Секрет аромата. От молекулы до духов. Как запах становится произведением искусства - Лука Турин

Каранал не подчиняется правилу трех осей.

Запах, как и цвет – биологический феномен. Это не собственное свойство молекулы – это то, что чувствуют наши клетки, когда молекулы к ним прикасаются. Иными словами, это проблема молекулярного распознавания. Молекулярное распознавание повсеместно в биологии. Наберите «молекулярное распознавание» в поисковой строке любого браузера – и вам вывалится более пятисот тысяч результатов.

Сначала рассмотрим, как жизнь создает свои молекулы. Кумарин получают из бобов тонка с дерева, которое на языке народа тупи из Французской Гайаны называют cumarù.

При ферментации бобы высыхают и высвобождают кумарин, которого так много, и он такой чистый, что на поверхности бобов спонтанно образуются белые кристаллы. В очень слабом растворе он сладкий на вкус. В более концентрированном – горький. Одного боба достаточно, чтобы сделать добрый (хотя и несколько канцерогенный) килограмм мороженого. Всю свою жизнь бобы дерева диптерикс душистый в природных условиях без малейших возражений вырабатывают кумарин – для этого им не требуются ни сильные кислоты, ни причудливые растворители, ни бикарбонат натрия. Они делают это с помощью инструментов, о которых современные химики-органики могут только мечтать[47].

Почти каждая химическая реакция в живом организме облегчается благодаря специальному катализатору, или энзиму, который сам по себе является молекулой. Как это работает? Например, в случае с кумарином, пятым шагом его натурального образования в бобе является изгибание свободного конца молекулы таким образом, чтобы ей было легче найти кусок, к которому нужно присоединиться. Это происходит благодаря энзиму под названием изомераза, который прикрепляется к молекуле таким образом, что заставляет связь «повернуться» в нужном направлении, как мы поворачиваем, например, крышку банки с бисквитами.

Для связывания молекул энзимы должны иметь достаточно большие карманы, чтобы молекулы в них помещались. Соответственно, энзимы стремятся быть намного крупнее, чем объекты, которые они связывают. Одна такая изомераза изображена ниже, вместе с гораздо более мелкой молекулой кумарина, которую она связывает.

Этот энзим по биологическим стандартам считается мелким, но все равно это очень большая молекула для химиков: сорок четыре атома углерода, шестьдесят девять – водорода, двенадцать – кислорода, один – азота. Белки, или протеины – большие: простой (фиктивный) белок, представляющий только по одному из каждых двенадцати доступных компоновочных блоков, в нотации SMILES выглядит следующим образом:

Энзимы типа изомеразы – класс белков. Если бы его можно было разделить, то этот энзим, как все белки, выглядел бы как спутанная нитка бус, созданных из маленьких, размером с молекулу кумарина, строительных блоков, связанных между собой. Различные белки просто создаются из различных строительных блоков, и цепочка может оказаться длиннее или короче. Жизнь состоит преимущественно из двух типов молекул, маленьких, как кумарин, и больших, как белки. Некоторые белки являются инструментом для создания или разделения мелких молекул, но есть и другие типы – сенсоры, которые просто сообщают вам о наличии мелких молекул. Например, когда вы принимаете валиум (мелкая молекула), валиум связывается с рецептором (большая молекула, или белок), который действует как тумблер, включающий или выключающий белок. Поразительное здесь то, что когда белки (большие парни) связывают молекулы (маленькие парни), они делают это с абсолютной точностью? Тот, который ориентирован на кумарин, не связывает валиум, и наоборот. Впрочем, как можно предполагать, мир состоит далеко не только из кумарина и валиума. На самом деле известны десятки тысяч мелких молекул и десятки тысяч белков (энзимов или сенсоров), которые создают, ломают или просто дают ощущать мелких парнишек. Как рецепторы понимают, какие молекулы связывать?

Ответ – в системе замкóв и ключей. Белки – это замки, а мелкие молекулы – ключи. Абсолютный механизм взаимодействия ключа и замка нам хорошо известен – это антитела. Сделать инъекцию (вакцинацию) ключа (мелких молекул), чужеродного организму, и организм в обязательном порядке начнет производить замки (антитела). Они прикрепляются к чужеродным молекулам и не дают им нанести вред организму. Как они прикрепляются? Нет, не с помощью сильной двухэлектронной связи, как между атомами в молекуле. Нет, происходит взаимное прилипание антител и молекул, своего рода флирт, отличающийся от реального брака настоящих связей. Причина этого взаимодействия в том, что молекулы имеют небольшие липкие участки. Например, азот в мелкой молекуле может прикрепиться к ОН-группе большой молекулы; два бензольных кольца могут слипнуться как стопка тарелок, а положительный заряд мелкой молекулы может прикрепиться к отрицательному на большой. В каждом случае действуют исключительно электростатические силы, но они слегка различаются между собой по силе и дальности действия. Каждая из этих сил весьма разборчива в плане расстояния и направления. Объекты должны быть сориентированы как полагается, иначе связи не получится. Это взаимодействие можно сравнить с взаимодействием магнитов: на небольшом расстоянии, и только если магниты ориентированы должным образом.

Таким образом, проблема молекулярного распознавания сводится к наличию правильного расположения магнитов в нужном месте и правильной ориентации ключа и замка. Чем больше вступающих во взаимодействие магнитов, тем больше сила взаимодействия между большой и мелкой молекулами. Чем больше сила, тем плотнее связь. Что означает тесная связь? Многое. Во-первых, это означает, что ключ не выпадет из замка. Надо не забывать, что нагрев постоянно пытается развалить объекты на куски. Все время каждый конкретный атом каждой конкретной молекулы движется по собственной орбите и сталкивается с соседями. При комнатной температуре или нормальной температуре тела сотрясения не настолько сильные, чтобы разорвать нормальные связи внутри молекулы, но их силы достаточно, чтобы ослабить силу магнитов, которые держат вместе две молекулы. В результате сотрясений они распадаются, потом, когда тепловое движение развернет их липкими частями друг к другу в диапазоне контакта, они попытаются соединиться снова. Какое-то время они просуществуют вместе, потом распадутся снова. Само собой разумеется, что если ключ держится в замке с помощью нескольких магнитов, то он будет выпадать не так часто, и не в последнюю очередь потому, что ключ выпадет от сотрясения только в том случае, если они перестанут действовать все сразу одновременно. Это означает, что ключ будет больше времени находиться в замке и тратить меньше времени, болтаясь вокруг, чтобы снова найти свою замочную скважину.