установили зависимость сладости ряда производных нитроанилина от соответствующих им значений гамметовской константы σ:

где RS - относительная сладость, σ - константа Гаммета, связанная с электроотрицательностью группы, а π - другая константа, характеризующая свободную энергию заместителя и связанная со значением σ, но в большей степени отражающая гидрофобность рассматриваемой группы. Для того чтобы вещество обладало сладким вкусом, необходимо, чтобы оно было гидрофильным или способным к образованию водородной связи. Наряду с этим большое значение имеет и гидрофобная часть структуры, способствующая достижению рецепторного центра, расположенного во вкусовом бугорке. Пользуясь таким подходом к проблеме вкуса, Ганч объяснил, почему 3-нитро-6-метиланилин является сладким, а другие изомеры - нет.

Некоторые исследователи наблюдали, что величина электрофизиологического сигнала зависит от концентрации соединения, обладающего сладким вкусом. Связанные с этим гипотезы основываются на предположении, что в результате образования водородной связи между сладкой молекулой и рецепторным центром происходит изменение конформации белка, расположенного на поверхности рецепторного центра. Действительно, из вкусовых бугорков были выделены белки, вступающие со сладкими соединениями в специфические слабые взаимодействия путем образования водородной связи. Брэдли и Хенкин обнаружили, что при приеме лекарств, содержащих тиольную группу, острота вкусового восприятия понижается, а металлы, например медь(II) и цинк(II), вновь восстанавливают вкусовую чувствительность до нормального уровня. Эти открытия дали основание предполагать, что может происходить разрыв дисульфидных связей белка за счет обмена сульфгидрил - дисульфид по следующему механизму:

Восстановление вкусовой чувствительности при действии меди или цинка можно объяснить хелатообразованием между тиольным производным и ионом металла

В конце концов этот процесс может привести к следующему соединению:

Могут происходить также окислительно-восстановительные реакции

Связывание соединения, обладающего сладким вкусом, с металлом и белком, содержащим сульфгидрильную группу, может приводить к изменению конформации рецепторного центра. Брэдли и Хенкин назвали белок, контролирующий и регулирующий подход молекул сладкого соединения к рецепторному центру, "белком-привратником". Когда вслед за приемом лекарства, содержащего тиольные группы, этот белок уменьшает эффективный размер пор, порог вкусовой чувствительности должен, конечно, существенно изменяться. То, что именно так оно и происходит, можно считать доводом в пользу такого объяснения.

Шелленбергер разработал другую теорию, объединившую многие известные факты о сладости соединений. Он установил общую природу определяющего вкус звена, входящего в сладкие соединения. Такое звено в свою очередь должно удовлетворять специфическим требованиям с точки зрения конфигурации и конформации. Полагают, что начальной фазой процесса, приводящего к ощущению сладкого вкуса, является образование межмолекулярной водородной связи между "вкусовым" звеном сладкого соединения и рецепторным центром вкусового бугорка. Это в свою очередь связано с физическими и геометрическими свойствами соединения. Шелленбергер обнаружил, что многие сладкие соединения имеют систему АН,В, где А и В-электроотрицательные атомы или группы. Согласно проведенному расчету, расстояние между протоном АН и орбиталью В в среднем составляет 3Å. Если соединение удовлетворяет этим требованиям, значит, оно имеет сладкий вкус. Ниже приведены примеры молекул, сладкий вкус которых можно объяснить, пользуясь теорией Шелленбергера:

В рамках теории Шелленбергера трудно понять влияние конфигурации на вкус, например наблюдаемое различие во вкусе α- и β-аномеров, а также D- и L-аминокислот. Другие молекулярные аспекты природы вкуса сладости также можно интерпретировать на основании представлений о взаимодействии системы АН,В. Так, например, β-форма оксима анисового альдегида несладкая, поскольку группа АН находится далеко от В-области.

Приведенные выше механизмы и объяснение возникновения сладкого вкуса применимы не во всех случаях, и потому необходимы дальнейшие исследования механизма вкусового восприятия. По-видимому, в создании вкусового ощущения участвуют сложные химические реакции как на стадии, предшествующей включению нервной системы, так и на стадии участия нервной системы. До сих пор мы полностью не знаем, какую роль во вкусовом ощущении при молекулярном взаимодействии играют структура молекулы, топология и десорбция. Каждое из обсуждавшихся выше объяснений содержит свой подход к этой проблеме. В настоящее время нельзя предложить единой всеобъемлющей теории.