Dokowa teoria węchu

Zgodnie z dokującą teorią węchu, aldehyd cynamonowy, główny środek zapachowy cynamonu, miałby słabe, niekowalencyjne interakcje z kilkoma różnymi receptorami węchowymi (symbolizowanymi przez kształty w kolorze niebieskim).

Teoria dokowania węchu sugeruje, że zapach cząsteczki substancji zapachowej wynika z szeregu słabych niekowalencyjnych oddziaływań między substancją zapachową [ligandem] a jednym lub więcej receptorami zapachowymi sprzężonymi z białkiem G (znajdującymi się w nabłonku nosa ). Należą do nich siły międzycząsteczkowe , takie jak oddziaływania dipol-dipol i Van der Waalsa , a także wiązania wodorowe . Bardziej szczegółowe proponowane interakcje obejmują metal-jon, jon-jon , kation-pi i pi-stacking . Na interakcje może wpływać efekt hydrofobowy . Zmiany konformacyjne mogą również mieć znaczący wpływ na interakcje z receptorami, ponieważ wykazano, że ligandy oddziałują z ligandami, nie będąc w ich konformacji o najniższej energii.

Chociaż ta teoria rozpoznawania substancji zapachowych została wcześniej opisana jako teoria kształtu węchu , która uwzględnia przede wszystkim kształt i rozmiar cząsteczek, ten wcześniejszy model jest nadmiernie uproszczony, ponieważ dwa substancje zapachowe mogą mieć podobne kształty i rozmiary, ale podlegają różnym siłom międzycząsteczkowym i dlatego aktywują różne kombinacje receptorów węchowych , co pozwala mózgowi odróżnić je jako różne zapachy. Inne nazwy modelu, takie jak „zamek i klucz” oraz „ręka w rękawiczce”, również są mylące: istnieje tylko 396 unikalnych receptorów węchowych i zbyt wiele rozróżnialnych zapachów, aby można było powiązać jeden do jednego między substancją zapachową a receptorem .

Ponieważ receptory węchowe nie zostały jeszcze pomyślnie skrystalizowane, teoria dokowania węchu opiera się na znanych właściwościach innych receptorów sprzężonych z białkiem G , które zostały skrystalizowane, a także na przewidywaniach strukturalnych, biorąc pod uwagę znaną strukturę pierwotną, w celu wytworzenia prawdopodobnego modelu receptora węchowego . Chociaż receptory węchowe są podobne do innych receptorów sprzężonych z białkiem G, istnieją znaczne różnice w strukturze pierwszorzędowej, które sprawiają, że dokładne porównania są niewykonalne. Z tego powodu przewidywane struktury receptorów węchowych zostały wsparte przez opracowanie nowego oprogramowania do przewidywania struktury. Na podstawie tych danych opracowano prostsze modele wiązania receptora węchowego w bardziej zniuansowane pomysły, które uwzględniają zniekształcenie elastycznych cząsteczek w celu utworzenia optymalnych interakcji z partnerami wiążącymi. Te modyfikacje pomagają modelowi lepiej dostosować się do tego, co wiadomo o molekularnym dokowaniu niewęchowych receptorów sprzężonych z białkiem G.

Historia

W 1949 roku RW Moncrieff opublikował artykuł w American Perfumer zatytułowany „Czym jest zapach: nowa teoria”, w którym wykorzystał koncepcję interakcji molekularnych opartych na kształcie Linusa Paulinga , aby zaproponować teorię zapachu opartą na kształcie. Zastąpiło to starszą teorię wibracji węchu i przemianowano teorię węchu na dokowanie, aby dokładniej odzwierciedlać zakres interakcji niekowalencyjnych oprócz kształtu, pozostaje teorią głównego nurtu, zarówno w komercyjnej chemii zapachowej, jak i akademickiej biologii molekularnej. Trzy lata po tym, jak Moncrieff zaproponował tę teorię, John Amoore spekulował dalej, że ponad dziesięć tysięcy zapachów rozróżnialnych przez ludzki układ węchowy wynika z połączenia siedmiu podstawowych podstawowych zapachów korelujących z receptorami zapachu dla każdego, podobnie jak spektrum postrzeganych kolorów w świetle widzialnym jest generowany przez aktywację trzech podstawowych receptorów koloru. Siedem podstawowych zapachów Amoore'a obejmowało pot, spermę, rybę, słodowość, mocz i piżmo. Jego najbardziej przekonująca praca została wykonana na kamforowym zapachu, dla którego założył półkuliste gniazdo, w którym mogły się wiązać kuliste cząsteczki, takie jak kamfora , cyklooktan i naftalen .

