У хіміка є ніс
У статті нижче ми подивимося на проблему нюху очима хіміка – адже ніс йому знадобиться у його лабораторії щодня.
1. Іннервація носа людини - потовщення над носовою порожниною є нюхової цибулею (автор: Wikimedia/Opt1cs).
Ми можемо розділити почуття на фізичне (зір, слух, дотик) і первинніший за них хімічна, тобто смак та запах. Для перших вже створено штучні аналоги (світлочутливі елементи, мікрофони, сенсори дотику), а ось другі досі не здалися «склу та оку» вчених. Вони були створені мільярди років тому, коли перші клітини почали отримувати хімічні сигнали із навколишнього середовища.
Нюх з часом відокремився від смаку, хоча це відбувається не у всіх організмів. Тварини та рослини постійно нюхають своє оточення, та інформація, отримана таким чином, набагато важливіша, ніж здається на перший погляд. Також для візуальних та слухових учнів, включаючи людей.
Нюхові секрети
При вдиху повітряний струмінь спрямовується в ніс і, перш ніж рухатися далі, потрапляє у спеціалізовану тканину — нюховий епітелій розміром кілька сантиметрів.2. Тут знаходяться закінчення нервових клітин, які вловлюють запахові подразники. Сигнал, отриманий від рецепторів, надходить до нюхової цибулини в головному мозку, а звідти в інші його відділи (1). Кінчик пальця містить зразки ароматів, характерні кожного виду. Людина може розпізнати близько 10 XNUMX їх, а навчені фахівці парфумерної галузі можуть розпізнати набагато більше.
Запахи викликають реакції в організмі, як усвідомлені (наприклад, ви здригаєтеся від неприємного запаху), так і підсвідомі. Маркетологи користуються каталогом парфумерних асоціацій. Їхня ідея полягає в тому, щоб ароматизувати повітря в магазинах ароматом ялинки та пряників у передноворічний період, що викликає у всіх позитивні емоції та підвищує бажання купувати подарунки. Так само запах свіжого хліба в продовольчому відділі змусить вашу слину капати в рот, і ви покладете більше в кошик.
2. Камфора часто використовується в мазях, що зігрівають. Три з'єднання із різною структурою мають свій запах.
Але що змушує цю речовину викликати саме таке, а чи не інше нюхове відчуття?
Для нюхового смаку встановлено п'ять основних смаків: солоний, солодкий, гіркий, кислий, оун (м'ясний) та стільки ж типів рецепторів мовою. У разі запаху невідомо навіть скільки основних ароматів існує і чи є вони взагалі. Будова молекул безперечно визначає запах, але чому буває так, що сполуки зі схожою структурою пахнуть зовсім по-різному (2), а зовсім несхожі – однаково (3)?
3. З'єднання зліва пахне мускусом (парфумерний інгредієнт), а праворуч – практично ідентично за структурою – не має запаху.
Чому більшість складних ефірів приємно пахнуть, а сполуки сірки неприємні (цей факт, ймовірно, можна пояснити)? Деякі абсолютно нечутливі до певних запахів, а, за статистикою, у жінок ніс більш чутливий, ніж у чоловіків. Це передбачає генетичні умови, тобто. наявність специфічних білків у рецепторах.
У будь-якому випадку питань більше, ніж відповідей, і розроблено кілька теорій, які пояснюють загадки аромату.
Ключ та замок
Перший заснований на перевіреному ферментативному механізмі, коли молекула реагенту входить у порожнину молекули ферменту (активний центр) як ключ від замку. Таким чином, вони пахнуть тому, що форма молекул відповідає порожнинам на поверхні рецепторів, а певні групи атомів зв'язуються з її частинами (так само ферменти пов'язують реагенти).
Коротко це теорія запаху, розроблена британським біохіміком. Джона Е. Амуреа. Він виділив сім основних ароматів: камфорно-мускусний, квітковий, м'ятний, ефірний, пряний і гнильний (інші є їх поєднання). Молекули з'єднань з схожим запахом також мають подібну будову, наприклад, що мають сферичну форму пахнуть камфорою, а з'єднання з неприємним запахом включають сірку.
Структурна теорія виявилася успішною — наприклад, вона пояснила, чому ми через якийсь час перестаємо сприймати запах. Це з блокуванням всіх рецепторів молекулами, несуть даний запах (як і, як і разі ферментів, зайнятих надлишком субстратів). Однак ця теорія не завжди могла встановити зв'язок між хімічною структурою сполуки та її запахом. Вона не змогла з достатньою ймовірністю передбачити запах речовини до її отримання. Вона також не змогла пояснити інтенсивний запах малих молекул, таких як аміак та сірководень. Поправки, внесені Амуром та її наступниками (включаючи збільшення кількості базових ароматів), не усунули всіх недоліків структурної теорії.
Вібруючі молекули
Атоми в молекулах постійно вібрують, розтягуючи та згинаючи зв'язки між собою, і рух не припиняється навіть за абсолютного нуля температур. Молекули поглинають енергію коливань, що у основному інфрачервоному діапазоні випромінювання. Цей факт був використаний в ІЧ-спектроскопії, що є одним з основних методів визначення будови молекул — немає двох різних сполук з однаковим ІЧ-спектром (крім так званих оптичних ізомерів).
