Kemičar ima nos

U članku ispod pogledat ćemo problem njuha očima kemičara – uostalom, nos će mu svakodnevno dobro doći u laboratoriju.

1. Inervacija ljudskog nosa - zadebljanje iznad nosne šupljine je olfaktorna lukovica (autor: Wikimedia/Opt1cs).

Možemo dijeliti osjećaje fizički (vid, sluh, dodir) i njihov primarni kemijskitj. okus i miris. Za prve su već stvoreni umjetni analozi (elementi osjetljivi na svjetlost, mikrofoni, senzori dodira), ali drugi se još nisu predali "staklu i oku" znanstvenika. Stvorene su prije više milijardi godina kada su prve stanice počele primati kemijske signale iz okoline.

Miris se na kraju odvojio od okusa, iako se to ne događa u svim organizmima. Životinje i biljke neprestano njuškaju svoju okolinu, a informacije dobivene na ovaj način puno su važnije nego što se na prvi pogled čini. Također za vizualne i slušne učenike, uključujući ljude.

Tajne mirisa

Kada udahnete, struja zraka juri u nos i, prije nego što krene dalje, ulazi u specijalizirano tkivo - olfaktorni epitel veličine nekoliko centimetara.². Ovdje su završeci živčanih stanica koje hvataju mirisne podražaje. Signal primljen od receptora putuje do olfaktorne žarulje u mozgu, a odatle do drugih dijelova mozga (1). Vrh prsta sadrži uzorke mirisa specifične za svaku vrstu. Čovjek ih može prepoznati oko 10, a obučeni profesionalci u industriji parfema mogu prepoznati mnogo više.

Mirisi izazivaju reakcije u tijelu, kako svjesne (primjerice, prepadnete se na loš miris) tako i podsvjesne. Marketinški stručnjaci koriste imenik parfemskih udruga. Njihova je ideja u prednovogodišnjem razdoblju začiniti zrak u trgovinama mirisom božićnih drvca i medenjaka, što kod svih izaziva pozitivne emocije i pojačava želju za kupnjom darova. Slično, miris svježeg kruha u odjeljku s hranom natjerat će vam da vam slina kapne u usta, a vi ćete staviti još u košaricu.

2. Kamfor se često koristi u mastima za zagrijavanje. Tri spoja različite strukture imaju svoj miris.

Ali što uzrokuje da određena tvar izazove ovaj, a ne još jedan olfaktorni osjećaj?

Za mirisni okus ustanovljeno je pet osnovnih okusa: slano, slatko, gorko, kiselo, oun (meso) i isto toliko tipova receptora na jeziku. Kod mirisa se ne zna ni koliko osnovnih okusa postoji, niti postoje li uopće. Struktura molekula svakako određuje miris, ali zašto spojevi slične strukture mirišu potpuno drugačije (2), a potpuno različito - isto (3)?

3. Smjesa s lijeve strane miriše na mošus (sastojak parfema), a s desne - gotovo identične strukture - nema miris.

Zašto većina estera miriše ugodno, a spojevi sumpora neugodno (ova se činjenica vjerojatno može objasniti)? Neki su potpuno neosjetljivi na određene mirise, a statistički žene imaju osjetljiviji nos od muškaraca. To sugerira genetska stanja, t.j. prisutnost specifičnih proteina u receptorima.

U svakom slučaju, više je pitanja nego odgovora, a razvijeno je nekoliko teorija koje objašnjavaju misterije mirisa.

Ključ i brava

Prvi se temelji na provjerenom enzimskom mehanizmu, kada molekula reagensa ulazi u šupljinu molekule enzima (aktivni centar), poput ključa od brave. Dakle, mirišu jer oblik njihovih molekula odgovara šupljinama na površini receptora, a određene skupine atoma vežu se na njegove dijelove (na isti način enzimi vežu reagense).

Ukratko, ovo je teorija mirisa koju je razvio britanski biokemičar. John E. Amurea. Izdvojio je sedam glavnih aroma: kamfor-mošusni, cvjetni, menta, eterični, začinski i truli (ostale su njihove kombinacije). Sličnu strukturu imaju i molekule spojeva sličnog mirisa, na primjer, one sferičnog oblika mirišu na kamfor, a spojevi neugodnog mirisa uključuju sumpor.

Strukturna teorija je bila uspješna – na primjer, objasnila je zašto nakon nekog vremena prestanemo mirisati. To je zbog blokiranja svih receptora od strane molekula koje nose zadani miris (baš kao u slučaju enzima zauzetih viškom supstrata). Međutim, ova teorija nije uvijek mogla uspostaviti vezu između kemijske strukture spoja i njegovog mirisa. Nije bila u stanju predvidjeti miris tvari s dovoljnom vjerojatnošću prije nego što ga je dobila. Također nije uspjela objasniti intenzivan miris malih molekula kao što su amonijak i sumporovodik. Izmjene koje su poduzeli Amur i njegovi nasljednici (uključujući povećanje broja osnovnih okusa) nisu uklonili sve nedostatke strukturalne teorije.

vibrirajuće molekule

Atomi u molekulama neprestano vibriraju, rastežući i savijajući međusobne veze, a kretanje ne prestaje čak ni pri temperaturama apsolutne nule. Molekule apsorbiraju energiju vibracija, koja se uglavnom nalazi u infracrvenom području zračenja. Ova činjenica je korištena u IR spektroskopiji, koja je jedna od glavnih metoda za određivanje strukture molekula – ne postoje dva različita spoja s istim IR spektrom (osim tzv. optičkih izomera).

