Ο χημικός έχει μύτη

Στο παρακάτω άρθρο, θα δούμε το πρόβλημα της όσφρησης μέσα από τα μάτια ενός χημικού - άλλωστε η μύτη του θα είναι χρήσιμη στο εργαστήριό του σε καθημερινή βάση.

1. Νεύρωση της ανθρώπινης μύτης - μια πάχυνση πάνω από τη ρινική κοιλότητα είναι ο οσφρητικός βολβός (συγγραφέας: Wikimedia/Opt1cs).

Μπορούμε να μοιραστούμε συναισθήματα φυσικός (όραση, ακοή, αφή) και τα κύρια τους χημική ουσίαδηλαδή γεύση και οσμή. Για τα πρώτα έχουν ήδη δημιουργηθεί τεχνητά ανάλογα (φωτοευαίσθητα στοιχεία, μικρόφωνα, αισθητήρες αφής), αλλά τα δεύτερα δεν έχουν παραδοθεί ακόμη στο «γυαλί και το μάτι» των επιστημόνων. Δημιουργήθηκαν πριν από δισεκατομμύρια χρόνια, όταν τα πρώτα κύτταρα άρχισαν να λαμβάνουν χημικά σήματα από το περιβάλλον.

Η μυρωδιά τελικά διαχωρίζεται από τη γεύση, αν και αυτό δεν συμβαίνει σε όλους τους οργανισμούς. Τα ζώα και τα φυτά μυρίζουν συνεχώς το περιβάλλον τους και οι πληροφορίες που λαμβάνονται με αυτόν τον τρόπο είναι πολύ πιο σημαντικές από ό,τι φαίνεται με την πρώτη ματιά. Επίσης για οπτικούς και ακουστικούς μαθητές, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων.

Οσφρητικά μυστικά

Όταν εισπνέετε, το ρεύμα αέρα εισέρχεται ορμητικά στη μύτη και, πριν προχωρήσετε, εισέρχεται σε έναν εξειδικευμένο ιστό - το οσφρητικό επιθήλιο σε μέγεθος πολλών εκατοστών.². Εδώ είναι οι απολήξεις των νευρικών κυττάρων που αιχμαλωτίζουν τα ερεθίσματα οσμής. Το σήμα που λαμβάνεται από τους υποδοχείς ταξιδεύει στον οσφρητικό βολβό στον εγκέφαλο και από εκεί σε άλλα μέρη του εγκεφάλου (1). Η άκρη του δακτύλου περιέχει σχέδια αρωμάτων ειδικά για κάθε είδος. Ένας άνθρωπος μπορεί να αναγνωρίσει περίπου 10 από αυτά και οι εκπαιδευμένοι επαγγελματίες στη βιομηχανία αρωμάτων μπορούν να αναγνωρίσουν πολλά περισσότερα.

Οι μυρωδιές προκαλούν αντιδράσεις στο σώμα, τόσο συνειδητές (για παράδειγμα, τρομάζετε με μια άσχημη μυρωδιά) όσο και υποσυνείδητα. Οι έμποροι χρησιμοποιούν τον κατάλογο των ενώσεων αρωμάτων. Η ιδέα τους είναι να αρωματίσουν τον αέρα των καταστημάτων με το άρωμα των χριστουγεννιάτικων δέντρων και μελόψωμο κατά την περίοδο πριν την Πρωτοχρονιά, που προκαλεί θετικά συναισθήματα σε όλους και αυξάνει την επιθυμία για αγορά δώρων. Ομοίως, η μυρωδιά του φρέσκου ψωμιού στο τμήμα των τροφίμων θα κάνει το σάλιο σας να στάξει στο στόμα σας και θα βάλετε κι άλλο στο καλάθι.

2. Η καμφορά χρησιμοποιείται συχνά σε θερμαντικές αλοιφές. Τρεις ενώσεις με διαφορετικές δομές έχουν τη δική τους μυρωδιά.

Αλλά τι προκαλεί μια δεδομένη ουσία να προκαλεί αυτή, και όχι μια άλλη, οσφρητική αίσθηση;

Για την οσφρητική γεύση έχουν καθιερωθεί πέντε βασικές γεύσεις: αλμυρή, γλυκιά, πικρή, ξινή, ουν (κρέας) και ισάριθμοι τύποι υποδοχέων στη γλώσσα. Στην περίπτωση της μυρωδιάς, δεν είναι καν γνωστό πόσα βασικά αρώματα υπάρχουν, ή αν υπάρχουν καθόλου. Η δομή των μορίων σίγουρα καθορίζει τη μυρωδιά, αλλά γιατί οι ενώσεις με παρόμοια δομή μυρίζουν εντελώς διαφορετικά (2) και εντελώς ανόμοια - το ίδιο (3);

3. Η ένωση στα αριστερά μυρίζει σαν μόσχος (συστατικό αρώματος), και στα δεξιά - σχεδόν πανομοιότυπη στη δομή - δεν έχει καμία μυρωδιά.

