神秘的量子生命:形状模型，一钥匙开一锁

形状模型，一把钥匙开一把锁

现在一般认为，感知一种气味，比如闻到橙子、珊瑚礁、配偶、天敌或猎物的味道，其触发事件是单个气味分子与单个嗅觉感受器的结合。嗅觉神经元状如扫帚，嗅觉感受器就位于神经元上类似扫帚头那一端的表面。嗅觉感受器各司其职，比如有的感受器可以感知到柠檬烯，但每个感受器又是如何识别它所对应的那几类气味分子的呢？要知道，飘过嗅觉上皮的分子流如同汪洋大海，感受器为什么不会捕获并结合任意其他的分子呢？这是嗅觉的核心之谜！

对该现象的传统解释基于一种被称为“锁钥模型”的机理。该模型认为，气味分子嵌入嗅觉感受器就像钥匙插进了钥匙孔。比如，柠檬烯分子可以舒适地滑入专门与之对应的嗅觉感受器。然后，分子与感受器（或称受体）的结合以一种尚不清楚的方式，打开了受体上的“锁”，触发了G蛋白的释放。G蛋白通常嵌挂在嗅觉受体的内表面，就像鱼雷嵌挂在船体里一样。一旦这种蛋白像鱼雷一样被发射进入细胞，它就会一路到达细胞膜，打开膜上的通道，放带电分子涌入细胞内。带电粒子流动引起的跨膜电流刺激神经元产生反应（详见第8章），并发出神经信号，由嗅觉上皮一路传递到大脑中枢。

锁钥模型认为，嗅觉受体与气味分子形状互补，恰好可以嵌合。就像让学步期儿童乐此不疲的形状拟合积木一样，一块削成特定形状的积木（比如圆形、正方形或三角形），只能嵌入木板上与之形状对应的凹洞中。我们可以把每个气味分子想成一块具有特殊形状的积木——比如，假设橙子味的分子（如柠檬烯）是圆形的，苹果的气味分子是方形的，香蕉的气味分子是三角形的。然后，我们可以把嗅觉受体想成一个气味“结合口袋”，该口袋被铸成了理想的形状，好让气味分子能够严丝合缝地嵌入。

当然，真正的分子很少有这样规则的形状，因此为了与这些形状千奇百怪的气味分子结合，受体蛋白的“结合口袋”也应该有复杂的结构。你可能还记得第2章的内容，就像结合底物分子的酶活化中心，大多数受体蛋白的结构可能高度复杂。确实，通常认为，气味分子与“结合口袋”的相互作用就像底物分子拴在了酶的活化中心上（见图2-4），甚至像药物与酶的相互作用。事实上，一直有人认为，理解量子力学在气味分子与嗅觉受体的相互作用中所扮演的角色，将有助于更高效地设计药物。

无论在什么情况下，“形状理论”都清楚明白地预测，气味分子的形状与气味之间应该存在某种对应关系：形状类似的分子，闻起来也应该类似；形态迥异的分子，气味也应该迥然不同。

人类历史上最让人恐慌的气味莫过于第一次世界大战期间战壕中的芥子味和腐败的干草味。无形的气体拂过荒原，哪怕是一丝最微弱的芥子味（芥子气）或烂干草味（光气）都可能为士兵争取到几秒钟宝贵的时间，在致命的毒气充盈肺部之前，戴上防毒面具。化学家马尔科姆·戴森（Malcolm Dyson）曾在一次芥子气袭击中活了下来，或许正是认识到一个灵敏的鼻子对求生来说有多重要，他开始思考气味的本质。

战后，他陆续合成了许多工业化合物，并坚持用他的鼻子来嗅闻反应合成的产物。但让戴森大惑不解的是，分子的形状与气味之间显然没有任何明显的关系。比如，许多分子的形状大不相同，如图4-2中a和d两种化合物，闻起来却是一样的，都是麝香的味道。[44]与之相反，结构极其相似的化合物（如图4-2中e和f两种化合物），闻起来却非常不同——f闻起来像尿，而e闻之无味。

