Burnumuzun Ucundaki Fizik: Kokunun, Kuantum Tünelleme ve Şekil Hipotezleri!

Koku alma (olfaksiyon), uzun zamandır incelenen biyolojik bir süreçtir. Bu sürece dair düşünsel kökenler, Antik Yunan filozofları Demokritos ve Epikuros'a kadar dayanır; bu düşünürler, evrendeki her şeyin atomlardan oluştuğu anlayışı çerçevesinde koku algısını da atomik parçacıkların duyusal organlara temas etmesiyle açıklar.^[1] Demokritos’un atomik teorisinin savunucuları, tatlı kokulu maddelerin atomlarının yumuşak yapılı; kötü kokulu maddelerin de burnu rahatsız edecek şekilde sert ve çıkıntılı yapıda olduğunu öne sürmüşlerdir.^[2]

Romalı filozof Lucretius (MÖ 50) ise ünlü eseri De Rerum Natura'da kokunun parçacıklar halinde yayıldığını, farklı hayvanların koku algılama yeteneklerinin birbirinden farklı olduğunu ve nesneler bozulduğunda, yandığında veya kırıldığında koku yaymaya daha eğilimli olduğunu öne sürmüştür. Ayrıca her koku parçacığının kendine özgü bir şekli olduğunu, kokuyu algılayan alıcılar (reseptörler) ve sinir yollarının bu şekillerle uyumlu olduğunu ve böylece kokunun algılandığını belirtir. Tabi moleküler reseptörleri modern anlamda tanımlamamıştır. Bu noktada Lucretius'un felsefi bir benzetme yaptığını belirtmek olanaklıdır. Aynı molekülün farklı alıcılarda farklı biçimlerde algılanmasının, o molekülün bu yolaklara girişinin niteliğiyle açıklanabileceğini; dolayısıyla bir kişi tarafından acı olarak algılanan bir koku parçacığının başkası tarafından tatlı olarak algılanabileceğini vurgular.^[3]

Klasik Model: Anahtar-Kilit (Docking Theory)

Lucretius’un özellikle koku parçacıklarının kendine özgü şekli ve bu şekille uyumlu alıcılara sahip olduğu fikri modern dönemde de geçerliliği olan anahtar-kilit modelinin felsefi bir öncülü olarak görülebilir. Bu modele göre, her koku molekülü (odorant) kendine özgü bir üç boyutlu yapıya ve yüzeyde yer alan fonksiyonel gruplara sahiptir. Reseptörler ise yalnızca belirli şekil ve kimyasal özellikteki molekülleri tanıyabilen kilitler gibidir.

1991 yılında Richard Axel ve Linda Buck, koku reseptörlerini ve bu reseptörlerden gelen sinyallerin moleküler olarak algılanma sürecini açıklamış ve memelilerin burun epitel hücrelerinde bulunan yaklaşık 1000 tane olfaktor geni tespit etmişlerdir. Axel ve Buck bu alandaki çalışmalarıyla 2004 Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü’nü kazanmışlardır.^[4]

Axel ve Buck’ın çalışmalarına göre ilgili molekül, reseptörün bağlanma bölgesine uygun şekilde yerleştiğinde (İng: "docking") hidrojen bağları, elektrostatik çekimler, dipol etkileşimleri ve Van der Waals kuvvetleri gibi zayıf etkileşimler aracılığıyla bir sinyal tetiklenir. Bu sinyal, G-protein bağlı reseptör (GPCR) aracılığıyla hücre içi ikinci habercilere (örneğin cAMP) aktarılır ve sonunda beyindeki olfaktör bulbusa iletilir.^[5]

Nobel Prize

Zayıf Şekil Teorisi (Odotope Theory)

Her ne kadar "şekil modeli" (İng: docking theory) birçok kokunun algılanış sũrecini açıklıyor olsa da bazı durumlar bu teorinin tam anlamıyla cevap olmadığını göstermektedir.

Wiley Online Library

Örneğin benzer şekilli koku molekülleri, farklı kokabilirken yapısal olarak çok farklı şekildeki moleküller benzer kokular sunabilmektedir.^[2] Koku alma olayında dominant teori olarak kabul edilen "zayıf-şekil" ya da "odotope" teorisine göre bir molekül katı bir anahtar-kilit mekanizması ile doğrudan bağlanmaz. Bunun yerine, molekülün küçük bir kısmı, odotope adı verilen mikroözellikler aracılığıyla reseptör yüzeyinin ilgili alt bölgelerine bağlanır ve bu kısmi bağlanmalar kombinasyonel bir kodlama sistemi oluşturur. ^[6]

Healthist.net

Bu bağlanmalar sonucunda, her bir reseptör yalnızca molekülün belirli odotope’larına duyarlı hale gelir ve bir kokunun algılanması, birçok reseptörün birlikte aktif olmasıyla meydana gelen "odotope deseni"nin yorumlanmasına dayanır. Böylece tek bir molekül, tüm reseptörleri tek tek yakalamaz; fakat farklı odotope’lar farklı reseptörleri tetikler. Beyin bu sinyalleri bir araya getirerek özgün kokuyu ayırt eder. Tek bir reseptör, birden çok molekülden gelen odotope’lara yanıt verebilir ve bir molekül de birden fazla reseptörü aktive edebilir. Bu da reseptör sayısı az olmasına rağmen çok fazla sayıda kokunun algılanabilmesini açıklamaya yardım eder.^[7]

