Запах

Прежде чем перейти к рассмотрению интереснейшего химизма действия аттрактантов и стимуляторов (особенно на примере насекомых), рассмотрим обоняние как чувство, связанное со вкусом. Люди описывают запахи довольно сложным образом. Нетрудно установить общую классификацию. Некоторые молекулы издают запах (т. е. реагируют с рецепторными центрами, связанными с обонянием), который легко описать. Соединения, перечисленные в табл. 9.3, попадают в общие категории; однако таблица не может передать всех нюансов суждений людей, квалифицирующих запахи. Эти запахи не включают всех известных человеку оттенков ароматов. Приведенные категории разработаны в основном как средство для того, чтобы описывать явные, легко воспроизводимые запахи, присущие эталонным образцам, применяемым для сравнения.

Первичные запахи, различаемые человеком^*

^* (По данным Amoore J. E., Ргос. Sci. Sec., Toilet Goods Assoc. Suppl., 37, 1 (1962).)

Структуру соединений, обладающих запахом, установить легко. Гораздо труднее определить, как эти соединения взаимодействуют с обонятельными рецепторами (рис. 9.4). Несомненно большую роль играет летучесть пахучего соединения, благодаря которой оно достигает обонятельных центров. Обычно недостаточно оценивается, насколько высокочувствительным может быть обоняние. Особенно сильно пахнущие вещества человек обычно может обнаружить при их содержании в количестве одна часть на 1012 частей воздуха. Даже незначительное число пахучих молекул, достигших рецепторного центра обоняния (рис. 9.4), адсорбируется на поверхности рецептора.

Рис. 9.4. Схематическое изображение основных деталей обонятельного эпителия (по данным Moulton D. G., Detection and Recognition of Odor Molecules, in 'Gustation and Olfaction', G. Ohloff and A. F. Thomes, eds., Academic Press, London and New York, 1969). 1 - слизистый покров; 2 - реснички; 3 - опорные клетки; 4 - рецепторные клетки; 5 - базальные клетки

Одни лишь функциональные группы не определяют запаха молекулы. Уксусная кислота, например, обладает резким запахом, в то время как масляная кислота имеет запах прогорклого жира. Валериановая и капроновая кислоты пахнут как пропахшая потом раздевалка стадиона, а высшие жирные кислоты почти совсем не имеют запаха. Насколько важную роль играет геометрия молекул, можно видеть на примере приведенных ниже ксиленолов:

Твердо установлено также, что запах углеводородов существенно зависит от длины их цепи. Так, метан не имеет запаха; н-пентан имеет характерный запах жидкости для заправки зажигалок, а алканы типа октана и нонана - запах бензина. Известно, что сложные эфиры имеют фруктовый запах, однако специфический запах зависит от характера кислотного и спиртового компонентов, входящих в эфир. Очень интересные изменения запаха в зависимости от характера замещения наблюдаются для γ-лактонов: 5-н-пентилпроизводное имеет запах кокосового ореха, а 5-н-гексилпроизводное пахнет персиками

Близкий к ним по структуре γ-лактон распространяет очень сильный аромат мясного бульона

Этилбутират пахнет ананасами, а н-октилацетат имеет запах апельсина.

Чем же различаются запахи? Какие этапы включает процесс обоняния? Конечно, частично запах связан с природой молекулы душистого вещества, однако остальное определяется стимулированием нервной системы организма.

Как и в случае вкусового ощущения, легко измерить электрический сигнал. Для того чтобы объяснить влияние скорости потока запаха и скорости десорбции, следует принять, что взаимодействие молекулы, издающей запах, с обонятельным рецептором должно быть слабым. Было высказано предположение, что между издающим запах веществом и β-каротиноидами жгутиков обонятельных рецепторов образуется слабый комплекс.

Каротиноиды являются полупроводниками. Они могут взаимодействовать или образовывать комплекс с пахучими веществами (одорантами); взаимодействие с одорантом может вызывать увеличение электропроводности. Повышение электропроводности могло бы приводить к деполяризации клеточной мембраны обонятельного рецептора. Если бы дело происходило именно так, сигнал появлялся бы одновременно с адсорбцией одоранта. Другое, более традиционное объяснение состоит в том, что между одорантом и белками клеток, чувствительных к запаху, образуются слабые комплексы. В результате электропроводность клеточной мембраны обонятельного рецептора возрастает и возникает импульс аналогично тому, как это описано для каротиноидов.

