Chimistul are nas

În articolul de mai jos, vom analiza problema mirosului prin ochii unui chimist - la urma urmei, nasul îi va veni la îndemână în laboratorul său în fiecare zi.

1. Inervația nasului uman - o îngroșare deasupra cavității nazale este bulbul olfactiv (autor: Wikimedia/Opt1cs).

Putem împărtăși sentimente fizic (văzul, auzul, atingerea) și principalele lor chimicadică gust și miros. Pentru primii, au fost deja creați analogi artificiali (elemente sensibile la lumină, microfoane, senzori tactili), dar cei din urmă nu s-au predat încă „ochiului și sticlei” oamenilor de știință. Au fost create cu miliarde de ani în urmă, când primele celule au început să primească semnale chimice din mediu.

Mirosul s-a separat în cele din urmă de gust, deși acest lucru nu se întâmplă în toate organismele. Animalele și plantele adulmecă în mod constant împrejurimile lor, iar informațiile obținute în acest fel sunt mult mai importante decât pare la prima vedere. De asemenea, pentru studenții vizuali și auditivi, inclusiv pentru oameni.

Secrete olfactive

Când inhalați, fluxul de aer se năpustește în nas și, înainte de a merge mai departe, intră într-un țesut specializat - epiteliul olfactiv de câțiva centimetri.². Iată terminațiile celulelor nervoase care captează stimulii de miros. Semnalul primit de la receptori călătorește către bulbul olfactiv din creier și de acolo către alte părți ale creierului (1). Vârful degetului conține modele de miros specifice fiecărei specii. Un om poate recunoaște aproximativ 10 dintre ele, iar profesioniștii pregătiți din industria parfumurilor pot recunoaște multe mai multe.

Mirosurile provoacă reacții în organism, atât conștiente (de exemplu, tresăriți la un miros urât), cât și subconștient. Marketerii folosesc catalogul asociațiilor de parfumuri. Ideea lor este de a aroma aerul din magazine cu parfum de brazi de Crăciun și turtă dulce în perioada pre-Anul Nou, ceea ce provoacă emoții pozitive în toată lumea și crește dorința de a cumpăra cadouri. În mod similar, mirosul de pâine proaspătă din secțiunea de mâncare va face ca saliva să îți picure în gură și vei pune mai mult în coș.

2. Camforul este adesea folosit în unguente de încălzire. Trei compuși cu structuri diferite au propriul lor miros.

Dar ce face ca o anumită substanță să provoace această senzație olfactivă și nu o altă senzație olfactiva?

Pentru gustul olfactiv s-au stabilit cinci gusturi de bază: sărat, dulce, amar, acru, oun (carne) și tot atâtea tipuri de receptori pe limbă. În cazul mirosului, nici măcar nu se știe câte arome de bază există, sau dacă există deloc. Structura moleculelor determină cu siguranță mirosul, dar de ce compușii cu o structură similară miros complet diferit (2) și complet diferit - la fel (3)?

3. Compusul din stânga miroase a mosc (ingredient de parfum), iar din dreapta - aproape identic ca structură - nu are miros.

De ce majoritatea esterilor miros plăcut, dar compușii de sulf neplăcut (acest fapt poate fi probabil explicat)? Unele sunt complet insensibile la anumite mirosuri, iar statistic femeile au un nas mai sensibil decât bărbații. Acest lucru sugerează condiții genetice, de ex. prezenţa unor proteine ​​specifice în receptori.

În orice caz, există mai multe întrebări decât răspunsuri și au fost dezvoltate mai multe teorii pentru a explica misterele parfumului.

Cheie și încuietoare

Primul se bazează pe un mecanism enzimatic dovedit, atunci când molecula de reactiv intră în cavitatea moleculei de enzimă (situul activ), ca o cheie a unui lacăt. Astfel, ei miros deoarece forma moleculelor lor corespunde cavităților de pe suprafața receptorilor, iar anumite grupuri de atomi se leagă de părțile sale (în același mod enzimele leagă reactivii).

Pe scurt, aceasta este o teorie a mirosului dezvoltată de un biochimist britanic. Ioan E. Amurea. El a evidențiat șapte arome principale: camfor-mosc, floral, mentă, eteric, picant și putred (restul sunt combinații ale acestora). Moleculele de compuși cu un miros similar au, de asemenea, o structură similară, de exemplu, cele cu o formă sferică miros ca camfor, iar compușii cu un miros neplăcut includ sulful.

Teoria structurală a avut succes - de exemplu, a explicat de ce nu mai mirosim după un timp. Aceasta se datorează blocării tuturor receptorilor de către molecule purtătoare de un miros dat (la fel ca în cazul enzimelor ocupate de un exces de substraturi). Cu toate acestea, această teorie nu a fost întotdeauna capabilă să stabilească o legătură între structura chimică a unui compus și mirosul acestuia. Ea nu a putut prezice mirosul substanței cu o probabilitate suficientă înainte de a o obține. De asemenea, ea nu a reușit să explice mirosul intens al moleculelor mici, cum ar fi amoniacul și hidrogenul sulfurat. Modificările făcute de Amur și de succesorii săi (inclusiv o creștere a numărului de arome de bază) nu au eliminat toate deficiențele teoriei structurale.

molecule vibrante

Atomii din molecule vibrează constant, întinzând și îndoind legăturile dintre ei, iar mișcarea nu se oprește nici măcar la temperaturi zero absolut. Moleculele absorb energia vibrațională, care se află în principal în domeniul infraroșu al radiațiilor. Acest fapt a fost folosit în spectroscopia IR, care este una dintre principalele metode de determinare a structurii moleculelor - nu există doi compuși diferiți cu același spectru IR (cu excepția așa-numiților izomeri optici).