Titreşim Teorisi : Burnumuzdaki Kuantum Fiziği

İlk olarak 1938’de Malcolm Dyson tarafından öne sürülen^[8] fakat sonrasında "şekil teorisi"nin gölgesinde kalan "titreşim teorisi", Luca Turin’in 1996’da Buck ve Axel’in keşfettiği G-protein bağlı reseptörlerin aslında şekilsel bir anahtar-kilit uyumu yerine moleküler titreşimleri ölçerek elektron tünelleme mekanizması kullandığını öne sürmesi ile yeniden gündeme gelmiştir.^[9

Turin’in geliştirdiği bu teoriye göre koku molekülleri, şekilleriyle değil; içerdikleri kimyasal bağlardan kaynaklanan molekül içi titreşimlerin, inelastik elektron tünelleme aracılığıyla reseptörleri aktive etmesiyle algılanmaktadır. Koku reseptörlerindeki elektronlar, koku molekülünün titreşim frekansı reseptördeki enerji farkına denk geldiğinde, bu enerjiyi kullanarak iki enerji seviyesi arasında “tünelleme” adı verilen bir geçiş yapar. Bu geçiş, reseptörü etkinleştirerek koku sinyalinin başlamasına neden olur. ^[6]

Oxford Academic

Bu süreç, klasik bağlanma modellerinden daha karmaşık enerji etkileşimleri içerir. İnelastik elektron tünelleme olarak bilinen bu mekanizmadaki inelastik terimi elektronun tünelleme süreci sırasında enerji kaybettiğini ifade eder. Kuantum tünelleme ise klasik fizikte aşılması mümkün olmayan bir potansiyel bariyerin, elektronun dalga fonksiyonu sayesinde belirli bir olasılıkla geçilebilmesi olayıdır. Koku alma modelinde bu bariyer, reseptörün protein yapısı içinde elektron transferinin gerçekleştiği bölgeler arasındaki potansiyel enerji farkıdır. Turin’in modeline göre, elektronun bu bariyeri geçip geçememesi (ve geçerken hangi titreşim modunu uyardığı), kokunun hangi frekansta algılandığını belirleyen temel fiziksel süreçtir.

testbook

Titreşim teorisini destekleyen örneklerden biri de Turin’in TED konuşmasında bahsettiği, geçmişte erkek parfümlerinde sıkça kullanılan kumarin adlı bileşiktir. Kumarinin kanserojen özellik gösterdiği tespit edildikten sonra insanlar bu kokudan uzak durmaya başlamıştır. Bunun üzerine, Turin ve o dönemde çalıştığı ekip, kumarinle benzer bir kokuya sahip alternatif bir madde bulmaya yönelmiştir. Araştırmaları sonucunda, kumarin ile benzer titreşim frekans spektrumuna sahip olan tonken adlı bileşiği keşfetmişlerdir. İlginç bir şekilde, yapısal olarak oldukça farklı olmalarına rağmen tonken ve kumarin benzer kokulara sahipti. Bu da titreşim teorisinin doğruluğuna yönelik bir kanıt olarak görüldü.^[11]

Koku Algısında Anahtar-Kilit mi Kuantum Tünelleme mi?

Rockefeller Üniversitesinden Leslie Vosshall ve Andreas Keller, 2004 yılında Nature Neuroscience’ta yayımlanan çalışmalarında, bu hipotezi çift kör insan deneyleriyle test etmiş ve titreşim teorisini destekleyecek herhangi bir kanıt bulamamıştır.^[12] Keller, Turin’in öne sürdüğü fakat kendisinin test etmediği deneyleri birebir uygulamış ancak sonuçlar öngörülen farkları göstermemiştir. Vosshall, elde edilen sonuçların titreşim teorisini doğrudan çürütmediğini, ancak hiçbir destekleyici veri de sunmadığını ifade etmiştir. Bu bulgular, koku algısında molekül şeklinin hâlâ belirleyici unsur olduğunu savunan anahtar–kilit modelinin geçerliliğini güçlendirmiştir.

Vosshall ve Keller’in calıșmalarının aksine Londra Üniversitesinden Marshall Stoneham ve ekibi, odotope teorisinin açıklamakta yetersiz kaldığı bazı durumları açıkladığını gösterdiler^[13] Araştırmacılara göre titreşim teorisi; bor bileşiklerinin kükürtlü kokusunu, yapısal olarak çok benzemelerine rağmen tamamen farklı kokan ferrosen ve nikeloseni ve bazı hayvanların döteryumlanmış (hidrojenlerin fazladan 1 nötron içeren döteryum izotopu ile değiştirilmesi) molekülleri ayırt etmesini açıklayabiliyordu.

National Library of Medicine

Sonuç olarak Stoneham ve ekibi, Turin’in modelini kart okutma (İng: "swipe card") modeli olarak adlandırdı: Buna göre reseptörler, koku molekülünün titreşim spektrumunu okur, ancak bu süreç molekülün şekline dayalı seçici bağlanmayı da dışlamaz. Yani iki teori bir arada işleyebilir. Kokunun bilimi hâlâ cevaplanmamış birçok soruyu barındırır; ancak bu tartışmalar, koku algısının yalnızca kimyasal değil, aynı zamanda kuantum düzeyinde de incelenebileceğini göstermektedir. Böylece, koku duyusu hem biyolojinin hem de fiziğin kesiştiği en gizemli alanlardan biri olmayı sürdürmektedir.