Chemikas turi nosį

Žemiau esančiame straipsnyje į kvapo problemą pažvelgsime chemiko akimis – juk jo nosis kasdien pravers jo laboratorijoje.

1. Žmogaus nosies inervacija – sustorėjimas virš nosies ertmės yra uoslės lemputė (autorius: Wikimedia/Opt1cs).

Galime pasidalinti jausmais fizinis (regos, klausos, lytėjimo) ir jų pagrindiniai cheminisy., skonis ir kvapas. Pirmiesiems jau sukurti dirbtiniai analogai (šviesai jautrūs elementai, mikrofonai, jutikliniai jutikliai), tačiau antrieji dar nepasidavė mokslininkų „stiklui ir akiai“. Jie buvo sukurti prieš milijardus metų, kai pirmosios ląstelės pradėjo gauti cheminius signalus iš aplinkos.

Kvapas ilgainiui atsiskiria nuo skonio, nors tai pasitaiko ne visuose organizmuose. Gyvūnai ir augalai nuolat uostinėja aplinką, o tokiu būdu gauta informacija yra daug svarbesnė, nei atrodo iš pirmo žvilgsnio. Taip pat regėjimo ir klausos mokiniams, įskaitant žmones.

Uoslės paslaptys

Įkvepiant oro srovė patenka į nosį ir, prieš judant toliau, patenka į specializuotą audinį – kelių centimetrų dydžio uoslės epitelį.². Čia yra nervų ląstelių galūnės, kurios fiksuoja kvapo dirgiklius. Iš receptorių gaunamas signalas nukeliauja į uoslės lemputę smegenyse, o iš ten – į kitas smegenų dalis (1). Pirštų galiukuose yra kiekvienai rūšiai būdingų kvapų raštų. Žmogus gali atpažinti apie 10 iš jų, o kvepalų pramonės apmokyti specialistai – daug daugiau.

Kvapai sukelia organizmo reakcijas – tiek sąmoningas (pavyzdžiui, išgąsdinate nuo blogo kvapo), tiek pasąmoningas. Rinkodaros specialistai naudojasi kvepalų asociacijų katalogu. Jų idėja – priešnaujametiniu laikotarpiu parduotuvėse orą pagardinti eglučių ir meduolių kvapu, kuris kiekvienam sukelia teigiamas emocijas ir didina norą pirkti dovanas. Panašiai ir nuo šviežios duonos kvapo maisto skiltyje seilės varvėti į burną, o į krepšelį įsimesite daugiau.

2. Kamparas dažnai naudojamas šildančius tepalus. Trys skirtingos struktūros junginiai turi savo kvapą.

Tačiau dėl ko tam tikra medžiaga sukelia šį, o ne kitą, uoslės pojūtį?

Uoslės skoniui nustatyti penki pagrindiniai skoniai: sūrus, saldus, kartaus, rūgštus, oun (mėsos) ir tiek pat liežuvio receptorių tipų. Kvapo atveju net nežinoma, kiek pagrindinių aromatų egzistuoja, ar jų apskritai yra. Molekulių struktūra neabejotinai lemia kvapą, bet kodėl panašios struktūros junginiai kvepia visiškai kitaip (2), o visiškai nepanašūs – vienodai (3)?

3. Kairėje esantis junginys kvepia muskusu (kvepalų ingredientas), o dešinėje - beveik identiškos struktūros - neturi kvapo.

Kodėl dauguma esterių kvepia maloniai, o sieros junginiai – nemalonūs (turbūt šį faktą galima paaiškinti)? Kai kurie iš jų visiškai nejautrūs tam tikriems kvapams, o statistiškai moterų nosis yra jautresnė nei vyrų. Tai rodo genetines sąlygas, t.y. specifinių baltymų buvimas receptoriuose.

Bet kuriuo atveju klausimų yra daugiau nei atsakymų, o kvapo paslaptims paaiškinti buvo sukurtos kelios teorijos.