Creatori teoria vibrațională a mirosului (J. M. Dyson, R. H. Wright) au găsit legături între frecvența vibrațiilor și mirosul perceput. Vibrațiile prin rezonanță provoacă vibrații ale moleculelor receptorului din epiteliul olfactiv, care le modifică structura și trimite un impuls nervos către creier. Se presupunea că există aproximativ douăzeci de tipuri de receptori și, prin urmare, același număr de arome de bază.

În anii 70, susținătorii ambelor teorii (vibraționale și structurale) au concurat aprig între ei.

Vibrioniștii au explicat problema mirosului moleculelor mici prin faptul că spectrele lor sunt similare cu fragmentele din spectrele moleculelor mai mari care au un miros similar. Cu toate acestea, ei nu au putut explica de ce unii izomeri optici cu aceleași spectre au mirosuri complet diferite (4).

4. Izomeri optici ai carvonei: gradul S miroase a chimen, gradul R miroase a mentă.

Structuraliștii nu au nicio dificultate în a explica acest fapt - receptorii, acționând ca enzimele, recunosc chiar și diferențe atât de subtile între molecule. De asemenea, teoria vibrațională nu a putut prezice puterea mirosului, pe care adepții teoriei lui Cupidon au explicat-o prin puterea legării purtătorilor de miros de receptori.

A încercat să salveze situația L. Torinosugerând că epiteliul olfactiv acționează ca un microscop tunel de scanare (!). Potrivit lui Torino, electronii circulă între părți ale receptorului atunci când există un fragment al unei molecule de aromă între ele cu o anumită frecvență a vibrațiilor vibraționale. Modificările rezultate în structura receptorului determină transmiterea impulsului nervos. Cu toate acestea, modificarea orașului Torino pare multor oameni de știință prea extravagantă.

capcane

Biologia moleculară a încercat, de asemenea, să dezlege misterele mirosurilor, iar această descoperire a fost distinsă de mai multe ori cu Premiul Nobel. Receptorii umani de miros sunt o familie de aproximativ o mie de proteine ​​diferite, iar genele responsabile de sinteza lor sunt active numai în epiteliul olfactiv (adică acolo unde este necesar). Proteinele receptorilor constau dintr-un lanț elicoidal de aminoacizi. În imaginea cusăturii, un lanț de proteine ​​străpunge membrana celulară de șapte ori, de unde și numele: receptori celulari transmembranari cu șapte helix ,

Fragmentele care ies în afara celulei creează o capcană în care pot cădea moleculele cu structura corespunzătoare (5). O proteină specifică de tip G este atașată la locul receptorului, scufundată în interiorul celulei. Când molecula de miros este capturată în capcană, proteina G este activată și eliberată, iar o altă proteină G este atașată în locul ei, care este activat și eliberat din nou etc. Ciclul se repetă până când molecula de aromă legată este eliberată sau descompusă de enzime care curăță constant suprafața epiteliului olfactiv. Receptorul poate activa chiar și câteva sute de molecule de proteină G, iar un factor atât de mare de amplificare a semnalului îi permite să răspundă chiar și la urme de arome (6). Proteina G activată începe un ciclu de reacții chimice care duc la trimiterea unui impuls nervos.

5. Așa arată receptorul de miros - proteina 7TM.

Descrierea de mai sus a funcționării receptorilor olfactivi este similară cu cea prezentată în teoria structurală. Deoarece are loc legarea moleculelor, se poate argumenta că teoria vibrațională a fost, de asemenea, parțial corectă. Nu este prima dată în istoria științei când teoriile anterioare nu erau complet greșite, ci pur și simplu abordau realitatea.

6. Nasul uman ca detector de compuși în analiza amestecurilor lor separate cromatografic.

De ce miroase ceva?

Există mult mai multe mirosuri decât tipuri de receptori olfactivi, ceea ce înseamnă că moleculele de miros activează mai multe proteine ​​diferite în același timp. pe baza întregii secvenţe de semnale venite din anumite locuri din bulbul olfactiv. Deoarece parfumurile naturale conțin chiar mai mult de o sută de compuși, ne putem imagina complexitatea procesului de creare a unei senzații olfactive.

Bine, dar de ce ceva miroase bine, ceva dezgustător și ceva deloc?

Întrebarea este pe jumătate filozofică, dar parțial răspunsă. Creierul este responsabil de percepția mirosului, care controlează comportamentul oamenilor și animalelor, îndreptându-le interesul către mirosuri plăcute și avertizând împotriva obiectelor urât mirositoare. Se găsesc mirosuri ademenitoare, printre altele, esterii menționați la începutul articolului sunt eliberați de fructele coapte (de aceea merită consumate), iar compușii sulfuri sunt eliberați din reziduurile în descompunere (cel mai bine să stați departe de ei).

Aerul nu miroase deoarece este fundalul pe care se răspândesc mirosurile: totuși, urme de NH3 sau H₂S, iar simțul nostru olfactiv va suna alarma. Astfel, percepția mirosului este un semnal al impactului unui anumit factor. raport cu speciile.

Ce miros au sărbătorile viitoare? Răspunsul este prezentat în imaginea (7).

7. Mirosul de Crăciun: în stânga, arome de turtă dulce (zingeron și gingerol), în dreapta, brazi de Crăciun (acetat de bornil și două soiuri de pinen).