Dokovací teorie čichu - Docking theory of olfaction - Wikipedia

The dokovací teorie čichu navrhuje, aby vůně molekuly odorantu byla způsobena řadou slabých nekovalentní interakce mezi odorantem [ligandem] a jeho protein odorantový receptor (nalezeno v nosní epitel ), jako elektrostatický a Van der Waals interakce i H-vazba, dipól atrakce, skládání pí ion kovů, Interakce kation-pi, a hydrofobní kromě konformace s vonnými látkami také účinky.[1][2] Zatímco tento typ uznání byl dříve nazýván tvarová teorie čichu,[3] který primárně zohledňuje molekulární tvar a velikost, je tento druhý model příliš zjednodušený, protože dvě vonné molekuly mohou mít podobné tvary a velikosti, ale různé sady slabých mezimolekulárních sil, a proto aktivují různé kombinace receptory odorantů. Dřívější modely vázání proteinů a ligandů typu „zámek a klíč“ a „ruku v ruce“ byly nahrazeny jemnějšími obrázky, které zohledňují zkreslení flexibilních molekul, aby se vytvořily optimální interakce s vazebnými partnery jako v molekulární dokování nečichového Receptory spojené s G-proteinem.

Dějiny

V roce 1949 R.W. Moncrieff publikoval článek v Americký parfém s názvem „Co je to zápach: nová teorie,“ která se používala Linus Pauling Pojem molekulárních interakcí založených na tvaru navrhnout tvarovou teorii zápachu.[4] To nahradilo starší vibrační teorie čichu „a přejmenována na dokovací teorii čichu, aby přesněji odrážela kromě tvaru i řadu nekovalentních interakcí, zůstává teorií hlavního proudu, jak v komerční chemii vůní, tak v akademické molekulární biologii. Tři roky poté, co Moncrieff navrhl teorii, John Amoore dále spekuloval, že více než deset tisíc pachů, které lze odlišit lidským čichovým systémem, je výsledkem kombinace sedmi základních primárních pachů, které korelují s pachovými receptory pro každý z nich, stejně jako spektrum vnímaných barev ve viditelném světle. je generován aktivací tří primárních barevných receptorů.[5] Mezi Amoorovy sedmi primární pachy patřilo zpocený, spermatický, rybí, sladový, močový a pižmový. Jeho nejpřesvědčivější práce byla provedena na kafrovitém zápachu, pro který navrhl polokulovou objímku, ve které sférické molekuly, jako např. kafr, cyklooktan, a naftalen mohl vázat.

Když Linda Buck a Richard Axel zveřejnil své Nobelova cena vítězný výzkum čichových receptorů v roce 1991, identifikovali u myší 1 000 Receptory spojené s G-proteinem používá se k čichu.[6] Jelikož všechny typy G-proteinových receptorů, které jsou v současné době známy, jsou aktivovány vazbou (dokováním) molekul s vysoce specifickými konformacemi (tvary) a nekovalentními interakcemi, předpokládá se, že čichové receptory fungují podobným způsobem. Další výzkum lidských čichových systémů identifikoval 347 čichových receptorů.

Nedávná verze dříve pojmenované teorie tvarů, známá také jako teorie odotopů nebo Weak Shape Theory, si myslí, že kombinace aktivovaných receptorů je zodpovědná za jakoukoli vůni, na rozdíl od staršího modelu jednoho receptoru, jednoho tvaru, jedné vůně. Receptory v modelu odotopu rozpoznávají pouze malé strukturní rysy na každé molekule a mozek je zodpovědný za zpracování kombinovaného signálu do interpretovaného pachu. Hodně současné práce na dokovací teorii se zaměřuje spíše na nervové zpracování než na specifickou interakci mezi odorantem a receptorem, která generuje původní signál.[7]

Podpěra, podpora

Byly provedeny četné studie k objasnění složitého vztahu mezi dokováním vonné molekuly a její vnímanou vůní a chemici vonných látek navrhli mimo jiné modely struktury pro vůně jantaru, santalového dřeva a kafru.