Творці вібраційна теорія запаху (Дж. М. Дайсон, Р. Х. Райт) виявлені зв'язки між частотою вібрацій і запахом, що сприймається. Коливання резонансом викликають коливання рецепторних молекул в нюховому епітелії, що змінює їхню структуру та посилає нервовий імпульс у головний мозок. Передбачалося, що існує близько двадцяти типів рецепторів і, отже, стільки основних ароматів.
У 70-х роках прихильники обох теорій (вібраційної та структурної) запекло конкурували один з одним.
Вібріоністи пояснили проблему запаху малих молекул тим, що їх спектри подібні до фрагментів спектрів більших молекул, що мають аналогічний запах. Однак вони не змогли пояснити, чому деякі оптичні ізомери з однаковими спектрами мають різні запахи (4).
4. Оптичні ізомери карвону: сорт S пахне кмином, сорт R – м'ятою.
Структуралісти легко пояснили цей факт — рецептори, що діють подібно до ферментів, розпізнають навіть такі тонкі відмінності між молекулами. Вібраційна теорія також могла передбачити силу запаху, яку послідовники теорії Амура пояснювали силою зв'язування носіїв запаху з рецепторами.
Він намагався врятувати ситуацію Л. Торіноприпускаючи, що нюховий епітелій діє як скануючий тунельний мікроскоп (!). За Туріном, електрони перетікають між частинами рецептора, коли між ними знаходиться фрагмент молекули аромату з певною частотою коливальних коливань. Виникаючі внаслідок зміни у структурі рецептора викликають передачу нервового імпульсу. Однак модифікація Туріна багатьом ученим видається надто екстравагантною.
пастки
Молекулярна біологія намагалася розгадати таємниці запахів, і це відкриття кілька разів було удостоєно Нобелівської премії. Рецептори запаху людини є сімейство приблизно з тисячі різних білків, і гени, відповідальні за їх синтез, активні тільки в нюховому епітелії (тобто там, де це необхідно). Рецепторні білки складаються із спірально закрученого ланцюжка амінокислот. На зображенні стібка, що зшиває, ланцюжок білків сім разів протикає клітинну мембрану, звідси і назва: семіспіральні трансмембранні клітинні рецептори †
Фрагменти, що виступають за межі клітини, створюють пастку, в яку можуть потрапити молекули з структурою (5). До ділянки рецептора, зануреному всередину клітини, прикріплюється специфічний білок G-типу. При захопленні молекули запаху в пастку відбувається активація та вивільнення G-білка, а на його місце приєднується інший G-білок, який активується і знову вивільняється і т.д. Цикл повторюється до тих пір, поки пов'язана молекула аромату не буде вивільнена або зруйнована ферментами, що постійно очищають поверхню нюхового епітелію. Рецептор може активувати навіть кілька сотень молекул G-білка, а такий високий коефіцієнт посилення сигналу дозволяє реагувати навіть на кількість ароматизаторів (6). Активований G-білок запускає цикл хімічних реакцій, що призводять до посилення нервового імпульсу.
5. Так виглядає рецептор запаху — білок 7ТМ.
Наведений вище опис функціонування нюхових рецепторів аналогічно представленому структурної теорії. Оскільки відбувається зв'язування молекул, можна стверджувати, що коливальна теорія була частково вірна. Не перший випадок історія науки, коли більш ранні теорії були повністю помилковими, а просто наближалися до реальності.
6. Ніс людини як детектор сполук під час аналізу їх хроматографічно розділених сумішей.
Чому щось пахне?
Запахів набагато більше, ніж типів нюхових рецепторів, а це означає, що молекули запаху активують кілька різних білків одночасно. на основі всієї послідовності сигналів, що надходять з певних місць нюхової цибулини. Оскільки до складу натуральних ароматів входить навіть більше сотні сполук, можна уявити складність процесу створення нюхового відчуття.
Добре, але чомусь щось приємно пахне, щось огидно, а щось зовсім ні?
Питання наполовину філософське, але частково на нього можна відповісти. За сприйняття запаху відповідає мозок, який керує поведінкою людини і тварин, спрямовуючи його інтерес на приємні запахи і застерігаючи від предметів, що погано пахнуть. Спокусливі запахи виявляються, серед іншого, ефіри, згадані на початку статті, виділяються стиглими плодами (тому їх варто їсти), а сполуки сірки виділяються з залишків, що розкладаються (від них краще триматися подалі).
Повітря не пахне, тому що це фон, на якому поширюються запахи: проте слідова кількість NH3 або H2S, і наш орган нюху заб'є на сполох. Таким чином, сприйняття запаху є сигналом впливу певного чинника. ставлення до видів.
Чим пахнуть майбутні свята? Відповідь показано на малюнку (7).
7. Запах Різдва: ліворуч аромати імбирних пряників (зінгерон та гінгерол), праворуч – ялинки (борнілацетат та два різновиди пінену).