Kiedy Linda Buck i Richard Axel opublikowali swoje nagrodzone Nagrodą Nobla badania nad receptorami węchowymi w 1991 roku, zidentyfikowali u myszy 1000 receptorów sprzężonych z białkiem G, wykorzystywanych do węchu. Ponieważ wszystkie znane obecnie typy receptorów białka G są aktywowane poprzez wiązanie (dokowanie) cząsteczek o wysoce specyficznych konformacjach (kształtach) i oddziaływaniach niekowalencyjnych, zakłada się, że receptory węchowe działają w podobny sposób. Dalsze badania nad ludzkimi układami węchowymi pozwoliły zidentyfikować 347 receptorów węchowych.

Najnowsza wersja poprzednio nazwanej teorii kształtu, znana również jako teoria odotopu lub teoria słabego kształtu, utrzymuje, że kombinacja aktywowanych receptorów jest odpowiedzialna za jeden zapach, w przeciwieństwie do starszego modelu jednego receptora, jednego kształtu, jednego zapachu. Receptory w modelu odotopowym rozpoznają tylko niewielkie cechy strukturalne każdej cząsteczki, a mózg jest odpowiedzialny za przetworzenie połączonego sygnału w zinterpretowany zapach. Wiele obecnych prac nad teorią dokowania koncentruje się na przetwarzaniu neuronowym, a nie na specyficznej interakcji między substancją zapachową a receptorem, która generuje oryginalny sygnał.

Wsparcie

Przeprowadzono liczne badania w celu wyjaśnienia złożonego związku między dokowaniem cząsteczki zapachowej a jej postrzeganym charakterem zapachu, a chemicy zajmujący się zapachami zaproponowali modele struktury między innymi dla zapachów bursztynu, drzewa sandałowego i kamfory.

Badanie przeprowadzone przez Lesliego B. Vosshalla i Andreasa Kellera, opublikowane w Nature Neuroscience w 2004 roku, przetestowało kilka kluczowych przewidywań konkurencyjnej teorii wibracji i nie znalazło dla niej żadnego eksperymentalnego wsparcia. Dane zostały opisane przez Vosshall jako „zgodne z teorią kształtu”, chociaż dodała, że ​​„nie potwierdzają teorii kształtu”.

Inne badanie wykazało również, że objętość cząsteczkowa substancji zapachowych może określać górne granice odpowiedzi neuronalnych receptorów węchowych u Drosophila .

Chemical & Engineering News z 2015 roku na temat debaty „kształt” kontra „wibracje” zauważono, że w „zjadliwej, trwającej prawie dwie dekady kontrowersji… z jednej strony jest większość naukowców zajmujących się zmysłami, którzy twierdzą, że nasze receptory zapachowe wykrywają określone cząsteczki zapachowe na podstawie ich kształtów i właściwości chemicznych. Po drugiej stronie jest garstka naukowców, którzy twierdzą, że receptor zapachowy wykrywa częstotliwości drgań cząsteczki zapachowej”. W artykule wskazano, że nowe badanie, prowadzone przez Blocka i wsp., ma na celu oscylacyjną teorię węchu, nie znajdując dowodów na to, że receptory węchowe rozróżniają stany wibracyjne cząsteczek. W szczególności Block i in. donoszą, że ludzki piżmo , OR5AN1, zidentyfikowany przy użyciu heterologicznego systemu ekspresji receptora węchowego i silnie reagujący na cyklopentadekanon i muskon , nie rozróżnia izotopomerów tych związków in vitro. Co więcej, mysi receptor rozpoznający (metylotio)metanotiol, MOR244-3, jak również inne wybrane ludzkie i mysie receptory węchowe , reagowały podobnie na normalne, deuterowane i izotopomery węgla-13 ich odpowiednich ligandów, co odpowiada wynikom znalezionym w piżmie receptor OR5AN1. Na podstawie tych ustaleń autorzy doszli do wniosku, że proponowana teoria wibracji nie ma zastosowania do ludzkiego receptora piżmowego OR5AN1, mysiego receptora tiolowego MOR244-3 ani innych receptorów węchowych . Dodatkowo, analiza teoretyczna przeprowadzona przez autorów pokazuje, że proponowany przenoszenia elektronów częstotliwości wibracyjnych odorantów może być łatwo stłumiony przez efekty kwantowe modów wibracyjnych molekularnych bez zapachu. Autorzy podsumowują: „Te i inne obawy dotyczące przenoszenia elektronów na receptory węchowe , wraz z naszymi obszernymi danymi eksperymentalnymi, przemawiają przeciwko wiarygodności teorii wibracji”.