Γιατί οι περισσότεροι εστέρες μυρίζουν ευχάριστα, αλλά οι θειούχες ενώσεις δυσάρεστες (αυτό το γεγονός μπορεί πιθανώς να εξηγηθεί); Μερικοί είναι εντελώς αναίσθητοι σε ορισμένες μυρωδιές, και στατιστικά οι γυναίκες έχουν πιο ευαίσθητη μύτη από τους άνδρες. Αυτό υποδηλώνει γενετικές καταστάσεις, π.χ. την παρουσία ειδικών πρωτεϊνών στους υποδοχείς.

Σε κάθε περίπτωση, υπάρχουν περισσότερες ερωτήσεις παρά απαντήσεις και έχουν αναπτυχθεί αρκετές θεωρίες για να εξηγήσουν τα μυστήρια του αρώματος.

Κλειδί και κλειδαριά

Η πρώτη βασίζεται σε έναν αποδεδειγμένο ενζυματικό μηχανισμό, όταν το μόριο του αντιδραστηρίου εισέρχεται στην κοιλότητα του μορίου του ενζύμου (ενεργό σημείο), σαν ένα κλειδί σε μια κλειδαριά. Έτσι, μυρίζουν επειδή το σχήμα των μορίων τους αντιστοιχεί στις κοιλότητες στην επιφάνεια των υποδοχέων και ορισμένες ομάδες ατόμων συνδέονται με τα μέρη του (με τον ίδιο τρόπο που τα ένζυμα δεσμεύουν τα αντιδραστήρια).

Εν ολίγοις, αυτή είναι μια θεωρία της όσφρησης που αναπτύχθηκε από έναν Βρετανό βιοχημικό. John E. Amurea. Ξεχώρισε επτά βασικά αρώματα: καμφορά-μοσχό, λουλουδάτο, μέντα, αιθέριο, πικάντικο και σάπιο (τα υπόλοιπα είναι συνδυασμοί τους). Τα μόρια ενώσεων με παρόμοια οσμή έχουν επίσης παρόμοια δομή, για παράδειγμα, εκείνα με σφαιρικό σχήμα μυρίζουν σαν καμφορά και ενώσεις με δυσάρεστη οσμή περιλαμβάνουν θείο.

Η δομική θεωρία ήταν επιτυχής - για παράδειγμα, εξήγησε γιατί σταματάμε να μυρίζουμε μετά από λίγο. Αυτό οφείλεται στον αποκλεισμό όλων των υποδοχέων από μόρια που φέρουν μια δεδομένη οσμή (όπως ακριβώς στην περίπτωση των ενζύμων που καταλαμβάνονται από περίσσεια υποστρωμάτων). Ωστόσο, αυτή η θεωρία δεν ήταν πάντα σε θέση να δημιουργήσει μια σύνδεση μεταξύ της χημικής δομής μιας ένωσης και της μυρωδιάς της. Δεν ήταν σε θέση να προβλέψει τη μυρωδιά της ουσίας με επαρκή πιθανότητα πριν την αποκτήσει. Δεν κατάφερε επίσης να εξηγήσει την έντονη μυρωδιά μικρών μορίων όπως η αμμωνία και το υδρόθειο. Οι τροποποιήσεις που έγιναν από τον Amur και τους διαδόχους του (συμπεριλαμβανομένης της αύξησης του αριθμού των βασικών γεύσεων) δεν εξάλειψαν όλες τις αδυναμίες της δομικής θεωρίας.

δονούμενα μόρια

Τα άτομα στα μόρια δονούνται συνεχώς, τεντώνοντας και λυγίζοντας τους δεσμούς μεταξύ τους και η κίνηση δεν σταματά ούτε σε απόλυτες θερμοκρασίες μηδέν. Τα μόρια απορροφούν τη δονητική ενέργεια, η οποία βρίσκεται κυρίως στο εύρος της υπέρυθρης ακτινοβολίας. Αυτό το γεγονός χρησιμοποιήθηκε στη φασματοσκοπία IR, η οποία είναι μία από τις κύριες μεθόδους για τον προσδιορισμό της δομής των μορίων - δεν υπάρχουν δύο διαφορετικές ενώσεις με το ίδιο φάσμα IR (εκτός από τα λεγόμενα οπτικά ισομερή).

