По образу и подобию

Химики-синтетики, работающие над созданием феромонов, часто оказываются в чрезвычайно затруднительном положении. Им гораздо легче изобразить вещество на бумаге, чем получить его в колбе. Даже знания точной формулы молекулы бывает недостаточно для осуществления ее синтеза. Конструкторы молекул должны прекрасно ориентироваться в химическом лабиринте геометрически разноликих формул, чтобы воспроизвести по расшифрованному соединению его копию.

Об одном характерном для химической «кухни» случае рассказал в своем интервью известный специалист химического синтеза Роберт Вудворт.

Как-то к нему из Англии приехал молодой человек с хорошими рекомендациями — он хотел поработать в лаборатории ученого. Вудворт дал ему задание провести довольно простой синтез. Химик выполнил его за две недели. Ученый оценил способности стажера и поручил ему сделать серьезную работу — синтез холестерина. Это соединение было выделено в чистом виде еще в 1812 г. Его молекулы представляют собой стероиды циклического строения и присутствуют почти во всех тканях живого организма. Холестерин — необходимый химический компонент для биосинтеза экдизона — гормона роста насекомых. Однако шестиногие не могут синтезировать его самостоятельно и получают в готовом виде с пищей (потребность в нем у разных видов колеблется от 0,01 до 0,1% массы суточного рациона).

И вот холестерин — очень важный строительный материал для клеточных структур — был синтезирован молодым ученым, будущим профессором химии, Вудвортом и его сотрудниками. Через год после этого события, встретившись с Вудвортом, его бывший стажер признался, что был поражен, услышав от ученого о предстоящем синтезе холестерина, и даже подумал: «Видать, он просто сумасшедший», — но все-таки решил попробовать. Как видно, часто создание сложных молекул даже для химиков кажется невероятной, безумной затеей.

И тем не менее самые недоступные органические соединения были покорены в XX в. Достаточно вспомнить синтез пигмента зеленого листа — хлорофилла или молекул здоровья — различных витаминов. Многие чудодейственные вещества, такие, как хинин, убивающий возбудителя малярии, сульфаниламидные препараты — гроза болезнетворных микроорганизмов, пестициды всех поколений и искусственные красители, подарили человечеству конструкторы органических молекул. В настоящее время химический синтез принял индустриальные масштабы. Подсчитано, что каждый месяц в мире синтезируется не менее 25 тыс. новых соединений.

А было время, когда известный химик И. Я. Берцелиус (1779–1848 гг.) и многие другие считали невозможным искусственно создать органические молекулы без помощи магической «жизненной силы».

Своим рождением органический синтез в большой мере обязан выдающемуся химику Марселену Бертло (1827–1907 гг.) Он настолько верил в будущее химического синтеза, что, выступая на съезде французских фабрикантов в 1894 г., утверждал, что в 2000 г. не будет сельского хозяйства. Химия достигнет такого уровня, когда земледелие станет лишним, и каждый житель планеты будет иметь коробочку с химическими веществами, которые полностью удовлетворят потребность организма в основных питательных веществах: белках и углеводах, жирах и витаминах.

Предвидение великого химика в какой-то мере становится реальностью. Уже изготовлена синтетическая зернистая икра, которая по вкусовым качествам почти не уступает настоящей.

Как же действуют исследователи при синтезе химических соединений? Когда стало известно, что феромон тутового шелкопряда представляет собой сложный спирт, ученые испытали сотни сходных с ним по строению веществ. При помощи «носа-антенны» насекомых прошли проверку даже соединения, содержащиеся в листьях шелковицы, которыми питаются гусеницы шелкопряда. Чтобы получить бомбикол, конструкторам молекул пришлось объединить свои усилия. Одновременно в двух лабораториях шел напряженный поиск путей синтеза этого вещества. В процессе работы были получены многие пахучие молекулы. Причем искусственные вещества в отдельности или в сочетании часто оказывались более привлекательными для насекомых, чем извлеченные химиками из тел шестиногих. Видимо, синтетические вещества не содержали никаких примесей.

Для химиков всех времен поучительным примером могли бы послужить работы Фридриха Велера, который 150 лет назад синтезировал мочевину. Современные аналитические приборы подтвердили чистоту образца вещества, сохранившегося в запаянной ампуле.

Однако не всегда однородность отдельных компонентов запаха дает гарантию успеха при смешивании. Так, «сюрприз» ожидал охотников за ароматом черной смородины. После расшифровки строения и синтеза более 40 различных пахучих молекул химики сделали из них «коктейль» и вынуждены были зажимать носы. Конечно, ученым этой специальности не привыкать к острым запахам, и обоняние у них от химической кухни притуплено, но вспомним хотя бы запах аммиака.

Для получения феромонов в лабораториях проводят различные реакции. Синтезируя спирты, кислоты, эфиры, кетоны, химики окисляют и восстанавливают, присоединяют и отщепляют различные молекулы и функциональные группы.

Со времени работ пионера химического синтеза Марселена Бертло и до сих пор химикам приходится решать задачу присоединения к молекуле-основе, например ацетилену, другой органической молекулы, состоящей из различного числа углеродных атомов. Для этого хорошо служат реакции конденсации. Они были использованы при получении бомбикола шелкопряда, пропилура розового червя хлопчатника и феромонов грозы садов — восточной и яблонной плодожорок.

Для нормального протекания этой реакции важное значение имеет присутствие различных катализаторов, таких, как металлический натрий, хлористый алюминий, металлорганические соединения. В биохимических процессах, происходящих в живых организмах, роль катализаторов выполняют различные ферменты. Химику же самому приходится подбирать необходимый ускоритель реакции.