Komentując tę ​​​​pracę, Vosshall pisze: „W PNAS Block i in.… przenoszą debatę„ kształt kontra wibracja ”z psychofizyki węchowej na biofizykę samych sal operacyjnych. Autorzy przeprowadzają wyrafinowany multidyscyplinarny atak na główne założenia teorii wibracji z wykorzystaniem syntetycznej chemii organicznej, heterologicznej ekspresji receptorów węchowych i rozważań teoretycznych, aby nie znaleźć żadnych dowodów na poparcie teorii wibracji zapachu”. Podczas gdy Turin komentuje, że Block użył „komórek w naczyniu, a nie w całych organizmach” i że „ekspresja receptora węchowego w ludzkich embrionalnych komórkach nerkowych nie odtwarza odpowiednio złożonej natury węchu …” Vosshall odpowiada „Embrionalne komórki nerki są nie są identyczne z komórkami w nosie… ale jeśli patrzysz na receptory, to jest to najlepszy system na świecie”.

Wyzwania

  • Pomimo licznych badań teoria dokowania nie odkryła jeszcze związków struktura-zapach o dużej mocy predykcyjnej.
  • Podobnie ukształtowane cząsteczki o różnych drganiach cząsteczkowych mają różne zapachy ( eksperyment metalocenowy i zastąpienie wodoru cząsteczkowego deuterem ). W metalocenowym Turin zauważa, że ​​chociaż ferrocen i nikloceny mają prawie takie same molekularne struktury kanapkowe, mają różne zapachy. Sugeruje, że „ze względu na zmianę wielkości i masy różne atomy metali dają różne częstotliwości wibracjom, które obejmują atomy metali”, obserwacja zgodna z teorią wibracji. Jednak zauważono, że w przeciwieństwie do ferrocenu, nikiel szybko rozkłada się w powietrzu, a zapach cykloalkenu obserwowany dla nikloocenu, ale nie dla ferrocenu, może po prostu odzwierciedlać rozkład nikloocenu, dając śladowe ilości węglowodorów, takich jak cyklopentadien. Wyzwanie dotyczące zapachu cząsteczek o podobnej strukturze jest sprzeczne z wynikami uzyskanymi z krzemowymi analogami burżuazji i lilii , które pomimo różnic w wibracjach molekularnych mają podobny zapach i podobnie aktywują najbardziej wrażliwy ludzki receptor, hOR17-4, przy czym badania wykazały, że ludzki receptor piżmowy OR5AN1 reaguje identycznie na deuterowane i niedeuterowane piżma oraz przy porównaniu pojedynczego neuronu odpowiedzi receptora węchowego na deuterowane i niedeuterowane substancje zapachowe.
  • Cząsteczki o różnym kształcie i podobnych wibracjach molekularnych mają podobne zapachy (zastąpienie podwójnych wiązań węgla przez atomy siarki i odmienne kształty bursztynowych substancji zapachowych).
  • Ukrywanie grup funkcyjnych nie ukrywa charakterystycznego zapachu grupy. Jednak nie zawsze tak jest, ponieważ orto mają znacznie mniej nieprzyjemnych zapachów niż związki macierzyste.
  • Bardzo małe cząsteczki o podobnym kształcie, które najprawdopodobniej zostaną pomylone przez system oparty na kształcie, mają niezwykle charakterystyczny zapach, taki jak siarkowodór . Jednak zasugerowano, że metale, takie jak Cu (I), mogą być związane z miejscem metalo-receptorowym w węchu dla silnie pachnących substancji lotnych, które są również dobrymi ligandami koordynującymi metale, takimi jak tiole. Hipoteza ta została potwierdzona w konkretnych przypadkach reagujących na tiol mysich i ludzkich receptorów węchowych.
  • Twierdzi się [ przez kogo? ] , że opisy zapachów w literaturze olfaktorycznej silniej korelują z ich częstotliwościami wibracyjnymi niż z ich kształtem molekularnym.

Zobacz też

Dalsza lektura

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Docking_theory_of_olfaction&oldid=1126395357 ”