Δημιουργοί δονητική θεωρία της όσφρησης (J. M. Dyson, R. H. Wright) βρήκε συνδέσμους μεταξύ της συχνότητας των δονήσεων και της αντιληπτής μυρωδιάς. Οι δονήσεις μέσω συντονισμού προκαλούν δονήσεις των μορίων των υποδοχέων στο οσφρητικό επιθήλιο, το οποίο αλλάζει τη δομή τους και στέλνει μια νευρική ώθηση στον εγκέφαλο. Θεωρήθηκε ότι υπήρχαν περίπου είκοσι τύποι υποδοχέων και, επομένως, ο ίδιος αριθμός βασικών αρωμάτων.

Στη δεκαετία του '70, οι υποστηρικτές και των δύο θεωριών (δοντικής και δομικής) ανταγωνίζονταν σκληρά μεταξύ τους.

Οι δονητές εξήγησαν το πρόβλημα της μυρωδιάς των μικρών μορίων από το γεγονός ότι τα φάσματα τους είναι παρόμοια με θραύσματα των φασμάτων μεγαλύτερων μορίων που έχουν παρόμοια οσμή. Ωστόσο, δεν ήταν σε θέση να εξηγήσουν γιατί ορισμένα οπτικά ισομερή με τα ίδια φάσματα έχουν εντελώς διαφορετικές οσμές (4).

4. Οπτικά ισομερή της καρβόνης: ο βαθμός S μυρίζει κύμινο, ο βαθμός R μυρίζει σαν μέντα.

Οι στρουκτουραλιστές δεν δυσκολεύονται να εξηγήσουν αυτό το γεγονός - οι υποδοχείς, που δρουν σαν ένζυμα, αναγνωρίζουν ακόμη και τέτοιες λεπτές διαφορές μεταξύ των μορίων. Η θεωρία της δόνησης επίσης δεν μπορούσε να προβλέψει τη δύναμη της μυρωδιάς, την οποία οι οπαδοί της θεωρίας του Έρως εξήγησαν με τη δύναμη της δέσμευσης των φορέων οσμών στους υποδοχείς.

Προσπάθησε να σώσει την κατάσταση Λ. Τορίνουποδηλώνοντας ότι το οσφρητικό επιθήλιο λειτουργεί σαν ένα μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας (!). Σύμφωνα με τον Τορίνο, τα ηλεκτρόνια ρέουν μεταξύ τμημάτων του υποδοχέα όταν υπάρχει ένα θραύσμα ενός μορίου αρώματος μεταξύ τους με μια ορισμένη συχνότητα δονήσεων. Οι αλλαγές που προκύπτουν στη δομή του υποδοχέα προκαλούν τη μετάδοση της νευρικής ώθησης. Ωστόσο, η τροποποίηση του Τορίνο φαίνεται σε πολλούς επιστήμονες υπερβολικά υπερβολική.

Παγίδες

Η μοριακή βιολογία προσπάθησε επίσης να ξεδιαλύνει τα μυστήρια των μυρωδιών και αυτή η ανακάλυψη έχει βραβευτεί πολλές φορές με το βραβείο Νόμπελ. Οι ανθρώπινοι υποδοχείς οσμής είναι μια οικογένεια περίπου χιλίων διαφορετικών πρωτεϊνών και τα γονίδια που είναι υπεύθυνα για τη σύνθεσή τους είναι ενεργά μόνο στο οσφρητικό επιθήλιο (δηλαδή όπου χρειάζεται). Οι πρωτεΐνες υποδοχέα αποτελούνται από μια ελικοειδή αλυσίδα αμινοξέων. Στην εικόνα της βελονιάς, μια αλυσίδα πρωτεϊνών τρυπάει την κυτταρική μεμβράνη επτά φορές, εξ ου και το όνομα: υποδοχείς διαμεμβρανικών κυττάρων επτά έλικας ().

