Chemik ma nosa

W poniższym artykule spojrzymy na problem węchu oczami chemika – w końcu jego nos przyda się na co dzień w jego laboratorium.

1. Unerwienie nosa ludzkiego - zgrubienie nad jamą nosową to opuszka węchowa (autor: Wikimedia/Opt1cs).

Możemy dzielić się uczuciami fizyczny (wzrok, słuch, dotyk) i bardziej pierwotne od nich chemicznyczyli smak i zapach. Dla tych pierwszych stworzono już sztuczne analogi (elementy światłoczułe, mikrofony, czujniki dotykowe), ale te drugie nie poddały się jeszcze „szkłu i oku” naukowców. Powstały miliardy lat temu, kiedy pierwsze komórki zaczęły odbierać sygnały chemiczne ze swojego otoczenia.

Z biegiem czasu zmysł węchu oddzielił się od smaku, chociaż nie występuje to u wszystkich organizmów. Zwierzęta i rośliny nieustannie wąchają swoje otoczenie, a uzyskane w ten sposób informacje są o wiele ważniejsze, niż się wydaje na pierwszy rzut oka. Również dla wzrokowców i słuchowców, w tym ludzi.

Sekrety węchowe

Podczas wdechu strumień powietrza wpada do nosa i zanim przejdzie dalej, przedostaje się do wyspecjalizowanej tkanki – kilkucentymetrowego nabłonka węchowego.². Oto zakończenia komórek nerwowych wykrywających bodźce zapachowe. Sygnał otrzymany z receptorów trafia do opuszki węchowej w mózgu, a stamtąd do pozostałych jego części (1). Na opuszku palca znajdują się próbki zapachów specyficzne dla każdego gatunku. Osoba może rozpoznać około 10 z nich, a przeszkoleni specjaliści od perfum mogą rozpoznać znacznie więcej.

Zapachy powodują reakcje w organizmie, zarówno świadome (na przykład wzdrygasz się przed nieprzyjemnym zapachem), jak i podświadome. Marketerzy korzystają z katalogu stowarzyszeń perfumeryjnych. Ich ideą jest, aby w okresie noworocznym pachnieć w sklepach zapachem choinek i pierników, co u każdego wywołuje pozytywne emocje i zwiększa chęć zakupu prezentów. Podobnie zapach świeżego chleba w sklepie spożywczym sprawi, że ślinka ci się nacieknie i dodasz więcej do koszyka.

2. Kamfora jest często stosowana w maściach rozgrzewających. Trzy związki o różnej budowie mają swój własny zapach.

Co jednak sprawia, że ​​dana substancja wywołuje właśnie to, a nie inne doznanie węchowe?

Dla smaku węchowego ustalono pięć podstawowych smaków: słony, słodki, gorzki, kwaśny, oun (mięsny) i taką samą liczbę typów receptorów na języku. W przypadku zapachu nie wiadomo nawet, ile jest podstawowych aromatów i czy w ogóle istnieją. Budowa cząsteczek z pewnością determinuje zapach, ale dlaczego związki o podobnej budowie pachną zupełnie inaczej (2), a zupełnie niepodobnie – tak samo (3)?

3. Mieszanka po lewej pachnie piżmem (składnik perfum), a po prawej – prawie identyczna w budowie – nie ma zapachu.

Dlaczego większość estrów pachnie przyjemnie, a związki siarki nieprzyjemnie (fakt ten zapewne da się wytłumaczyć)? Niektórzy ludzie są całkowicie niewrażliwi na określone zapachy, a statystycznie kobiety mają bardziej wrażliwe nosy niż mężczyźni. Sugeruje to uwarunkowania genetyczne, tj. obecność specyficznych białek w receptorach.

W każdym razie jest więcej pytań niż odpowiedzi i opracowano kilka teorii wyjaśniających tajemnice zapachu.

