Несколько дней назад под одним из постов нашей группы состоялась чрезвычайно интересная дискуссия, в ходе которой возник вопрос о природе одного из основных чувств человека – обоняния. Ежедневно большинство из нас ощущает («слышит») огромное количество запахов, но мало кто задумывается, как химическая молекула запаха (одорант) преобразуется в электрический сигнал, вызывающий яркие эмоции в головном мозге. И в самом деле, этот вопрос не так прост, как может показаться на первый взгляд. В настоящее время большинство физиологов склонны считать обоняние самым загадочным из чувств.
Начнём, как всегда, с анатомии. Обонятельные рецепторы расположены в верхней части каждого носового хода – эту зону принято обозначать как обонятельную мембрану. С внутренней стороны (той, которая ближе к носовой перегородке) она представлена направленными вниз складками, которые идут вдоль носовой перегородки, с наружной — латеральной — стороны она покрывает верхнюю носовую раковину и небольшую часть верхней поверхности средней носовой раковины (Рис. 1).
В состав обонятельной мембраны входят обонятельные клетки, которые собственно и воспринимают запах. Они представляют собой истинные биполярные нейроны, происходящие непосредственно из центральной нервной системы. У человека — существа, гордо занимающего второе место среди животных по силе обоняния (правда, с конца), — насчитывается около 100 млн обонятельных клеток. Со стороны слизистой оболочки эти клетки образуют расширение, из которого в просвет полости носа выступают от 4 до 25 обонятельных ресничек толщиной в 0,3 мкм и длинной до 200 мкм. Все обонятельные реснички погружены в слизь – «сопли» — и именно там реагируют на запахи и вызывают возбуждение обонятельных клеток (Рис. 2).
Рассмотрим обонятельную ресничку ещё пристальнее. В её мембране мы обнаружим молекулу, которая, формируя петли, 7 раз пронизывает мембрану на всей толщине, – это и есть непосредственно обонятельный рецептор. Именно с этими петлями взаимодействует молекула одоранта, вызывая возбуждение клетки. С внутренней стороны клетки молекула рецептора своими петлями связана со специальным белком G. G-белок состоит из трёх субъединиц – α, β и γ (Рис. 3).
В данном случае функции двух последних субъединиц нас особо не интересуют, а вот субъединицу α мы рассмотрим подробнее. После взаимодействия с одорантом субъединица α G-белка активирует аденилатциклазу – специальный фермент, который участвует в работе натриевого канала. После этого натриевый канал открывается, натрий попадает в клетку, степень поляризации клеточной мембраны меняется, и за счёт разности потенциалов на поверхности клетки появляется эклектрический ток (это называется потенциал действия, и про него непременно будет отдельный пост). Система «рецептор – G-белок – аденилатциклаза – натриевый канал» работает как усилитель. G-белок может активировать сразу много молекул аденилатциклазы, а она в свою очередь может подействовать сразу на несколько натриевых каналов. Таким образом, даже небольшое количество молекул одоранта может вызвать значительные ощущения.
Однако, для того чтобы вызвать возбуждение клетки, вещество-одорант должно обладать несколькими свойствами: оно должно быть летучим, должно быть растворимо в воде и должно быть хоть немного растворимо в жирах. И вот тут начинаются непонятки.
Дело в том, что человек способен ощутить колоссальное количество запахов. Долгое время физиологи считали, что всё это многообразие ощущений обеспечивается всего несколькими типами рецепторных молекул, подобно тому, как происходит на сетчатке глаза или слизистой языка. Даже создавались классификации таких «первичных» запахов. В последние годы многочисленные исследования позволяют предположить существование не менее 100 первичных обонятельных ощущений. Получается, что должно существовать не менее 100 различных рецепторов, но это всё равно капля в море по сравнению с тем разнообразием запахов, которые способен ощутить человек. Кроме того, при микроскопическом и гистохимическом исследовании значимых отличий в строении рецепторных молекул обнаружено не было. Также учёным хорошо известен факт, что молекулы, обладающие разным строением (ответвленно они должны связываться с разными рецепторами), могут обладать одинаковым запахом. Тем не менее, гипотеза «химической» природы запахов остаётся наиболее авторитетной среди физиологов. Но есть и иные точки зрения на этот вопрос.
Другой группой теорий является т.н. «физическая» природа запахов. Все физические теории обоняния можно условно разделить на волновые и контактные.
В основе волновых теорий лежит представление о том, что причиной запахов является не форма молекул, а их способность излучать электромагнитные волны. Но волновые теории противоречат одному из основных требований к одоранту – пахучее вещество должно быть летучим. Кроме того, согласно этой гипотезе запах вещества должен распространятся в безвоздушной среде (как тут не вспомнить серию «Футурамы», где профессор Фарнсворд изобрёл нюхоскоп). В настоящее время от волновых теорий большинство исследователей отказались.
