Химикът има нос

В статията по-долу ще разгледаме проблема с обонянието през очите на химик - в крайна сметка носът му ще бъде полезен в неговата лаборатория ежедневно.

1. Инервация на човешкия нос – удебеляване над носната кухина е обонятелната луковица (автор: Wikimedia/Opt1cs).

Можем да споделяме чувства физически (зрение, слух, допир) и техните първични химическит.е. вкус и мирис. За първите вече са създадени изкуствени аналози (светлочувствителни елементи, микрофони, сензори за докосване), но вторите все още не са се предали на „стъклото и окото“ на учените. Те са създадени преди милиарди години, когато първите клетки започват да получават химически сигнали от околната среда.

Миризмата в крайна сметка се отделя от вкуса, въпреки че това не се среща при всички организми. Животните и растенията постоянно надушват заобикалящата ги среда и информацията, получена по този начин, е много по-важна, отколкото изглежда на пръв поглед. Също така за зрителни и слухови учащи, включително хора.

Обонятелни тайни

Когато вдишвате, въздушната струя се втурва в носа и, преди да продължи, навлиза в специализирана тъкан - обонятелния епител с размери няколко сантиметра.². Ето окончанията на нервните клетки, които улавят миризми. Сигналът, получен от рецепторите, се придвижва до обонятелната крушка в мозъка, а оттам до други части на мозъка (1). Върхът на пръста съдържа ароматни шарки, специфични за всеки вид. Човек може да разпознае около 10 от тях, а обучените професионалисти в парфюмерийната индустрия могат да разпознаят много повече.

Миризмите предизвикват реакции в тялото, както съзнателни (например се стряскате от лоша миризма), така и подсъзнателни. Маркетолозите използват указателя на парфюмните асоциации. Идеята им е да овкусят въздуха в магазините с уханието на коледни елхи и меденки през предновогодишния период, което предизвиква положителни емоции у всички и засилва желанието за покупка на подаръци. По същия начин миризмата на пресен хляб в пътеката за храна ще накара слюнката ви да капе в устата ви и ще сложите още в кошницата.

2. Камфорът често се използва в затоплящи мехлеми. Три съединения с различни структури имат своя собствена миризма.

Но какво кара дадено вещество да предизвика това, а не друго обонятелно усещане?

За обонятелния вкус са установени пет основни вкуса: солено, сладко, горчиво, кисело, оун (месо) и същия брой типове рецептори на езика. В случай на миризма дори не се знае колко основни аромати съществуват или дали изобщо съществуват. Структурата на молекулите определено определя миризмата, но защо съединения с подобна структура миришат напълно различно (2), а напълно различни - еднакво (3)?

3. Съединението отляво мирише на мускус (парфюмна съставка), а отдясно - почти идентично по структура - няма мирис.

Защо повечето естери миришат приятно, а серните съединения са неприятни (този факт вероятно може да се обясни)? Някои са напълно нечувствителни към определени миризми, а статистически жените имат по-чувствителен нос от мъжете. Това предполага генетични състояния, т.е. наличието на специфични протеини в рецепторите.

Във всеки случай има повече въпроси, отколкото отговори и са разработени няколко теории, за да обяснят мистериите на аромата.

Ключ и ключалка

Първият се основава на доказан ензимен механизъм, когато реагентна молекула навлиза в кухината на ензимната молекула (активен център), като ключ към ключалка. Така те миришат, защото формата на молекулите им съответства на кухините на повърхността на рецепторите, а определени групи атоми се свързват с частите му (по същия начин ензимите свързват реагентите).

Накратко, това е теория за миризмата, разработена от британски биохимик. Джон Е. Амуреа. Той открои седем основни аромата: камфор-мускус, цветен, ментов, ефирен, пикантен и гнил (останалите са комбинации от тях). Молекулите на съединения с подобна миризма също имат подобна структура, например тези със сферична форма миришат на камфор, а съединенията с неприятна миризма включват сяра.

Структурната теория беше успешна - например тя обясни защо спираме да миришем след известно време. Това се дължи на блокирането на всички рецептори от молекули, носещи дадена миризма (точно както в случая на ензими, заети от излишък от субстрати). Тази теория обаче не винаги успява да установи връзка между химическата структура на съединението и неговата миризма. Тя не успя да предскаже миризмата на веществото с достатъчна вероятност, преди да го получи. Тя също не успя да обясни силната миризма на малки молекули като амоняк и сероводород. Измененията, направени от Амур и неговите наследници (включително увеличаване на броя на базовите аромати), не премахнаха всички недостатъци на структурната теория.

вибриращи молекули

Атомите в молекулите постоянно вибрират, разтягат и огъват връзките помежду си и движението не спира дори при абсолютна нулева температура. Молекулите поглъщат вибрационната енергия, която се намира главно в инфрачервения диапазон на излъчване. Този факт е използван в IR спектроскопията, която е един от основните методи за определяне на структурата на молекулите – няма две различни съединения с еднакъв IR спектър (с изключение на т.нар. оптични изомери).