Studie od Leslie B. Vosshall a Andreas Keller, publikované v Přírodní neurovědy v roce 2004 testoval několik klíčových předpovědí konkurenční teorie vibrací a nenašel pro ni žádnou experimentální podporu.[8][9] Data popsala Vosshall jako „v souladu s teorií tvarů“, ačkoli dodala, že „teorii tvarů neprokazují“.[10]

Další studie také ukázala, že molekulární objem odorantů může určit horní hranice nervových odpovědí čichových receptorů v Drosophila.[11]

2015 Chemické a technické novinky článek o debatě „tvar“ versus „vibrace“ uvádí, že v „prudké, téměř dvě dekády trvající kontroverzi ... na jedné straně je většina smyslových vědců, kteří tvrdí, že naše receptory odorantů detekovat specifické vonné molekuly na základě jejich tvarů a chemických vlastností. Na druhé straně je hrstka vědců, kteří předpokládají, že receptor odorantu detekuje vibrační frekvence molekuly zápachu “.[12] Článek naznačuje, že nová studie vedená Blockem et al. Se zaměřuje na vibrační teorii čichu a nenachází žádné důkazy o tom, že čichové receptory rozlišují vibrační stavy molekul. Konkrétně Block a kol.[13] hlásit, že člověk pižmo -rozpoznávající receptor, OR5AN1, identifikovaný pomocí heterologního čichový receptor expresní systém a robustně reaguje na cyklopentadekanon a muskón, nerozlišuje izotopomery těchto sloučenin in vitro. Dále myší (methylthio) methanethiol-rozpoznávající receptor, MOR244-3, stejně jako další vybrané lidské a myší čichové receptory, reagovaly podobně jako normální, deuterované a uhlík-13 izotopomery svých příslušných ligandů, paralelní výsledky nalezené s pižmovým receptorem OR5AN1. Na základě těchto zjištění autoři dospěli k závěru, že navrhovaná teorie vibrací se nevztahuje na lidský pižmový receptor OR5AN1, myší thiolový receptor MOR244-3 nebo jiné čichové receptory zkoumány. Navíc teoretická analýza autorů ukazuje, že navrhovaná elektronový přenos mechanismus vibračních frekvencí odorantů lze snadno potlačit kvantovými efekty nemodorantních molekulárních vibračních režimů. Autoři uzavírají: „Tyto a další obavy týkající se elektronový přenos na čichové receptory spolu s našimi rozsáhlými experimentálními údaji argumentují proti věrohodnosti teorie vibrací. “

V komentáři k této práci Vosshall píše: „In PNAS, Block et al .... posunout debatu„ tvar vs. vibrace “od čichové psychofyziky k biofyzice samotných nejvzdálenějších regionů. Autoři se připojují k sofistikovanému multidisciplinárnímu útoku na centrální principy vibrační teorie využívající syntetickou organickou chemii, heterologní vyjádření čichové receptory a teoretické úvahy k nalezení žádných důkazů podporujících teorii vibrací čichu. “[3] Zatímco Turín komentuje, že Block použil "buňky v misce spíše než v celých organismech" a že "vyjadřující" čichový receptor v lidské embryonální ledvinové buňky nedostatečně rekonstituuje složitou povahu čich... "Vosshall odpovídá" Embryonální ledvinové buňky nejsou totožné s buňkami v nose ... ale pokud se díváte na receptory, je to nejlepší systém na světě. "[12]