Kreatori vibracijska teorija mirisa (J. M. Dyson, R. H. Wright) pronađene veze između frekvencije vibracija i percipiranog mirisa. Vibracije rezonancijom uzrokuju vibracije receptorskih molekula u olfaktornom epitelu, što mijenja njihovu strukturu i šalje živčani impuls u mozak. Pretpostavljalo se da postoji dvadesetak vrsta receptora i, prema tome, isto toliko osnovnih aroma.

U 70-ima su se zagovornici obje teorije (vibracijske i strukturalne) žestoko natjecali međusobno.

Vibrionisti su problem mirisa malih molekula objasnili činjenicom da su njihovi spektri slični fragmentima spektra većih molekula koji imaju sličan miris. Međutim, nisu uspjeli objasniti zašto neki optički izomeri s istim spektrom imaju potpuno različite mirise (4).

4. Optički izomeri karvona: sorta S miriše na kumin, sorta R miriše na metvicu.

Strukturalisti su ovu činjenicu lako objasnili – receptori, djelujući poput enzima, prepoznaju čak i tako suptilne razlike između molekula. Vibracijska teorija također nije mogla predvidjeti jačinu mirisa, što su sljedbenici Kupidonove teorije objasnili snagom vezanja nosača mirisa na receptore.

Pokušao je spasiti situaciju L. Torinošto sugerira da olfaktorni epitel djeluje poput skenirajućeg tunelskog mikroskopa (!). Prema Turinu, elektroni teku između dijelova receptora kada se između njih nalazi fragment molekule arome s određenom frekvencijom vibracijskih vibracija. Nastale promjene u strukturi receptora uzrokuju prijenos živčanog impulsa. Međutim, modifikacija Torina mnogim se znanstvenicima čini previše ekstravagantna.

zamke

Misterije mirisa pokušala je razotkriti i molekularna biologija, a ovo otkriće je nekoliko puta nagrađeno Nobelovom nagradom. Ljudski mirisni receptori su obitelj od oko tisuću različitih proteina, a geni odgovorni za njihovu sintezu aktivni su samo u olfaktornom epitelu (tj. tamo gdje je to potrebno). Receptorski proteini sastoje se od spiralno uvijenog lanca aminokiselina. Na slici ubodom, lanac proteina probija staničnu membranu sedam puta, otuda i naziv: transmembranski stanični receptori sa sedam spirala ().

Fragmenti koji strše izvan stanice stvaraju zamku u koju mogu pasti molekule odgovarajuće strukture (5). Specifičan protein tipa G vezan je na mjesto receptora, uronjen unutar stanice. Kada se molekula mirisa uhvati u zamku, G-protein se aktivira i oslobađa, a drugi G-protein je pričvršćen na njegovo mjesto, koji se ponovno aktivira i oslobađa itd. Ciklus se ponavlja sve dok se vezana molekula arome ne oslobodi ili uništi enzimima koji neprestano čiste površinu olfaktornog epitela. Receptor može aktivirati čak nekoliko stotina molekula G-proteina, a tako visok faktor pojačanja signala omogućuje mu da odgovori čak i na količine okusa u tragovima (6). Aktivirani G-protein pokreće ciklus kemijskih reakcija koje dovode do slanja živčanog impulsa.

5. Ovako izgleda receptor mirisa - protein 7TM.

Gornji opis funkcioniranja olfaktornih receptora sličan je onom predstavljenom u strukturnoj teoriji. Budući da dolazi do vezivanja molekula, može se tvrditi da je i teorija vibracija djelomično bila točna. Ovo nije prvi put u povijesti znanosti da ranije teorije nisu bile potpuno pogrešne, već su se jednostavno približile stvarnosti.

6. Ljudski nos kao detektor spojeva u analizi njihovih kromatografski odvojenih smjesa.

Zašto nešto miriše?

Mnogo je više mirisa nego vrsta olfaktornih receptora, što znači da molekule mirisa aktiviraju nekoliko različitih proteina u isto vrijeme. na temelju cjelokupnog niza signala koji dolaze s određenih mjesta u olfaktornoj žarulji. Budući da prirodni mirisi sadrže čak više od stotinu spojeva, može se zamisliti složenost procesa stvaranja njušnog osjeta.

Dobro, ali zašto nešto miriše dobro, nešto odvratno, a nešto nikako?

Pitanje je napola filozofsko, ali djelomično odgovoreno. Mozak je odgovoran za percepciju mirisa, koji kontrolira ponašanje ljudi i životinja, usmjeravajući njihov interes na ugodne mirise i upozoravajući na predmete lošeg mirisa. Nalaze se zamamni mirisi, između ostalog, esteri spomenuti na početku članka oslobađaju zreli plodovi (dakle ih vrijedi jesti), a spojevi sumpora oslobađaju se od raspadajućih ostataka (najbolje ih se kloniti).

Zrak ne miriše jer je pozadina na kojoj se mirisi šire: međutim, količine NH3 ili H u tragovima₂S, a naš njuh će oglasiti alarm. Dakle, percepcija mirisa je signal utjecaja određenog čimbenika. odnos prema vrsti.

Kako mirišu nadolazeći praznici? Odgovor je prikazan na slici (7).

7. Miris Božića: lijevo arome medenjaka (zingerone i gingerol), desno božićna drvca (bornil acetat i dvije vrste pinena).