рук. Д.И. Менделеев, ИНХС РАН
Андреева_Софья (презентация)
Квантовая теория обоняния, предложенная Лукой Турином в 1996 году, утверждает, что механизм восприятия запахов основан на колебаниях молекул и их квантово-механических свойствах, а не только на форме молекул, как предполагают классические теории. Цель данной исследовательской работы — провести анализ научной литературы, чтобы оценить степень применимости этой теории. Актуальность темы обусловлена необходимостью понимания механизмов обоняния, что имеет значение для нейробиологии, химии и парфюмерной промышленности.
В работе были использованы такие методы исследования как анализ научных статей и публикаций, посвящённых квантовой теории обоняния, сравнение классических (молекулярно-рецепторных) и квантовых моделей обоняния, оценка экспериментальных данных, подтверждающих или опровергающих теорию.
Традиционная теория предполагает, что запах молекулы отдушки обуславливается рядом слабых не ковалентных взаимодействий между отдушкой и связанными с G-белком рецепторами по принципу “ключ-замок”. Таким образом аромат зависит только от строения и конформации молекулы. Однако данная теория обладает слабой прогностической силой и не объясняет почему вещества с разным строением могут иметь одинаковые запахи (мускусы) или вещества со сходной структурой пахнуть по-разному, как многие кетоны.
Квантовая теория обоняния подразумевает, что ощущение запаха трансформируется из поглощённых рецепторной мембраной электромагнитных волн, возникающих в результате колебаний атомов в молекуле. При попадании молекулы на сайт рецептора из-за разницы энергетических уровней на рецепторе и энергией колебания молекулы электрон в силу своей волновой природы проходит через энергетический барьер, появляется туннельный ток и сигнал передаётся в нервную систему. Так как одни и те же колебательные частоты могут соответствовать самым разнообразным химическим структурам, это хорошо объясняет наличие одинаковых запахов у различных по составу веществ.
В пользу данной теории играет изотопный эффект. В 2011 году Л. Турин и его коллеги провели эксперимент, в ходе которого посредством слабых электрических импульсов обучили мушек дрозофил различать по запаху ацетофенон и его дейтерированную версию. В данном случае замена атомов протия на дейтерий ни коим образом не влияет на структуру молекулы, но изменяются частоты колебания. Интересной особенностью было то, что генномодифицированные дрозофилы лишённые обоняния не могли различить вещества. Испытания на животных выявили способность распознавания дейтерия и у других насекомых и рыб. Существовало предположение, что люди тоже различают дейтерированный и обычный бензальдегид, но оно было опровергнуто.
Биофизическое моделирование, опубликованное в Physical Review Letters в 2006 году также подтвердило возможность существования квантовых эффектов, на которых основана теория.
В отличии от стереохимической квантовая теория обоняния объясняет наличие сернистого запаха у боранов (схожестью частот колебаний B-H и S-H) и разницу запахов никелоцена и ферроцена.
Одной из главных проблем теории является отсутствие прямых доказательств. Большинство проведённых экспериментов могут иметь альтернативные объяснения. Например, было отмечено, что разница запахов металлоценов может быть равновероятно обусловлена относительной неустойчивостью никелоцена, так как запах веществу может придавать циклоалкан, выделяющийся при разложении. Также в исследовании обонятельных рецепторов Эриком Блоком в 2015 году было установлено, что человеческие рецепторы, распознающие мускус, одинаково реагируют на нормальные и дейтерированные версии соединений, а изотопные эффекты у дрозофил могут быть объяснены изменениями динамики связывания молекул с рецепторами.
Частичным опровержением квантовой теории обоняния выступает наличие у стереоизомеров органических веществ различных запахов при условии идентичных колебаний. Однако не лишено смысла допустить сосуществование обеих теорий и принять, что обнаружению колебаний препятствует форма молекулы, как объяснил этот эффект Турин. Как пример «обхода» эффекта сокрытия функциональных групп в эксперименте один из энантиомеров карвона с характерным мятным запахом в определённой пропорции с бутанолом дал запах тмина, который и имеет второй его энантиомер.
Таким образом, анализ литературы показал, что квантовая теория обоняния имеет как сторонников, так и противников. Теория остаётся гипотезой, но некоторые её аспекты (например, роль колебательных свойств) признаются важными. Для окончательного подтверждения или опровержения требуются эксперименты, напрямую связывающие колебательные спектры с активацией рецепторов, а также квантово-химическое моделирование и исследования с использованием спектроскопии.
Список литературы:
- Turin, L. (1996). A spectroscopic mechanism for primary olfactory reception. // «Chemical Senses, 21», 773-791 —
https://academic.oup.com/chemse/article/21/6/773/363102
- Vosshall, L. B. (2015). Laying a controversial smell theory to rest. // «Proceedings of the National Academy of Sciences, 112», 6525-6526 —
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.1507103112
- Modern research in the field of olfaction. // «Journal of Chemical Senses, 2023.» —
https://academic.oup.com/chemse
- Brookes J. C., Hartoutsiou F., Horsfield A. P. Could humans recognize odor by phonon assisted tunneling? // «Physical Review Letters, 2007.» —