Особое место среди катализаторов занимает вещество, предложенное французским ученым Виктором Гриньяром (1871–1935 гг.) и названное в честь него реактивом Гриньяра. Трудно найти область органического синтеза, где бы не использовали это чудесное соединение, которое часто выручает химиков при конструировании «молекул любви».

Для синтеза феромонов ученые часто используют и реакцию гидрирования ненасыщенных углеводородов. С ее помощью было получено большое количество пахучих молекул.

Конструирование феромонов осложняется и тем, что от пространственного положения молекулы, то есть ее стереометрии, изменяется результат синтеза. Если изомерия на плоскости связана с различным положением отдельных групп (гидроксильной, метильной и других) в углеродной цепи, то стереоизомеры — зеркальные близнецы в пространстве. Химикам приходится проверять множество веществ, чтобы поймать так называемую цис- или трансконфигурацию молекулы. Тем не менее благодаря созданию оригинальных методов химического синтеза, основой для которых послужили работы известных советских ученых М. М. Шемякина и Л. Д. Бергельсона, исследователи успешно преодолевают все трудности. Только у нас в стране за последнее время осуществлен синтез феромонов более чем 20 видов насекомых-вредителей.

Наконец-то в руках ученых оказалась стеклянная пробирка с веществом, которое, как золотой ключик, поможет открыть тайны химического языка насекомых. Но как же работает молекулярный механизм «секретного замочка»?

Существует множество теорий и гипотез, при помощи которых ученые пытаются объяснить механизм действия обонятельных рецепторов. Каждый человек по-разному может описать один и тот же запах, но большинство из нас одинаково ощущают прекрасный аромат цветов и хвойных деревьев, хлеба и валерианы. А кто хоть раз в жизни понюхает нашатырный спирт или мускус, тот никогда уже не сможет ошибиться при описании этих запахов.

У японцев существует забавная игра для развлечения гостей. Всем желающим предлагают предмет, который обладает одним из множества известных нам запахов. Победу присуждают тому из присутствующих, который окажется лучшим дегустатором и правильно назовет пахучее вещество. Преимущество в этой игре имеет тот, у кого самый чувствительный нос. Значит, в органах обоняния существуют «сортировщики», которые на каждую молекулу «клеят» ярлык. Кстати, некоторые химики или парфюмеры могут различать до 10 тыс. ароматов.

На первый взгляд все просто: каждый отдельный запах есть не что иное, как воздействие определенных летучих молекул на органы обоняния: хвойный или фруктовый аромат создают сложные эфиры, а запах тухлых яиц — производные сероводорода. Однако чем тогда объяснить, что разные химические соединения: розетон и фенилэтанол, гераниол и пеларгол имеют аромат розы? К этому можно добавить, что запах камфоры наблюдается более чем у 100 соединений, а запах мяты — примерно у 80 различных органических молекул.

Кроме того, учеными получены данные о том, что вещества, сходные по строению, существенно различаются по запаху.

Может быть, на качество запаха влияют только функциональные группы или конфигурация молекул на плоскости и в пространстве? Оказывается, нет. Уксусная кислота имеет резкий уксусный запах, а масляная — пахнет прогорклыми жирами. У ванилина замена альдегидной группы на нитрогруппу не вызывает изменения аромата. А вот форма молекулы, видимо, играет важную роль в создании запаха.

В конце 40-х годов нашего столетия было высказано предположение о том, что запах не что иное, как «узнавание» пахучей молекулой определенной лунки в обонятельных клетках. Эта идея «замка и ключа», в настоящее время принятая на вооружение биохимиками для объяснения механизма действия ферментов — живых катализаторов, была не нова. Еще более 2000 лет назад римский философ и поэт Лукреций Кар (98–55 гг. до н. э.) писал, что запахи состоят из «первичных начал» различной формы. Приятные запахи образуются из гладких и круглых начал, терпкие — из крючковатых, зловонные — из острых и колючих, проникающих в «поры» органа обоняния.

Развивая теорию «молекулы ключа» и обонятельной «ямки-замка», американские ученые предложили свой вариант. Предполагая, что число различных запахов ограничено, как и количество элементарных вкусовых ощущений, он выделил семь первичных запахов. Это известные нам камфорный, острый (запах муравьиной кислоты), мятный (ментол), цветочный (аромат розы), мускусный, эфирный, гнилостный (сероводород). Более того, исследователи описали размеры и форму обонятельных рецепторов, которые соответствуют этим запахам. Однако и «палочка-выручалочка» Эймура не смогла объяснить нюансы обоняния.

Канадские ученые предложили следующее объяснение проблемы. Пахучие молекулы при соприкосновении с обонятельными рецепторами раздражают их, и те под действием атомных колебаний различной частоты передают нервный импульс в мозг. Причем воспринимаются сигналы только с длиной волны от 20 до 200 мкм. В дальнейшем эти волновые диапазоны были названы осмическими (от греческого «osme» — запах). Однако и эта гипотеза не в состоянии объяснить многие факты.

Изучая тайны обоняния насекомых, ученые получили много важных и интересных данных о механизме восприятия запахов этими животными. Так, они установили, что слой вязкой субстанции, которая выделяется из пор хеморецепторных сенсилл шестиногих, состоит из мукополисахаридов и представляет собой барьер между мембраной чувствительной клетки и окружающей средой. Он играет важную роль в восприятии химического стимула и преобразовании его в нервный сигнал. Мукополисахаридный слой — фактор, свойства которого зависят от физиологического состояния насекомого. Ученые считают, что эффективность этого селективного фильтра зависит от молекулярной структуры веществ, диффундирующих через него. Полученные данные проливают некоторый свет на секреты механизма восприятия запахов в мире шестиногих.