Паоло Пелоси - Обоняние [Увлекательное погружение в науку о запахах]

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.