Výzvy

  • Navzdory četným studiím teprve dokovací teorie musí objevit vztahy mezi strukturou a vůní s velkou prediktivní silou.[14]
  • Podobně tvarované molekuly s různými molekulárními vibracemi mají různé vůně (metalocen experimentovat a deuterium nahrazení molekulárních vodík ).[15] V metalocen experiment, Turín poznamenává, že zatímco ferrocen a nikelocen mají téměř stejné molekulární sendvičové struktury, mají zřetelný zápach. Navrhuje, že „kvůli změně velikosti a hmotnosti dávají různé atomy kovů různé frekvence pro vibrace, které zahrnují atomy kovů,“[15] pozorování, které je kompatibilní s teorií vibrací. Bylo však poznamenáno, že na rozdíl od ferrocenu se nikelocen rychle rozkládá na vzduchu a cykloalkenový zápach pozorovaný u nikelocenu, ale ne u ferrocenu, může jednoduše odrážet rozklad nikelocenu za vzniku stopových množství uhlovodíků, jako je cyklopentadien.[2] Výzva týkající se vůně molekul s podobnými strukturami je v rozporu s výsledky získanými u křemíkových analogů buržonálních a lilial, které navzdory rozdílům v molekulárních vibracích mají podobné pachy a podobně aktivují nejcitlivější lidský receptor, hOR17-4,[16] se studiemi, které ukazují, že člověk pižmo receptor OR5AN1 reaguje identicky na deuterovaný a nedeuterovaný pižma[13] a s porovnáním odpovědi čichového receptoru na deuterované a nedeuterované odoranty s jediným neuronem.[17]
  • Různě tvarované molekuly s podobnými molekulárními vibracemi mají podobné pachy (nahrazení uhlík dvojité vazby síra atomy a různě tvarované jantarové odoranty).
  • Úkryt funkční skupiny neskrývá charakteristický zápach skupiny. To však vždy neplatí ortho-substituované arylisonitrily[18] a thiofenoly[19] mají mnohem méně útočné pachy než původní sloučeniny.
  • Velmi malé molekuly podobného tvaru, které se nejpravděpodobněji zaměňují systémem založeným na tvarech, mají extrémně výrazné pachy, jako například sirovodík. Bylo však navrženo, že kovy, jako je Cu (I), mohou být asociovány s místem metaloreceptorů při čichání pro silně vonící těkavé látky, které jsou také dobrými ligandy koordinujícími kovy, jako jsou thioly.[20][21] Tato hypotéza byla potvrzena ve specifických případech myších a lidských čichových receptorů reagujících na thiol.[22][23]
  • Tvrdí se, že popisy pachů v literatuře čichu silněji korelují s jejich vibračními frekvencemi než s jejich molekulárním tvarem.[24]

