Обоняние. Увлекательное погружение в науку о запахах - Паоло Пелоси

Начнем со спиртов. Только когда длина цепочки достигает шести атомов, у молекулы появляется характерная зеленая нота. Спирты с длиной цепочки, не превышающей пяти, пахнут слабо и, так сказать, безлико. Но вот на маршруте внезапно возникает цис-3-гексенол со своим запахом свежескошенной травы (мы с ним уже встречались, см. рис. 4): пусть это будет сад и в нем – зеленая лужайка. Нота очень яркая, узнаваемая и отличная от других зеленых запахов. Учуять ее можно, только когда трава уже скошена, так как вещество синтезируется прямо на месте при распаде клеток и перемешивании их содержимого. Из-за этого ферменты, до того благополучно прятавшиеся в изолированных резервуарах, смогли вступить в контакт с химическими прекурсорами (предшественниками) и породить на свет летучий цис-3-гексенол.

Но зачем нужен такой сложный процесс? Неужели только для того, чтобы мы могли насладиться восхитительным запахом? Точного ответа у науки до сих пор нет, но подобные явления встречаются достаточно часто. Когда растение ранят (механически, по естественным причинам, или, допустим, его ест пасущийся скот, или кусают насекомые), оно начинает производить вещества, призванные компенсировать ущерб: смолу, чтобы покрыть рану, или горький яд, чтобы сделаться несъедобным для агрессора, – и среди этих соединений есть и летучие. Сейчас ученые рассматривают эти химикаты как потенциальные сигналы опасности для других растений. До совсем недавней поры такую идею отнесли бы к разряду научной фантастики, но сейчас у нас появляется все больше доказательств в поддержку теории химической коммуникации. Возможно, растения действительно общаются друг с другом при помощи летучих молекул.

Можно даже сказать, что у растений есть чувство обоняния… хотя само слово «чувство» звучит несколько странно в применении к организмам, не имеющим нервной системы. Биохимические механизмы, позволяющие засечь и распознать такие химические послания, еще не изучены, но сама гипотеза – что растения сообщаются между собой при помощи химических веществ – не так уж странна. Другие организмы – от бактерий и грибов до высокоорганизованных млекопитающих – этот способ уже вполне освоили.

Давайте двинемся дальше по улице, где наращивают атомы углерода в цепочке, но сохраняют алкогольную группу в конце: запах все еще зеленый по характеру, но вот появляется робкая цитрусовая нота – где-то между девятью и десятью углеродами. Сделайте цепочку еще длиннее – и в ундеканоле и додеканоле станет очевиден цветочный оттенок. Еще несколько углеродов – запах становится слабее и бесцветнее. Вернемся назад и уйдем на параллельную улочку, где нас поджидает семейство альдегидов. Здесь нам встретятся запахи, более или менее похожие на соответствующие спирты: зеленый – у гексаналя и гептаналя, цитрусовый – у октаналя и едкий, прогорклый – у тех, кто насчитывает в цепочке девять и десять атомов углерода: с этими веществами мы уже познакомились, когда изучали продукты распада жиров (см. рис. 3). Свернем еще на одну параллельную улицу: там по той же нумерации домов располагаются карбоксильные кислоты. В самом начале – с характерным неприятным потливо-сырным запахом (масляная и валериановая кислоты); дальше, по мере удлинения цепочки, к ним примешиваются зеленые и прогорклые тона.

Но давайте вернемся к октаналю и воспользуемся возможностью свернуть в проулок: структуру молекулы мы сохраним неизменной, но переместим алкогольную группу на третью позицию в цепи. Эта химическая группа чрезвычайно важна для хорошего взаимодействия одоранта с белком принимающего рецептора, так как только она способна выстроить относительно сильную водородную связь. Такая модификация радикально меняет запах, делая его грибным. Добавим двойную связь на первой позиции, и пожалуйста – перед нами снова то особое соединение, октенол (также называемый 1-октен-3-ол), отвечающее за узнаваемый аромат лесных грибов (рис. 4). Еще можно попробовать поменять функциональную группу с алкогольной на кетоновую. Для этого всего-то и нужно, что реакция окисления, которая происходит сама собой, если дать грибам высохнуть на воздухе. Запах при этом не особо изменится: сушеные грибы все еще пахнут грибами.

Сравним две молекулы, с которыми мы познакомились в этой первой части обзорного тура по городу: травяной спирт цис-3-гексенол и грибной спирт октенол. Оба принадлежат к одному и тому же химическому классу – классу спиртов, – но пахнут при этом совершенно по-разному. Важнейшая структурная разница заключена в положении спиртовой группы, – ОН. Если попробовать представить себе, как эти молекулы станут взаимодействовать с комплементарными связывающими полостями своих рецепторов, можно логически предположить (опираясь на фундаментальные тезисы органической химии), что за сцепление с рецептором отвечает именно алкогольная группа, так как это единственный сегмент молекулы, способный образовывать достаточно прочную связь. Получается, что две молекулы будут взаимодействовать со своими рецепторами, так сказать, в разной ориентации. Ориентировочный профиль травяного одоранта, у которого функциональная группа расположена на конце молекулы, более линеен и может входить во что-то вроде туннеля, а вот грибному нужно свободное пространство по обе стороны от функциональной группы, чтобы оптимизировать взаимодействие внутри связывающего кармана.

Можно еще сравнить грибной октенол с земляным геосмином (рис. 3). В плане структуры эти две молекулы выглядят совершенно по-разному. А вот с точки зрения ориентационного профиля между ними есть кое-что общее: в обоих случаях крючок – алкогольная группа, сильнее всего цепляющаяся за рецептор, – находится более-менее в середине молекулы. Далее: у обоих одорантов по обе стороны от – ОН-группы находятся гидрофобные сегменты. Сходство становится еще очевиднее, если рассмотреть трехмерные пространственные модели молекул – так будет проще представить себе их реальную форму. Не правда ли, мысль о похожих запахах напрашивается сама собой? И верно, не так уж они далеки друг от друга: у обоих в характере запаха есть нечто слегка плесневелое.

Если увеличить размер молекулы и обратиться к пахучим веществам в десять атомов углерода, мы сразу окажемся в куда более густонаселенной части города. Тут непременно будет сад или парк с целой толпой интересных химических соединений натурального происхождения с весьма приятными запахами. У всех этих молекул будет общий скелет из восьми атомов углерода подряд в цепочке, от которой отходят в стороны еще два, на позициях 3 и 7. На первом углероде обычно располагается функциональная группа.

Эти вещества известны под общим названием терпенов или терпеноидов – в зависимости от того, кто они такие: просто углеводороды или с функциональной группой. Вот вам два примера: гераниол и линалоол – два цветочных одоранта; цитронеллол и цитраль – два цитрусовых. Их структуры и молекулярные модели показаны на рисунке 5 – вместе с другими терпеноидами, которые мы как раз хотели вам представить.

Рисунок 5. Примеры терпеноидов, отвечающих за свежие приятные ароматы многих растений. Во всех этих летучих соединениях обычно присутствуют цветочные, мятные и фруктовые ноты, однако у каждого – свой отличительный характер.