Klucz i zamek

Pierwsza opiera się na sprawdzonym mechanizmie enzymatycznym, w którym cząsteczka reagenta wpasowuje się we wnękę cząsteczki enzymu (miejsce aktywne) jak klucz w zamek. Zatem pachną, ponieważ kształt ich cząsteczek odpowiada wnękom na powierzchni receptorów, a pewne grupy atomów wiążą się z ich częściami (w taki sam sposób, w jaki enzymy wiążą reagenty).

Tak w skrócie wygląda teoria zapachu opracowana przez brytyjskiego biochemika. Jonah E. Amurea. Zidentyfikował siedem głównych aromatów: kamforowo-piżmowy, kwiatowy, miętowy, eteryczny, korzenny i zgniły (reszta to ich kombinacje). Cząsteczki związków o podobnym zapachu również mają podobną budowę, np. te o kształcie kulistym pachną kamforą, a związki o nieprzyjemnym zapachu to siarka.

Teoria strukturalna odniosła sukces – wyjaśniła na przykład, dlaczego po pewnym czasie przestajemy postrzegać zapachy. Dzieje się tak na skutek blokowania wszystkich receptorów przez cząsteczki przenoszące dany zapach (tak samo jak w przypadku enzymów zajmowanych przez nadmiar substratów). Jednak teoria ta nie zawsze pozwalała na ustalenie związku między strukturą chemiczną związku a jego zapachem. Nie była w stanie przewidzieć z rozsądnym prawdopodobieństwem zapachu substancji przed jej otrzymaniem. Nie potrafiła także wyjaśnić intensywnego zapachu małych cząsteczek, takich jak amoniak i siarkowodór. Poprawki dokonane przez Kupidyna i jego następców (m.in. zwiększenie liczby smaków bazowych) nie wyeliminowały wszystkich mankamentów teorii strukturalnej.

Wibrujące cząsteczki

Atomy w cząsteczkach nieustannie wibrują, rozciągając i zginając wiązania między sobą, a ruch nie zatrzymuje się nawet w temperaturach zera absolutnego. Cząsteczki pochłaniają energię wibracyjną, która leży głównie w zakresie promieniowania podczerwonego. Fakt ten wykorzystano w spektroskopii IR, która jest jedną z głównych metod określania struktury cząsteczek – nie ma dwóch różnych związków o tym samym widmie IR (poza tzw. izomerami optycznymi).

Twórcy wibracyjna teoria zapachu (J.M. Dyson, R.H. Wright) Stwierdzono powiązania pomiędzy częstotliwością wibracji a odczuwanym zapachem. Wibracje z rezonansem powodują drgania cząsteczek receptorów w nabłonku węchowym, co zmienia ich strukturę i wysyła impuls nerwowy do mózgu. Założono, że istnieje około dwudziestu typów receptorów, a co za tym idzie, taka sama liczba podstawowych aromatów.

W latach 70. zwolennicy obu teorii (wibracyjnej i strukturalnej) ostro ze sobą rywalizowali.

Naukowcy Vibrio wyjaśnili problem zapachu małych cząsteczek faktem, że ich widma są podobne do fragmentów widm większych cząsteczek, które mają podobny zapach. Nie potrafili jednak wyjaśnić, dlaczego niektóre izomery optyczne o tych samych widmach mają zupełnie inne zapachy (4).

4. Optyczne izomery karwonu: klasa S pachnie kminkiem, klasa R pachnie miętą.

Strukturaliści łatwo wyjaśnili ten fakt – receptory, działając jak enzymy, rozpoznają nawet tak subtelne różnice między cząsteczkami. Teoria wibracji nie potrafiła także przewidzieć siły zapachu, co zwolennicy teorii Kupidyna tłumaczyli siłą wiązania nośników zapachu z receptorami.

Próbował ratować sytuację L.Turynco sugeruje, że nabłonek węchowy działa jak skaningowy mikroskop tunelowy (!). Według Turina elektrony przepływają pomiędzy częściami receptora, gdy pomiędzy nimi znajduje się fragment cząsteczki aromatu o określonej częstotliwości wibracyjnej. Powstałe zmiany w strukturze receptora powodują przekazywanie impulsu nerwowego. Jednak modyfikacja Turynu wydaje się wielu naukowcom zbyt ekstrawagancka.