分子a与d形态相去甚远，气味却极其相似。分子e与f形状几乎相同，气味却不大相同。

图4-2　分子形状与气味的关系

分子形状与气味之间的关系远非直来直去的对应。这种关系一直是困惑香水、调味剂和芳香剂工业制造商的主要问题。香水厂商无法像设计香水瓶的形状一样设计香水，只能靠蛮力进行化学合成，再靠像戴森一样的化学家通过嗅闻测试来不断试错。但是，戴森注意到，具有相同气味的一组化学物质，其分子结构中往往含有相同的化学基团，比如，图4-2中具有麝香气味的几种化学物质都有以碳氧双键（C=O）连接的氧原子和碳原子。这些化学基团是许多大分子的组成部分，决定了这些分子的许多性质。戴森注意到，这些性质当然也包括分子的气味。另外一组气味相近的化学物质与上述分子不同，它们的分子结构中都含有硫氢基团（S-H），即一个氢原子连接着一个硫原子，并散发出典型的臭鸡蛋味儿。戴森进一步提出，鼻子所分辨的，不是整个分子的形状，而是一种物理性质，或者说分子中原子之间的化学键振动的频率。

戴森首次提出这些理论是在20世纪20年代晚期，当时没有人知道该如何检测分子振动。不过，在20世纪20年代早期的一次欧洲之旅中，印度物理学家钱德拉塞卡拉·拉曼（Chandrasekhara Venkata Raman）对“地中海那潋滟的乳蓝色波光”着了魔，并推测“该现象归因于水分子对光的散射”。

通常，当光碰到原子或分子时，会“弹性”地反射，也就是说，不会损失任何能量，就像一个硬橡胶球在刚性表面上反弹一样。拉曼认为，在某些特殊情况下，光会“非弹性”地散射，就像一个硬球撞在了木棒上，将自身的一些能量传递给了木棒与击球人（不妨想象兔八哥全力猛击了疾速飞来的棒球，结果它和球棒一起开始振动的情景）。在非弹性散射中，正如之前的类比，光子在撞上分子的化学键时，将一部分能量传递给了分子，使化学键振动；散射光因此比入射光具有更低的能量。光的能量减少，频率随之降低，其颜色也向光谱中偏蓝的一端移动，让拉曼感受到了“潋滟的乳蓝色波光”。

拉曼光谱法

Raman spectrum

用光来照射某化学样品，然后在拉曼光谱上记录入射光和出射光的颜色或频率（亦反映能量）变化，以此光谱标志特征来分析该物质的化学键。有些近似的物质光谱相同，但是气味不同。(www.xing528.com)

化学家利用这项原理来研究分子结构。方法大概是用光来照射某化学样品，然后在拉曼光谱（Raman spectrum）上记录入射光和出射光的颜色或频率变化（反映能量），这就为该物质的化学键提供了某种标志。这项技术以其发明者命名，被称为拉曼光谱学或拉曼光谱法，并为拉曼赢得了诺贝尔物理学奖。戴森一听说拉曼的工作便意识到，该原理可能为鼻子探测气味分子振动提供某种机制。戴森提出，鼻子“可能是一个光谱仪”，能够检测不同化学键振动的特殊频率。他甚至指出了化合物在拉曼光谱上的常见频率与它们的气味之间的对应关系。比如，所有硫醇类化合物（含有位于分子末端的硫氢键）的频率峰值在拉曼光谱上集中分布在2 567～2 580，而它们又都有臭鸡蛋的味道。

戴森的理论至少在对气味进行纯粹的分析时是有道理的，不过，没有人会觉得我们的鼻子会利用像拉曼光谱学之类的方法来为我们提供嗅觉。毕竟，要捕获并分析散射的光，就得有一个生物光谱仪，而且还得要一个光源。鼻子似乎并不像一台光谱仪，鼻腔中也没有光源。

戴森的理论还有一个更为严重的缺陷，它在不久之后突显出来。有人发现，鼻子可以轻易地区分出具有相同化学结构和拉曼光谱的分子，这些分子互为镜像，具有不同的气味。比如，柠檬烯是橙子香味的主要成分，是右旋分子。但是，有一种叫作苦艾萜（或松油精）的物质，分子结构与柠檬烯几乎完全相同，只不过它是柠檬烯的“左旋”镜像分子（见图4-3），两个分子底部着重标记的部分为碳碳键（C-C），分别指向纸面内（a）和纸面外（b）。苦艾萜与柠檬烯的所有化学键都相同，因而具有相同的拉曼光谱，但两者气味却大相径庭：苦艾萜闻起来像松节油。化学中称这类同时具有左旋和右旋结构的分子为手性分子[45]。

对映异构的手性分子往往具有不同的气味。手性化合物的另一个例子是葛缕酮。该化合物常见于小茴香和葛缕子的种子中，是葛缕子香的主要成分。其镜像分子闻起来却是绿薄荷的味道。一位光谱学家用光谱仪无法区分出这些化合物的差别，而用鼻子轻轻一嗅便可轻而易举地做出判断。事实很清晰，嗅觉不能靠（至少是不能只靠）感知分子的振动来实现。