Raktas ir užraktas

Pirmasis yra pagrįstas patikrintu fermentiniu mechanizmu, kai reagento molekulė patenka į fermento molekulės ertmę (aktyviąją vietą), kaip spynos raktas. Taigi jie kvepia, nes jų molekulių forma atitinka receptorių paviršiuje esančias ertmes, o prie jo dalių jungiasi tam tikros atomų grupės (taip pat fermentai suriša reagentus).

Trumpai tariant, tai britų biochemiko sukurta kvapo teorija. Johnas E. Amurea. Jis išskyrė septynis pagrindinius aromatus: kamparo-muskuso, gėlių, mėtų, eterinio, aštraus ir puvinio (likusieji – jų deriniai). Panašaus kvapo junginių molekulės taip pat turi panašią struktūrą, pavyzdžiui, sferinės formos kvepia kamparu, o prie nemalonaus kvapo junginių priskiriama siera.

Struktūrinė teorija pasiteisino – pavyzdžiui, ji paaiškino, kodėl po kurio laiko nustojame kvepėti. Taip yra dėl to, kad molekulės, turinčios tam tikrą kvapą, blokuoja visus receptorius (kaip ir fermentų, kuriuos užima substratų perteklius, atveju). Tačiau ši teorija ne visada galėjo nustatyti ryšį tarp cheminės junginio struktūros ir jo kvapo. Ji negalėjo pakankamai tikėtinai numatyti medžiagos kvapo prieš ją gaudama. Ji taip pat nesugebėjo paaiškinti intensyvaus mažų molekulių, tokių kaip amoniakas ir vandenilio sulfidas, kvapo. Amūro ir jo įpėdinių padarytos pataisos (įskaitant bazinių skonių skaičiaus padidinimą) nepašalino visų struktūrinės teorijos trūkumų.

vibruojančios molekulės

Atomai molekulėse nuolat vibruoja, tempdami ir lenkdami tarpusavio ryšius, o judėjimas nesustoja net esant absoliučiai nulinei temperatūrai. Molekulės sugeria vibracinę energiją, kuri daugiausia slypi infraraudonųjų spindulių diapazone. Šis faktas buvo panaudotas IR spektroskopijoje, kuri yra vienas pagrindinių molekulių struktūros nustatymo metodų – nėra dviejų skirtingų junginių, turinčių tą patį IR spektrą (išskyrus vadinamuosius optinius izomerus).

Kūrėjai Vibracinė kvapo teorija (J. M. Dyson, R. H. Wright) rado sąsajų tarp virpesių dažnio ir jaučiamo kvapo. Rezonansinės vibracijos sukelia uoslės epitelio receptorių molekulių virpesius, kurie keičia jų struktūrą ir siunčia nervinį impulsą į smegenis. Buvo daroma prielaida, kad yra apie dvidešimt receptorių tipų, taigi ir tiek pat pagrindinių aromatų.

70-aisiais abiejų teorijų (vibracinių ir struktūrinių) šalininkai įnirtingai varžėsi tarpusavyje.

Vibrionistai smulkių molekulių kvapo problemą aiškino tuo, kad jų spektrai yra panašūs į didesnių molekulių, turinčių panašų kvapą, spektro fragmentus. Tačiau jie negalėjo paaiškinti, kodėl kai kurie optiniai izomerai, turintys tą patį spektrą, turi visiškai skirtingus kvapus (4).

4. Optiniai karvono izomerai: S klasė kvepia kmynais, R klasė kvepia mėtomis.

Struktūristams nesunku paaiškinti šį faktą – receptoriai, veikdami kaip fermentai, atpažįsta net tokius subtilius molekulių skirtumus. Vibracinė teorija taip pat negalėjo numatyti kvapo stiprumo, kurį Kupidono teorijos pasekėjai aiškino kvapo nešėjų prisijungimo prie receptorių stiprumu.

Jis bandė gelbėti situaciją L. Torinoo tai rodo, kad uoslės epitelis veikia kaip skenuojantis tunelinis mikroskopas (!). Pasak Turino, elektronai teka tarp receptoriaus dalių, kai tarp jų yra aromato molekulės fragmentas su tam tikru vibracinių virpesių dažniu. Dėl to atsirandantys receptorių struktūros pokyčiai sukelia nervinio impulso perdavimą. Tačiau Turino modifikacija daugeliui mokslininkų atrodo pernelyg ekstravagantiška.