Създатели вибрационна теория на миризмата (J. M. Dyson, R. H. Wright) открили връзки между честотата на вибрациите и възприеманата миризма. Вибрациите чрез резонанс предизвикват вибрации на рецепторни молекули в обонятелния епител, което променя структурата им и изпраща нервен импулс към мозъка. Предполага се, че има около двадесет вида рецептори и следователно същият брой основни аромати.

През 70-те години привържениците на двете теории (вибрационна и структурна) се състезаваха ожесточено помежду си.

Вибрионистите обясниха проблема с миризмата на малки молекули с факта, че техните спектри са подобни на фрагменти от спектрите на по-големите молекули, които имат подобна миризма. Те обаче не успяха да обяснят защо някои оптични изомери със същите спектри имат напълно различни миризми (4).

4. Оптични изомери на карвона: клас S мирише на кимион, клас R мирише на мента.

Структуралистите лесно обясниха този факт – рецепторите, действащи като ензими, разпознават дори толкова фини разлики между молекулите. Вибрационната теория също не може да предскаже силата на миризмата, която последователите на теорията на Купидон обясняват със силата на свързване на носителите на миризмата с рецепторите.

Той се опита да спаси положението Л. Торинокоето предполага, че обонятелният епител действа като сканиращ тунелен микроскоп (!). Според Турин, електроните протичат между части от рецептора, когато между тях има фрагмент от ароматна молекула с определена честота на вибрационни вибрации. Получените промени в структурата на рецептора предизвикват предаването на нервния импулс. Въпреки това модификацията на Торино изглежда на много учени твърде екстравагантна.

капани

Молекулярната биология също се е опитала да разгадае мистериите на миризмите и това откритие е награждавано няколко пъти с Нобелова награда. Рецепторите за човешки миризми са семейство от около хиляда различни протеини и гените, отговорни за техния синтез, са активни само в обонятелния епител (т.е. там, където е необходимо). Рецепторните протеини се състоят от спирално усукана верига от аминокиселини. В изображението с шев, верига от протеини пробива клетъчната мембрана седем пъти, откъдето идва и името: трансмембранни клетъчни рецептори със седем спирали †

Фрагменти, стърчащи извън клетката, създават капан, в който могат да попаднат молекули със съответната структура (5). Специфичен протеин от G-тип е прикрепен към мястото на рецептора, потопен вътре в клетката.Когато молекулата на миризмата бъде уловена в капана, G-протеинът се активира и освобождава, а на негово място се прикрепя друг G-протеин, който се активира и освобождава отново и т.н. Цикълът се повтаря, докато свързаната ароматна молекула се освободи или унищожи от ензими, които постоянно почистват повърхността на обонятелния епител. Рецепторът може да активира дори няколкостотин G-протеинови молекули и толкова висок фактор на усилване на сигнала му позволява да реагира дори на следи от аромати (6). Активираният G-протеин стартира цикъл от химични реакции, които водят до изпращане на нервен импулс.

5. Ето как изглежда рецепторът на миризмата – протеин 7TM.

Горното описание на функционирането на обонятелните рецептори е подобно на представеното в структурната теория. Тъй като се случва свързването на молекулите, може да се твърди, че теорията на вибрациите също е отчасти вярна. Това не е първият път в историята на науката, че по-ранните теории не са били напълно погрешни, а просто се доближават до реалността.

6. Човешки нос като детектор на съединения при анализа на техните хроматографски разделени смеси.

Защо нещо мирише?

Има много повече миризми, отколкото има видове обонятелни рецептори, което означава, че молекулите на миризмата активират няколко различни протеина едновременно. въз основа на цялата последователност от сигнали, идващи от определени места в обонятелната луковица. Тъй като естествените аромати съдържат дори повече от сто съединения, можете да си представите сложността на процеса на създаване на обонятелно усещане.

Добре, но защо нещо мирише добре, нещо отвратително, а нещо изобщо не?

Въпросът е наполовина философски, но частично отговорен. Мозъкът е отговорен за възприемането на миризмата, което контролира поведението на хората и животните, насочвайки интереса им към приятните миризми и предупреждавайки за лошо миришещи предмети. Откриват се примамливи миризми, наред с други неща, естерите, споменати в началото на статията, се отделят от узрели плодове (следователно си струва да се ядат), а серните съединения се освобождават от разлагащите се остатъци (най-добре е да стоите далеч от тях).

Въздухът не мирише, защото той е фонът, на който се разпространяват миризмите: обаче следи от NH3 или H₂S, и обонянието ни ще алармира. По този начин възприемането на миризмата е сигнал за въздействието на определен фактор. отношение към видовете.

На какво ухаят предстоящите празници? Отговорът е показан на снимката (7).

7. Миризмата на Коледа: отляво, аромати на джинджифил (зингерон и гингерол), отдясно, коледни елхи (борнил ацетат и две разновидности на пинен).