Квантово-химическая гипотеза происхождения запаха

Ученые из Лондонского Центра Нанотехнологий недавно проанализировали весьма интригующую квантово-химическую гипотезу происхождения запаха, сформулированную еще десятилетие назад и обнаружили, что в этой идее гораздо больше здравого смысла, чем казалось ранее.

Все, что современная наука имеет по поводу возникновения запахов похоже на обрывки головоломки, которые не хотят укладываться в единую картинку. Известно, что «пахнущие» молекулы, находящиеся в воздухе активируют определенные типы рецепторов в нашем носу, рецепторы же, в свою очередь, передают сигналы на кору головного мозга, анализирующую тип запаха. Вместе с тем известно, что хотя форма и размеры молекул отвечают за распознавание их нервными рецепторами, запахи некоторых веществ, молекулы которых имеют практически одинаковую форму, не имеют ничего общего между собой.

Такая загадка обуславливается лишь одним – отсутствием представлений о том, что происходит до того и во время того, как молекула запаха взаимодействует с рецепторами в носу. Возможно, что лучшее понимание процессов, протекающих на атомно-молекулярном уровне, сможет объяснить различную реакцию рецепторов на молекулы одинаковой (или различной) формы.

Физики из Лондона Дженнифер Брукс (Jennifer Brookes), Филио Хартусиу (Filio Hartoutsiou), Эндрю Хорсфилд (Andrew Horsfield) и Маршалл Стоунхэм (Marshall Stoneham) рассмотрели физическую возможность реализации механизма передачи запаха, предложенного в 1996 году Лукой Турином (Luca Turin). Суть предложенной гипотезы заключается в том, что электроны обонятельных рецепторов могут туннелировать под действием частоты собственных колебаний молекулы – источника запаха. Исследования английских ученых показали, что общая канва предложенной десятилетие назад модели не противоречит ни физическим законам, ни тому, что мы знаем о природе запаха.

Квантово-механическое туннелирование, процесс, зачастую применяемый в технологии, происходит при преодолении частицей энергетического барьера большего, чем частица в состоянии преодолеть в соответствии с принципами классической физики. Туннельные переходы возможны для частиц с ярко проявляющимся корпускулярно-волновым дуализмом, каковыми, например, являются электроны. Если фононы (кванты упругих колебаний) «пахнущих» молекул промотируют туннельный переход электронов обонятельных рецепторов с уровня на уровень, нервные окончания посылают сигналы на кору головного мозга. Различная частота колебаний одорантов улавливается различными рецепторами, благодаря этому различные молекулы – переносчики запаха пахнут по разному.

Основная химическая модель, применявшаяся для объяснения природы запахов, соответствовала принципу «ключ-замок» и говорила о том, что молекулы различной формы подходят под рецепторы строго определенной формы. Новая гипотеза, предложенная лондонскими физиками, описывается ими как модель «кредитной карты». Как и магнитная карта, молекула одоранта распознается рецепторами, которые считывают ее колебательный спектр, попутно определяя ее форму.

Как показывают расчеты группы из Лондона, представления о немеханическом активировании оказываются возможными с точки зрения физики: рассчитанная скорость переноса заряда согласуется с наблюдаемой временной шкалой. Неупругий сигнал электрона может быть расшифрован, именно он представляет собой пропущенное звено между колебательным спектром молекуле и ее запахом. Несмотря не то ученым еще предстоит дальнейшее исследование детальных свойств обонятельных рецепторов, модель обоняния «кредитной карты» может представлять собой новую парадигму изучения селективности человеческого обоняния.

Источник: Phys. Rev. Lett., 2007, 98, 038101