Spąstai

Molekulinė biologija taip pat bandė įminti kvapų paslaptis, šis atradimas kelis kartus buvo apdovanotas Nobelio premija. Žmogaus kvapo receptoriai – tai apie tūkstančio skirtingų baltymų šeima, o už jų sintezę atsakingi genai aktyvūs tik uoslės epitelyje (t. y. ten, kur jo reikia). Receptorių baltymai susideda iš spiralinės aminorūgščių grandinės. Siuvinėjimo vaizde baltymų grandinė septynis kartus perveria ląstelės membraną, taigi ir pavadinimas: septynių spiralių transmembraninių ląstelių receptoriai †

Už ląstelės ribų išsikišę fragmentai sukuria spąstus, į kuriuos gali patekti atitinkamos struktūros molekulės (5). Prie receptoriaus vietos yra prijungtas specifinis G tipo baltymas, panardintas į ląstelės vidų, kvapo molekulę užfiksavus gaudyklėje, suaktyvinamas ir išleidžiamas G baltymas, o jo vietoje prisitvirtina kitas G tipo baltymas, kuris aktyvuojamas ir vėl atpalaiduojamas ir tt Ciklas kartojasi tol, kol surišta aromato molekulė išsiskiria arba sunaikinama fermentų, kurie nuolat valo uoslės epitelio paviršių. Receptorius gali aktyvuoti net kelis šimtus G-baltymų molekulių, o toks didelis signalo stiprinimo faktorius leidžia reaguoti net į nedidelius skonių kiekius (6). Aktyvuotas G-baltymas pradeda cheminių reakcijų ciklą, dėl kurio siunčiamas nervinis impulsas.

5. Taip atrodo kvapo receptorius – proteinas 7TM.

Aukščiau pateiktas uoslės receptorių veikimo aprašymas yra panašus į pateiktą struktūros teorijoje. Kadangi vyksta molekulių surišimas, galima teigti, kad vibracijų teorija taip pat buvo iš dalies teisinga. Tai ne pirmas kartas mokslo istorijoje, kai ankstesnės teorijos nebuvo visiškai klaidingos, o tiesiog priartėjo prie tikrovės.

6. Žmogaus nosis kaip junginių detektorius analizuojant jų chromatografiškai atskirtus mišinius.

Kodėl kažkas kvepia?

Kvapų yra daug daugiau nei uoslės receptorių tipų, o tai reiškia, kad kvapo molekulės tuo pačiu metu aktyvuoja kelis skirtingus baltymus. remiantis visa signalų seka, ateinančia iš tam tikrų uoslės lemputės vietų. Kadangi natūraliuose kvapuose yra net daugiau nei šimtas junginių, galima įsivaizduoti, koks sudėtingas uoslės pojūčio kūrimo procesas.

Gerai, bet kodėl kažkas kvepia gerai, kažkas šlykščiai, o kažkas visai ne?

Klausimas pusiau filosofinis, bet iš dalies atsakytas. Smegenys yra atsakingos už kvapo suvokimą, kuris kontroliuoja žmonių ir gyvūnų elgesį, nukreipia jų susidomėjimą maloniais kvapais ir įspėja apie blogai dvokiančius daiktus. Aptinkami viliojantys kvapai, be kita ko, prinokę vaisiai išskiria straipsnio pradžioje minėtus esterius (todėl juos verta valgyti), o iš irimo likučių išsiskiria sieros junginiai (geriausia nuo jų laikytis atokiau).

Oras nekvepia, nes jame sklinda kvapai: tačiau nedideli kiekiai NH3 arba H₂S, ir mūsų uoslė skambės pavojaus varpais. Taigi kvapo suvokimas yra tam tikro veiksnio poveikio signalas. santykis su rūšimis.

Kuo kvepia artėjančios šventės? Atsakymas parodytas paveikslėlyje (7).

7. Kalėdų kvapas: kairėje – meduolių skoniai (zingerone ir gingerol), dešinėje – eglutės (bornilo acetatas ir dviejų rūšių pinenas).