Hemičar ima nos

U članku ispod pogledat ćemo problem mirisa kroz oči hemičara - uostalom, njegov će nos svakodnevno dobro doći u njegovoj laboratoriji.

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

Možemo da delimo osećanja fizički (vid, sluh, dodir) i njihov primarni hemijskiodnosno ukus i miris. Za prve su već stvoreni umjetni analozi (elementi osjetljivi na svjetlost, mikrofoni, senzori na dodir), ali drugi se još nisu predali „staklu i oku“ naučnika. Stvorene su prije više milijardi godina kada su prve ćelije počele primati hemijske signale iz okoline.

Miris se na kraju odvojio od ukusa, iako se to ne javlja kod svih organizama. Životinje i biljke neprestano njuše svoje okruženje, a informacije dobijene na ovaj način mnogo su važnije nego što se na prvi pogled čini. Također za vizualne i slušne učenike, uključujući ljude.

Olfactory Secrets

Kada udišete, struja zraka juri u nos i, prije nego što krene dalje, ulazi u specijalizirano tkivo - olfaktorni epitel veličine nekoliko centimetara.². Evo završetaka nervnih ćelija koje hvataju mirisne podražaje. Signal primljen od receptora putuje do olfaktorne lukovice 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 (na primjer, prepadnete se na loš miris) tako i podsvjesne. Marketinški stručnjaci koriste katalog parfemskih udruženja. Njihova ideja je da u prednovogodišnjem periodu vazduh u prodavnicama začine mirisom jelki i medenjaka, što kod svih izaziva pozitivne emocije i pojačava želju za kupovinom poklona. Slično, miris svježeg hljeba u prolazu s hranom učinit će da vam pljuvačka kapne u usta, a vi ćete staviti još u korpu.

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

Ali šta uzrokuje da određena supstanca izazove ovaj, a ne neki drugi, mirisni osjećaj?

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

3. Jedinjenje lijevo miriše na mošus (parfemski sastojak), a desno - gotovo identične strukture - nema miris.

Zašto većina estera miriše prijatno, a jedinjenja sumpora neprijatna (ova činjenica se verovatno može objasniti)? Neki su potpuno neosjetljivi na određene mirise, a statistički žene imaju osjetljiviji nos od muškaraca. Ovo ukazuje na genetska stanja, tj. prisustvo specifičnih proteina u receptorima.

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

Ključ i brava

Prvi se zasniva na dokazanom enzimskom mehanizmu, kada molekul reagensa ulazi u šupljinu molekula enzima (aktivno mjesto), poput ključa od brave. Dakle, oni mirišu jer oblik njihovih molekula odgovara šupljinama na površini receptora, a određene grupe atoma se vezuju za njegove dijelove (na isti način enzimi vezuju reagense).

Ukratko, ovo je teorija mirisa koju je razvio britanski biohemičar. 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, oni sa sfernim oblikom mirišu na kamfor, a spojevi s neugodnim mirisom uključuju sumpor.

Teorija konstrukcija je bila uspješna – na primjer, objasnila je zašto nakon nekog vremena prestanemo mirisati. To je zbog blokiranja svih receptora od strane molekula koji nose određeni 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 da predvidi miris supstance sa dovoljnom verovatnoćom pre nego što ga je dobila. Takođe nije uspela da objasni intenzivan miris malih molekula kao što su amonijak i vodonik sulfid. Izmjene koje su napravili Amur i njegovi nasljednici (uključujući povećanje broja osnovnih okusa) nisu eliminirali sve nedostatke teorije strukture.

vibrirajućih molekula

Atomi u molekulima neprestano vibriraju, rastežući i savijajući veze među sobom, a kretanje ne prestaje čak ni na temperaturama od apsolutne nule. Molekuli apsorbuju energiju vibracija, koja se uglavnom nalazi u infracrvenom opsegu zračenja. Ova činjenica je korišćena u IC spektroskopiji, koja je jedna od glavnih metoda za određivanje strukture molekula - ne postoje dva različita jedinjenja sa 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 nervni impuls u mozak. Pretpostavljalo se da postoji dvadesetak tipova receptora i, prema tome, isto toliko osnovnih aroma.

Sedamdesetih godina, zagovornici obje teorije (vibracijske i strukturalne) žestoko su se takmičili jedni s drugima.

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

4. Optički izomeri karvona: stepen S miriše na kumin, stepen R miriše na mentu.

Strukturalisti su ovu činjenicu lako objasnili - receptori, djelujući poput enzima, prepoznaju čak i tako suptilne razlike između molekula. Vibraciona teorija takođe nije mogla predvideti jačinu mirisa, što su sledbenici Kupidonove teorije objasnili snagom vezivanja nosača mirisa za receptore.

Pokušao je da spasi situaciju L. Torinošto sugerira da olfaktorni epitel djeluje kao skenirajući tunelski mikroskop (!). 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 nervnog impulsa. Međutim, modifikacija Torina mnogim se naučnicima čini previše ekstravagantna.

Lovci

Molekularna biologija je također pokušala razotkriti misterije mirisa, a ovo otkriće je nekoliko puta nagrađivano Nobelovom nagradom. Ljudski mirisni receptori su porodica od oko hiljadu različitih proteina, a geni odgovorni za njihovu sintezu aktivni su samo u olfaktornom epitelu (tj. tamo gdje je to potrebno). Receptorski proteini se sastoje od spiralnog lanca aminokiselina. Na slici ubodom, lanac proteina probija staničnu membranu sedam puta, otuda i naziv: transmembranskih ćelijskih receptora sa sedam heliksa ().

Fragmenti koji strše izvan ćelije stvaraju zamku u koju mogu pasti molekuli odgovarajuće strukture (5). Specifičan protein G-tipa je vezan za mjesto receptora, uronjen unutar ćelije.Kada se molekul mirisa uhvati u zamku, G-protein se aktivira i oslobađa, a drugi G-protein se vezuje na njegovo mjesto, koji se aktivira i ponovo 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 omogućava mu da odgovori čak i na količine okusa u tragovima (6). Aktivirani G-protein pokreće ciklus hemijskih reakcija koje dovode do slanja nervnog impulsa.

5. Ovako izgleda receptor mirisa - protein 7TM.

Gornji opis funkcionisanja olfaktornih receptora sličan je onom predstavljenom u strukturnoj teoriji. Budući da dolazi do vezivanja molekula, može se tvrditi da je teorija vibracije također bila dijelom tačna. Ovo nije prvi put u istoriji nauke da ranije teorije nisu bile potpuno pogrešne, već su se jednostavno približile stvarnosti.

6. Ljudski nos kao detektor jedinjenja u analizi njihovih hromatografski izdvojenih smeša.

Zašto nešto miriše?

Postoji mnogo više mirisa nego tipova olfaktornih receptora, što znači da molekuli mirisa aktiviraju nekoliko različitih proteina u isto vrijeme. na osnovu čitavog niza signala koji dolaze sa određenih mjesta u olfaktornoj sijalici. Budući da prirodni mirisi sadrže čak više od stotinu spojeva, može se zamisliti složenost procesa stvaranja mirisne senzacije.

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

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

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

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

7. Miris Božića: lijevo, okusi medenjaka (zingerone i gingerol), desno jelke (bornil acetat i dvije vrste pinena).