Приятный запах зависит от формы и вибрации молекулы аромата

Новое исследование обоняния поддержало спорную теорию обоняния: наш нос действительно различает форму и вибрационные особенности молекул приятного запаха.

Исследование, опубликованное в издании Physical Chemistry Chemical Physics, показало выполнимость теории, впервые предложенной несколько десятилетий назад, согласно которой вибрация химических связей молекул аромата — покачивание, растягивание и колебание межатомных связей — помогает нам отличать один запах от другого.

«Когда аромат соединяется с рецептором, молекулярная вибрация аромата позволяет электронам перемещаться от одной части рецептора к другой», сказал профессор Клаус Шультен из университета Иллинойса, который провел анализ совместно с постдокторантом Ильей Соловьевым и аспирантом По-Яо Ченом. „Эта передача электронов, кажется, точно настраивает сигнал, который получает рецептор“.

Многие из тех, кто исследует обоняние человека, утверждают, что рецепторы ароматов распознают только форму запаха и поверхностные характеристики. Такие исследователи отвергают идею, что к данному процессу имеет хоть какое-то отношение молекулярная вибрация. Аналогично, некоторые сторонники вибрационной теории полагают, что только вибрация молекул, а не их форма, руководит обонянием человека. Шультен с коллегами относятся к третьему лагерю, которые нашел подтверждение обеих теорий.

Вибрационная теория обоняния поддержана исследованиями. Она показала, что насекомые, животные и люди могут найти различие между двумя версиями одной молекулы аромата — одной нормальной и идентичной с атомами дейтерия вместо атомов водорода. У дейтеризированных и нормальных версий молекул аромата форма и поверхностные особенности идентичны, и все же люди и животные чувствуют различия в запахе.

„Вопрос для ученых — как это происходит?“, отметил Шультен.

Ответить на данный вопрос Шультен попросил своего бывшего коллегу из университета Иллинойса (теперь из Калифорнийского технологического института) химика Рудольфа Маркуса, который в 1992 году получил Нобелевскую премию по химии за объяснение сути электронной передачи, одной из большинства канонических форм химической реакции.

„Маркус выяснил, что когда электроны взаимно перемещаются между молекулами, процесс сопровождается вибрацией участвующих молекул“, сказал Шультен. Маркус сосредоточился, прежде всего, на низкочастотных колебаниях, которые наблюдаются в результате вибрации больших молекул.

Молекулы аромата обычно малы, но производят при этом значительные высокочастотные и высокоэнергетические колебания. Некоторые ученые полагали, что эти высокочастотные колебания способны увеличить вероятность того, что, когда аромат связан с правильным рецептором, электрон перейдет из одной части рецептора в другую, посылая электрический сигнал, который способствует обнаружению аромата.

До нового исследования никто не анализировал энергетику систему, чтобы понять, могут ли колебания молекул ароматов — в контексте всех второстепенных колебаний, которые являются частью системы — фактически способствовать передаче электронов в пределах рецептора. Шультен с коллегами первыми провели такой анализ.

„Вы можете провести квантовый химический подсчет, который весьма точно определит вибрацию молекулы и способность ее объединяться с электронной передачей“, сказал Шультен. Подсчеты показали, что подобное взаимодействие энергетически выполнимо.

Рецепторы аромата вложены в мембраны, а потому им труднее учиться, чем другим белкам. Однако предыдущие исследования показали, что некоторые рецепторы являются металлопротеинами, и металлы в белках предрасположены к передаче электронов, сказал Шультен. „Мы также видим, что есть и другие аминокислотные группы, которые способны принимать электрон, и потому электрон может пройти через белок“.

Как и другие до них, Шультен с коллегами предполагают, что рецептор аромата содержит одновременно и донора, и акцептора электронов, но электронная передача происходит лишь тогда, когда специфический аромат связан с рецептором. Новые подсчеты предлагают первое количественное подтверждение того, что аромат способствует передаче электронов.

Те, кто предполагал, что роль в распознавании запахов играет вибрация, „Не знали о теории Маркуса, и не проводили квантовых химических вычислений“, заключил Шультен.

20.09.2012