Θραύσματα που προεξέχουν έξω από το κύτταρο δημιουργούν μια παγίδα στην οποία μπορούν να πέσουν μόρια με την αντίστοιχη δομή (5). Μια συγκεκριμένη πρωτεΐνη τύπου G είναι προσκολλημένη στη θέση του υποδοχέα, βυθισμένη στο εσωτερικό του κυττάρου. Όταν το μόριο οσμής δεσμεύεται στην παγίδα, η πρωτεΐνη G ενεργοποιείται και απελευθερώνεται και μια άλλη G-πρωτεΐνη προσκολλάται στη θέση της. το οποίο ενεργοποιείται και απελευθερώνεται ξανά κ.λπ. Ο κύκλος επαναλαμβάνεται έως ότου το δεσμευμένο μόριο αρώματος απελευθερωθεί ή διασπαστεί από ένζυμα που καθαρίζουν συνεχώς την επιφάνεια του οσφρητικού επιθηλίου. Ο υποδοχέας μπορεί να ενεργοποιήσει ακόμη και αρκετές εκατοντάδες μόρια G-πρωτεΐνης και ένας τόσο υψηλός παράγοντας ενίσχυσης σήματος του επιτρέπει να ανταποκρίνεται ακόμη και σε ίχνη γεύσεων (6). Η ενεργοποιημένη πρωτεΐνη G ξεκινά έναν κύκλο χημικών αντιδράσεων που οδηγούν στην αποστολή νευρικής ώθησης.

5. Έτσι μοιάζει ο υποδοχέας οσμής - πρωτεΐνη 7TM.

Η παραπάνω περιγραφή της λειτουργίας των οσφρητικών υποδοχέων είναι παρόμοια με αυτή που παρουσιάζεται στη δομική θεωρία. Εφόσον συμβαίνει η δέσμευση των μορίων, μπορεί να υποστηριχθεί ότι η θεωρία της δόνησης ήταν επίσης εν μέρει σωστή. Δεν είναι η πρώτη φορά στην ιστορία της επιστήμης που οι προηγούμενες θεωρίες δεν ήταν εντελώς λανθασμένες, αλλά απλώς προσέγγισαν την πραγματικότητα.

6. Η ανθρώπινη μύτη ως ανιχνευτής ενώσεων στην ανάλυση των χρωματογραφικά διαχωρισμένων μειγμάτων τους.

Γιατί μυρίζει κάτι;

Υπάρχουν πολύ περισσότερες οσμές από ό,τι υπάρχουν τύποι οσφρητικών υποδοχέων, πράγμα που σημαίνει ότι τα μόρια οσμής ενεργοποιούν πολλές διαφορετικές πρωτεΐνες ταυτόχρονα. με βάση ολόκληρη τη σειρά των σημάτων που προέρχονται από ορισμένα σημεία του οσφρητικού βολβού. Δεδομένου ότι τα φυσικά αρώματα περιέχουν ακόμη και περισσότερες από εκατό ενώσεις, μπορεί κανείς να φανταστεί την πολυπλοκότητα της διαδικασίας δημιουργίας μιας οσφρητικής αίσθησης.

Εντάξει, αλλά γιατί κάτι μυρίζει ωραία, κάτι αηδιαστικό και κάτι καθόλου;

Η ερώτηση είναι μισή φιλοσοφική, αλλά εν μέρει απαντημένη. Ο εγκέφαλος είναι υπεύθυνος για την αντίληψη της όσφρησης, ο οποίος ελέγχει τη συμπεριφορά των ανθρώπων και των ζώων, κατευθύνοντας το ενδιαφέρον τους σε ευχάριστες μυρωδιές και προειδοποιώντας για αντικείμενα που μυρίζουν άσχημα. Εντοπίζονται δελεαστικές μυρωδιές, μεταξύ άλλων, οι εστέρες που αναφέρονται στην αρχή του άρθρου απελευθερώνονται από τα ώριμα φρούτα (άρα αξίζει να καταναλωθούν) και οι ενώσεις θείου απελευθερώνονται από υπολείμματα αποσύνθεσης (καλύτερα να μείνετε μακριά από αυτά).

Ο αέρας δεν μυρίζει γιατί είναι το υπόβαθρο πάνω στο οποίο εξαπλώνονται οι οσμές: ωστόσο, ίχνη NH3 ή H₂S, και η όσφρησή μας θα ηχήσει το ξυπνητήρι. Έτσι, η αντίληψη της όσφρησης είναι ένα σήμα της επίδρασης ενός συγκεκριμένου παράγοντα. σχέση με τα είδη.

Τι μυρίζουν οι εορτές που έρχονται; Η απάντηση φαίνεται στην εικόνα (7).

7. Η μυρωδιά των Χριστουγέννων: αριστερά, γεύσεις μελόψωμο (ζινγκερόν και τζίντζερολ), δεξιά, χριστουγεννιάτικα δέντρα (οξικό βορνύλιο και δύο ποικιλίες πινένιου).