柠檬烯与苦艾萜互为镜像分子，但气味不同。两者的不同仅仅在于底部化学基团的朝向，柠檬烯中基团指向纸面内（化学键尖端向下）而苦艾萜中基团朝向纸面外（化学键尖端向上）。当然，苦艾萜分子可以翻转180°使底部的化学基团向柠檬烯一样朝向纸面内，但如果这样，其碳碳双键将换到左侧而不再位于右侧，与柠檬烯依然不同。这对分子就像一双手或手套的左和右。

图4-3　柠檬烯与苦艾萜分子

在20世纪后半叶的大多数时间里，这些貌似致命的缺陷让嗅觉振动理论与锁钥模型比起来相形见绌。不过，仍然有一些热衷于分子振动理论的学者尽力挽救该理论。加拿大化学家罗伯特·莱特（Robert H.Wright）便是其中之一。针对“左旋分子与右旋分子，化学键相同气味却不同”的问题，他给出了一个可能的解释。他指出，嗅觉受体本身可能具有手性（以左旋或右旋的形态存在），因此，它们与气味分子结合时也会按照左旋或右旋的对应关系，让振动感应器以不同的方式感知到化学键振动频率相同的分子。

以音乐表演来打个比方：吉米·亨德里克斯（Jimi Hendrix）惯用左手（代表嗅觉感受器），他在演奏吉他（具有手性的气味分子）时通常琴颈指向右侧；而埃里克·克莱普顿（Eric Clapton）惯用右手，他持吉他（代表镜像分子）演奏时，琴颈指向左侧。[46]两位音乐家可以在各自的镜像吉他上演奏同一段旋律（产生相同的振动），但假设固定的麦克风（代表嗅觉感受器上感应振动的部分）只能放置在乐手的左侧，那么麦克风收到的音乐会有微妙的差别，因为，乐手演奏时，琴弦（化学键）相对于麦克风的位置不同。莱特提出，手性嗅觉感受器只有在化学键处于正确的位置时，才会探测化学键的振动频率。他还认为，这些感受器有左旋或右旋两种形态，就像吉他手有的惯用左手，有的惯用右手。然而，由于对生物振动感受器究竟如何工作还没有任何头绪，振动理论一直处于嗅觉研究的边缘地位。

然而，形状理论也有自己的问题。我们之前已经讨论过，形状理论很难解释为什么形态迥异的分子会有相同的气味，反之亦然。为了解决这些问题，戈登·谢泼德（Gordon Shepherd）与森憲作（Kensaku Mori）于1994年提出了新的理论，有时被称为“弱形”理论（weak shape）或嗅觉表位理论（odotope）。

嗅觉表位理论与传统形状理论的关键不同之处在于，谢泼德和森认为，嗅觉感受器需要识别的并非整个分子，而是分子中部分化学基团的形状。比如，就像我们之前指出的那样，图4-2中所有麝香味的化合物都包含一个碳氧双键。嗅觉表位理论提出，嗅觉受体识别的是这些亚结构的形状，而非整个分子。该理论在分析气味时显得更为合理，但与振动理论一样，在解释所含化学基团相同而排列不同的分子时，遇到了许多相同的问题。

因此，无论是嗅觉表位理论还是振动理论，都不能解释为什么在相同的分子框架上有相同化学基团的分子，仅仅是化学基团的排列顺序不同，就会有完全不同的气味。比如，香兰素（天然香草香精的主要成分）和异香兰素都含有一个六碳苯环，在苯环的不同位置上连接着三个完全相同的化学基团（见图4-4）。按照嗅觉表位理论，基团相同，气味也应该相同。但香兰素闻起来就是香草味儿，而异香兰素的气味却令人不悦，像是苯酚的味道（淡淡的药味儿）。

由相同基本化学基团组成的分子，比如此处的香兰素和异香兰素，仍可以有非常不同的气味。

图4-4　香兰素和异香兰素分子

为了解决这些问题，支持形状理论的学者通常将嗅觉表位理论与某种整体手性形状识别机制进行结合。不过，这仍然无法解释一种同样常见的现象，即镜像分子也可能拥有相同的气味。[47]这类现象说明，识别某些镜像分子的是同一类受体，这就好比一只手可以戴进左手和右手的手套。如此一来，该理论似乎又不能完全说通了。