Pułapki

Biologia molekularna również próbowała rozwikłać tajemnice zapachu, a odkrycie to zostało kilkukrotnie nagrodzone Nagrodą Nobla. Ludzkie receptory węchowe to rodzina około tysiąca różnych białek, a geny odpowiedzialne za ich syntezę działają jedynie w nabłonku węchowym (czyli tam, gdzie jest to potrzebne). Białka receptorowe składają się ze spiralnego łańcucha aminokwasów. Na obrazie ściegu sieciującego łańcuch białek siedmiokrotnie przebija błonę komórkową, stąd nazwa: siedmihelikalne receptory komórek transbłonowych ().

Fragmenty wystające na zewnątrz komórki tworzą pułapkę, do której mogą przedostać się cząsteczki o odpowiedniej budowie (5). Do miejsca receptorowego zanurzonego w komórce przyłączane jest specyficzne białko typu G. Kiedy cząsteczka zapachu zostanie wychwycona w pułapce, białko G zostaje aktywowane i uwolnione, a w jego miejsce przyłącza się inne białko G, które zostaje aktywowane i ponownie uwolniony itd. Cykl się powtarza, aż związana cząsteczka aromatu zostanie uwolniona lub zniszczona przez enzymy, które stale oczyszczają powierzchnię nabłonka węchowego. Receptor może aktywować nawet kilkaset cząsteczek białka G, a tak wysoki współczynnik wzmocnienia sygnału pozwala mu reagować nawet na śladowe ilości aromatów (6). Aktywowane białko G rozpoczyna cykl reakcji chemicznych, które prowadzą do wysłania impulsu nerwowego.

5. Tak wygląda receptor zapachu - białko 7TM.

Powyższy opis funkcjonowania receptorów węchowych jest podobny do przedstawionego w teorii strukturalnej. Ponieważ następuje wiązanie cząsteczek, można argumentować, że teoria wibracji również była częściowo poprawna. Nie jest to pierwszy raz w historii nauki, kiedy wcześniejsze teorie nie były całkowicie błędne, ale po prostu bliższe rzeczywistości.

6. Nos ludzki jako detektor związków w analizie ich mieszanin rozdzielonych chromatograficznie.

Dlaczego coś śmierdzi?

Zapachów jest znacznie więcej niż typów receptorów węchowych, co oznacza, że ​​cząsteczki zapachu aktywują jednocześnie kilka różnych białek. w oparciu o całą sekwencję sygnałów pochodzących z określonych miejsc opuszki węchowej. Ponieważ naturalne zapachy zawierają nawet ponad sto związków, można sobie wyobrazić złożoność procesu tworzenia wrażenia węchowego.

No dobrze, ale dlaczego coś pachnie dobrze, coś obrzydliwie, a coś wcale?

Pytanie jest na wpół filozoficzne, ale częściowo można na nie odpowiedzieć. Za percepcję zapachu odpowiada mózg, który kontroluje zachowanie ludzi i zwierząt, kierując ich zainteresowanie na przyjemne zapachy i ostrzegając przed przedmiotami śmierdzącymi. Kuszące zapachy znajdziemy między innymi w wspomnianych na początku artykułu estrach wydzielanych przez dojrzałe owoce (więc warto je jeść), a z rozkładających się szczątków wydzielają się związki siarki (lepiej trzymać się od nich z daleka).

Powietrze nie ma zapachu, ponieważ jest tłem, na którym rozprzestrzeniają się zapachy: natomiast śladowe ilości NH3 lub H₂S, a nasz narząd węchu zabrzmi na alarm. Zatem postrzeganie zapachu jest sygnałem wpływu określonego czynnika. stosunek do gatunku.

Jak pachną nadchodzące wakacje? Odpowiedź pokazuje obrazek (7).

7. Zapach Świąt: po lewej piernikowe smaki (zingerone i gingerol), po prawej choinki (octan bornylu i dwie odmiany pinenu).