С контактными всё не менее интересно. Так, например, стереохимическая теория предполагает, что запах обусловлен формой и размером молекул. Хорошо известен тот факт, что стереоизомеры одного и того же вещества могут пахнуть совершенно по-разному. В частности, так считал великий биохимик и дважды лауреат Нобелевской премии Лайнус Полинг. Некоторые исследователи предполагают, что ощущение запаха связано с количеством дипольных групп в молекуле одоранта, а интенсивность ощущения – с дипольным моментом. Но наиболее остроумной является вибрационная теория запахов. Впервые её предложил Малькольм Дайсон ещё в 1938 году. В основе этой теории лежит факт молекулярного колебания. Суть самой теории вот в чём – при попадании на рецепторную клетку молекулы одоранта электрон рецептора этой клетки проникает в молекулу (туннелирует) и выделяет энергию, которая заставляет вибрировать часть атомов. А поскольку каждый атом обладает своей, уникальной, энергией вибрации, то и рецепторы будут возбуждаться с разной силой и соответственно, будут формироваться разные ощущения. Иными словами энергия вибрации атома – это и есть её запах, а сила запаха определяется количеством молекул. Для реализации такого механизма не требуется большого числа разнообразных рецепторов. Достаточно нескольких типов с чувствительностью в разном диапазоне (почти как с рецепторами света на сетчатке, где, как известно, всего три типа разных клеток).
В 1954 году в свете успехов молекулярной биологии и биохимии эта теория была забыта. К жизни её возродил греческий исследователь Лука Турин в 1996 году. Он допустил, что рецепторные белки работают как "биологический спектроскоп", а в основе предполагаемого механизма лежит процесс “упругого туннелирования” электронов.
Термин “туннелирование электрона” означает, что электрон переносится между двумя молекулами переносчиков, разделенных энергетическим барьером (например, молекулой вещества), в условиях, когда энергия электрона недостаточна для преодоления этого барьера. В классической физике в этих условиях перенос электрона был бы невозможен, поскольку при обычной температуре он не может получить необходимую для преодоления барьера энергию. Квантово-механический эффект состоит в том, что в силу своей волновой природы электрон как бы “просачивается” под барьером. Отсюда и название — туннелирование. Электрон туннелирует от одного переносчика к другому с вероятностью, которая зависит от ширины и высоты барьера (Рис. 6).
С целью подтверждения своей теории Турин провёл ряд экспериментов. Так, например, он предлагал добровольцам понюхать вещество, в котором все атомы водорода были заменены на его изотоп дейтерий. По его предположению, не смотря на то, что вещества имеют одинаковую конфигурацию, пахнуть они будут по-разному. Первыми «добровольцами» стали мухи, которым потребовалось различить дейтериированный бензальдегид от «обычного». В ходе этого эксперимента насекомые уверенно отличали молекулы близнецы. Но после публикации обнадёживающих результатов чистота эксперимента была подвергнута критике. В нём не было ослепления, и тот факт, что экспериментаторы знали где какое вещество, мог повлиять на результат.
Но Турин не отступился. Следующим веществом, подвергнувшимся дейтерированию, стал ацетофенон. В ходе эксперимента комнатные мухи также уверенно подтверждали теорию. Пришло время «хоббитов зарамсить проблему» — в смысле перейти к опытам с людьми. Однако люди не смогли отличить ацетофенон от его дейтерированного двойника. Тем не менее ответ быстро нашёлся. По мнению группы Турина, молекула ацетофенона слишком мала для грубого человеческого носа. Но к моменту проведения этого эксперимента к вибрационной теории накопилось много других вопросов.
Так, она (впрочем, как и химическая теория) не способна объяснить, почему стереоизомеры одних и тех же веществ пахнут по-разному.
Другим веществом, нанесшим серьёзный удар вибрационной теории, стал боран (вещество такое, не животное). Это соединение обладает выраженным сернистым запахом, хотя в своём составе не содержит ни одной молекулы серы. Согласно вибрационной теории энергия вибрации атома серы уникальна – своего рода её запаховый паспорт, — и никакой другой атом так «пахнуть» не может.
Да и с дейтерированными соединениями всё оказалось не так просто. Замена атома водорода на атом дейтерия довольно значительно меняет физические (да и химические) свойства молекулы, соответственно, такие соединения обладают и совсем (или не совсем) иными физиологическими эффектами.
Несмотря на то что вибрационная теория запахов считается маргинальной, Лука Турин не теряет оптимизма и продолжает свои исследования.
Однако можно сказать, что в настоящее время убедительной концепции происхождения ощущения запаха нет. Ряд исследователей сосредоточили свои поиски в области слабых молекулярных взаимодействий и пытаются объяснить появления запахов с помощью сил Ван дер Вальса и не ковалентных взаимодействий между молекулами одоранта и рецепторными молекулами. Как известно, именно слабые взаимодействия играют в биологии особую роль. И, возможно, в ближайшее время мы доподлинно узнаем, как же на самом деле функционирует самое древнее из чувств.
Автор: Артемий Липилин
Список использованной литературы:
1. Бабский Е.Б., Зубков А.А., Косицкй Г.И., Ходоров Б.И. Физиология человека / под ред. акад. АН УССР Е.Б. Бабского – М.: Медицина, 1966;
2. Медицинская физиология по Гайтону и Холлу./ Дж. Э. Холл/ пер. с англ.; под ред. В.И. Кобрина, М.М. Галагузы, А.Е. Умрюхина 2-е изд., испр.и доп. – М.: Лгосфера, 2018;
3. Физиология человека с основами патофизиологии. В двух томах. Т I. Под ред. Р.Ф. Шмидта, Ф. Ланга, М. Хекмана. /пер. с нем. Под ред. дбн М.А. Каменской, дбн М.В. Ковальзона, дбн И.В. Филлиповича, кбн В.Н. Егоровой, кбн Т.В. Липиной, Т.С. Филатовой, Е.К. Селивановой/ М.: Лаборатория знаний, 2021.