Свидетельство в пользу того, что скорее образуется комплекс одоранта с белками, чем с каротиноидами, получено при использовании специфического реагента N-этилмалеимида

Этот реагент в первую очередь реагирует с сульфгидридными группами белков

В результате этой реакции сульфгидридные группы необратимо блокируются. Эпителий, в котором расположены обонятельные рецепторы лягушки, полностью утрачивает способность реагировать на воздействие одорантов после обработки N-этилмалеимидом. Было, однако, показано, что если подавать вещество, обладающее запахом (этилбутират), в концентрации, достаточной для насыщения обонятельных рецепторов до и во время обработки N-этилмалеимидом, спустя некоторое время после промывания, в течение которого происходит восстановление ткани, может быть восстановлен нормальный ответный сигнал на бутилэтират и подобные ему соединения. Ответные сигналы на одоранты всех других типов полностью блокировались. Эти результаты не только показывают, что между белками и одорантами образуется комплекс, но и что для разных запахов в обонятельных ресничках существуют различные обонятельные рецепторы.

Было высказано предположение, что запах вещества зависит от его характеристических низкочастотных полос в ИК-спектре. С целью установления эмпирических корреляций между колебательными спектрами и их запахом были изучены душистые вещества, применяемые в парфюмерии. Все эти соединения имеют полосы поглощения в далекой области ИК-спектра (между 100 и 500 см^-1). Оказалось, что такая корреляция включает не только присутствие определенных полос, но и отсутствие некоторых других. По-видимому, имеется связь между положением самой длинноволновой полосы в ИК-спектре и порогом чувствительности к данному запаху. Чем больше длина волны этой полосы, тем выше пороговая чувствительность обнаружения данного вещества. Бутилмеркаптан (запах скунса) имеет в ИК-спектре полосу ниже 200 см^-1, и человек может обнаружить его по запаху при концентрации менее 10^-12 моль/л. В спектре метанола отсутствуют полосы ниже 1000 см^-1; его можно обнаружить по запаху лишь при концентрациях выше 10^-3 моль/л.

Все эти результаты легли в основу довольно спекулятивной теории, согласно которой молекулярные колебания одоранта вызывают специфический резонанс в обонятельных рецепторах, приводящий к возникновению упомянутых выше электрических импульсов. Сторонники этой гипотезы показали, что четверо из шести подвергнутых испытанию смогли различить запахи обычного нафталина (частота в ИК-спектре 363 и 183 см^-1) и полностью дейтерированного нафталина (частота в ИК-спектре 331 и 169 см^-1). Кроме того, в большинстве случаев невозможно различить по запаху оптические антиподы. Можно считать, что эти результаты подтверждают колебательную теорию, поскольку формы, являющиеся зеркальным изображением друг друга, имеют одинаковые дипольные моменты и колебательные частоты.

Другое объяснение основано на стереохимическом подходе. Получают проекции молекул и исследуют ортогональные изображения. При этом для каждого соединения данного ряда выбирается конформация, которая предположительно наиболее подходит для взаимодействия с обонятельным рецептором. Выбирается стандарт, с которым сравнивают все сходные со стандартом соединения. Для жирных кислот при использовании в качестве стандарта изовалериановой кислоты были получены корреляции между молекулярной структурой и степенью специфического ингибирования восприятия запаха (анозмия - потеря обоняния). Для бензальдегида (являющегося стандартом) и замещенных бензальдегидов были получены корреляции между запахом миндаля и структурами молекул. Так, миндальный запах о-метилбензальдегида по силе такой же, как и бензальдегида, в то время как о-этил-, о-изопропил- и о-трет-бутилбензальдегиды обладают гораздо менее сильным запахом миндаля.

Изложенные выше теории, вероятно, являются весьма упрощенными представлениями. Так, в случае андростеролов незначительные изменения структуры существенно изменяют запах, почти не влияя на колебательный спектр в далекой ИК-области или на плоскостное изображение молекулы.

Еще большее недоумение вызывают результаты, полученные для так называемых орто-мускусов: введение одной метильной группы очень сильно изменяет запах.

Из жареного арахиса, бобов какао и кофе были выделены пиразины. 2-Метокси-3-метилпиразин пахнет жареным арахисом. Весьма близкое к нему соединение 2-метокси-3-изопропилпиразин имеет запах, напоминающий запах картофеля, а 2-метокси-3-н-гексилпиразин - запах перца. Эти соединения заметно различаются по запаху в смысле их специфической пороговой чувствительности.

Таким образом, выше мы рассмотрели примеры, когда очень незначительные изменения структуры могут менять характер и (или) интенсивность запаха соединений. В настоящее время не существует теории, способной объяснить влияние столь тонких факторов на процесс восприятия запаха. Если к тому же учесть сложности, связанные с физиологическими факторами процесса обоняния, не удивительно, что многие работающие в этой области ученые ощущают свою полную беспомощность. Прежде чем удастся сделать какие-либо обобщения в области восприятия запаха, исследователям придется еще немало поработать.