Viz také

Reference

  1. ^ Horsfield, A. P .; Haase, A .; Turin, L. (2017). "Molekulární rozpoznávání v čichu". Pokroky ve fyzice: X. 2 (3): 937–977. doi:10.1080/23746149.2017.1378594.
  2. ^ A b Block, E. (2018). "Molekulární základ diskriminace pachů savců: zpráva o stavu". Journal of Agricultural and Food Chemistry. 66 (51): 13346–13366. doi:10.1021 / acs.jafc.8b04471. PMID  30453735.
  3. ^ A b Vosshall LB (2015). „Odpočinek na kontroverzní vůni“. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 112 (21): 6525–6526. Bibcode:2015PNAS..112,6525V. doi:10.1073 / pnas.1507103112. PMC  4450429. PMID  26015552.
  4. ^ Moncrieff, Robert Wighton (1949), „Co je to zápach? Nová teorie“, Americký parfém, 54: 453
  5. ^ Amoore JE (1952). "Stereochemické zvláštnosti lidských čichových receptorů". Záznam parfémů a éterických olejů. 43: 321–330.
  6. ^ „Nobelova cena za fyziologii nebo medicínu 2004“.
  7. ^ „Linda B. Buck, PhD - HHMI.org“. HHMI.org.
  8. ^ Keller A; Vosshall LB (2004). „Psychofyzikální test vibrační teorie čichu“. Přírodní neurovědy. 7 (4): 337–338. doi:10.1038 / nn1215. PMID  15034588.
  9. ^ „Testování radikální teorie“. Nat. Neurosci. 7 (4): 315. 2004. doi:10.1038 / nn0404-315. PMID  15048113.
  10. ^ TWOMBLY, RENEE (2004-03-26). „The Rockefeller University - Newswire: Dvě Rockefellerovy fakulty se staly novými vyšetřovateli HHMI“. Archivovány od originál dne 2008-10-29. Citováno 2009-06-10.
  11. ^ Saberi M, Seyed-allaei (2016). „Odorantové receptory Drosophily jsou citlivé na molekulární objem odorantů“. Vědecké zprávy. 6: 25103. Bibcode:2016NatSR ... 625103S. doi:10.1038 / srep25103. PMC  4844992. PMID  27112241.
  12. ^ A b Everts S (2015). „Receptor Research Reignites A páchnoucí debata“. Chem. Eng. Zprávy. 93 (18): 29–30.
  13. ^ A b Block E a kol. (2015). „Nepravděpodobnost vibrační teorie čichu“. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 112 (21): E2766 – E2774. Bibcode:2015PNAS..112E2766B. doi:10.1073 / pnas.1503054112. PMC  4450420. PMID  25901328.
  14. ^ Prodat, CS (2006). „O nepředvídatelnosti zápachu“. Angew. Chem. Int. Vyd. 45 (38): 6254–6261. doi:10.1002 / anie.200600782. PMID  16983730.
  15. ^ A b Turín L (1996). „Spektroskopický mechanismus pro primární čichový příjem“. Chem. Smysly. 21 (6): 773–91. doi:10.1093 / chemse / 21.6.773. PMID  8985605.
  16. ^ Doszczak, L; Kraft, P; Weber, HP; Bertermann, R; Triller, A; Hatt, H; Reinhold Tacke, R (2007). „Predikce vnímání: Sondování modelu čichového receptoru hOR17-4 křemíkovými analogy burgeonálních a liliálních“. Angew. Chem. Int. Vyd. 46 (18): 3367–3371. doi:10.1002 / anie.200605002. PMID  17397127.
  17. ^ Na, M .; Liu, M. T .; Nguyen, M. Q .; Ryan, K. (2019). „Srovnání odpovědi čichového receptoru na deuterované a nedeuterované odoranty jedním neuronem“. ACS Chem. Neurosci. 10 (1): 552–562. doi:10.1021 / acschemneuro.8b00416. PMID  30343564.
  18. ^ Pirrung, MC; Ghorai, S; Ibarra-Rivera, TR (2009). "Vícesložkové reakce konvertibilních izonitrilů". J. Org. Chem. 74 (11): 4110–4117. doi:10.1021 / jo900414n. PMID  19408909.
  19. ^ Nishide, K; Miyamoto, T; Kumar, K; Ohsugi, S-I; Node, M (2002). "Syntetické ekvivalenty benzenethiolu a benzylmerkaptanu se slabou vůní: účinek trialkylsilylové skupiny na snížení zápachu". Tetrahedron Lett. 43 (47): 8569–8573. doi:10.1016 / s0040-4039 (02) 02052-x.
  20. ^ Crabtree, R.H. (1978). „Copper (I) - Možná čichová vazebná stránka“. J. Inorg. Nucl. Chem. 1978 (40): 1453. doi:10.1016/0022-1902(78)80071-2.
  21. ^ Block, E .; Batista, V.S .; Matsunami, H .; Zhuang, H .; Ahmed, L. (2017). „Role kovů v ol olizaci savců nízkomolekulárních organosírových sloučenin“. Zprávy o přírodních produktech. 34 (5): 529–557. doi:10.1039 / c7np00016b. PMC  5542778. PMID  28471462.
  22. ^ Duan, Xufang; Block, Eric; Li, Zhen; Connelly, Timothy; Zhang, Jian; Huang, Zhimin; Su, Xubo; Pan, Yi; Wu, Lifang; Chi, Qiuyi; Thomas, Siji; Zhang, Shaozhong; Ma, Minghong; Matsunami, Hiroaki; Chen, Guo-Qiang; Zhuang, Hanyi (2012). „Zásadní role mědi při detekci odorantů koordinujících kovy“. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 109 (9): 3492–3497. Bibcode:2012PNAS..109.3492D. doi:10.1073 / pnas.1111297109. PMC  3295281. PMID  22328155.
  23. ^ Li, S .; Ahmed, L .; Zhang, R .; Pan, Y .; Matsunami, H .; Burger, J.L .; Block, E .; Batista, V. S .; Zhuang, H. (2016). „Vonící síra: Měď a stříbro regulují reakci lidského odorantového receptoru OR2T11 na thioly s nízkou molekulovou hmotností“. Journal of the American Chemical Society. 138 (40): 13281–13288. doi:10.1021 / jacs.6b06983. PMID  27659093.
  24. ^ Takane SY; Mitchell JBO (2004). "Studie vztahu mezi strukturou a vůní pomocí deskriptorů EVA a hierarchického shlukování". Org. Biomol. Chem. 2 (22): 3250–5. doi:10.1039 / B409802A. PMID  15534702.

Další čtení