Ķīmiķim ir deguns

Zemāk esošajā rakstā aplūkosim ožas problēmu ar ķīmiķa acīm – galu galā viņa deguns ikdienā noderēs viņa laboratorijā.

1. Cilvēka deguna inervācija - sabiezējums virs deguna dobuma ir ožas spuldze (autors: Wikimedia/Opt1cs).

Mēs varam dalīties sajūtās fiziski (redze, dzirde, tauste) un to primārais ķīmiskai., garša un smarža. Pirmajiem jau ir radīti mākslīgie analogi (gaismas jutīgie elementi, mikrofoni, pieskārienu sensori), bet otrie vēl nav padevušies zinātnieku “stikla un acs” varā. Tie tika radīti pirms miljardiem gadu, kad pirmās šūnas sāka saņemt ķīmiskos signālus no vides.

Smarža galu galā tiek atdalīta no garšas, lai gan tā nenotiek visos organismos. Dzīvnieki un augi pastāvīgi šņauc savu apkārtni, un šādi iegūtā informācija ir daudz svarīgāka, nekā šķiet pirmajā acu uzmetienā. Arī redzes un dzirdes izglītojamajiem, tostarp cilvēkiem.

Ožas noslēpumi

Kad jūs ieelpojat, gaisa plūsma ieplūst degunā un pirms došanās tālāk nonāk specializētos audos - ožas epitēlijā, kura izmērs ir vairāki centimetri.². Šeit ir nervu šūnu gali, kas uztver smakas stimulus. No receptoriem saņemtais signāls virzās uz smadzenēs esošo ožas spuldzi un no turienes uz citām smadzeņu daļām (1). Pirkstu galā ir katrai sugai raksturīgi smaržu raksti. Cilvēks var atpazīt apmēram 10 no tiem, un apmācīti profesionāļi smaržu nozarē var atpazīt daudz vairāk.

Smaržas izraisa ķermeņa reakcijas, gan apzinātas (piemēram, jūs nobīsties no sliktas smakas), gan zemapziņas. Tirgotāji izmanto smaržu asociāciju direktoriju. Viņu ideja ir pirmsJaunā gada laikā piegaršot gaisu veikalos ar eglīšu un piparkūku smaržu, kas ikvienā izraisa pozitīvas emocijas un vairo vēlmi iegādāties dāvanas. Tāpat arī svaigas maizes smarža pārtikas sadaļā liks siekalām pilēt mutē, un grozā ieliks vairāk.

2. Kamparu bieži izmanto sildošās ziedēs. Trīs savienojumiem ar dažādu struktūru ir sava smarža.

Bet kas liek konkrētai vielai izraisīt šo, nevis citu ožas sajūtu?

Ožas garšai ir noteiktas piecas pamatgaršas: sāļa, salda, rūgta, skāba, oun (gaļa) ​​un tikpat daudz receptoru veidu uz mēles. Smaržas gadījumā pat nav zināms, cik pamataromātu pastāv, vai tie vispār pastāv. Molekulu struktūra noteikti nosaka smaržu, bet kāpēc savienojumi ar līdzīgu struktūru smaržo pilnīgi atšķirīgi (2), bet pilnīgi atšķirīgi - vienādi (3)?

3. Kreisajā pusē esošais savienojums smaržo pēc muskusa (smaržas sastāvdaļa), un labajā pusē - gandrīz identiska pēc struktūras - nav smaržas.

Kāpēc lielākā daļa esteru smaržo patīkami, bet sēra savienojumi nepatīkami (šo faktu droši vien var izskaidrot)? Daži ir pilnīgi nejutīgi pret noteiktām smaržām, un statistiski sievietēm ir jutīgāks deguns nekā vīriešiem. Tas liecina par ģenētiskiem apstākļiem, t.i. specifisku proteīnu klātbūtne receptoros.

Jebkurā gadījumā jautājumu ir vairāk nekā atbilžu, un ir izstrādātas vairākas teorijas, lai izskaidrotu smaržas noslēpumus.

Atslēga un slēdzene

Pirmā ir balstīta uz pārbaudītu fermentatīvo mehānismu, kad reaģenta molekula nonāk fermenta molekulas dobumā (aktīvā vietā) kā atslēga uz slēdzeni. Tādējādi tie smaržo, jo to molekulu forma atbilst dobumiem uz receptoru virsmas, un noteiktas atomu grupas saistās ar to daļām (tādā pašā veidā fermenti saista reaģentus).

Īsāk sakot, šī ir britu bioķīmiķa izstrādāta smaržas teorija. Džons E. Amurea. Viņš izcēla septiņus galvenos aromātus: kampara-muskusa, ziedu, piparmētru, ēterisku, pikantu un pūtīgu (pārējie ir to kombinācijas). Arī savienojumu molekulām ar līdzīgu smaržu ir līdzīga struktūra, piemēram, sfēriskas formas smaržo pēc kampara, bet savienojumi ar nepatīkamu smaku ietver sēru.

Strukturālā teorija ir bijusi veiksmīga - piemēram, tā izskaidroja, kāpēc mēs pēc kāda laika pārtraucam smaržot. Tas ir saistīts ar to, ka molekulas, kurām ir noteikta smaka, bloķē visus receptorus (tāpat kā fermentu gadījumā, ko aizņem substrātu pārpalikums). Tomēr šī teorija ne vienmēr spēja noteikt savienojumu starp savienojuma ķīmisko struktūru un tā smaržu. Viņa nevarēja ar pietiekamu varbūtību paredzēt vielas smaku pirms tās iegūšanas. Viņa arī nespēja izskaidrot intensīvo smaku, ko rada mazas molekulas, piemēram, amonjaks un sērūdeņradis. Amūra un viņa pēcteču veiktie grozījumi (tostarp bāzes garšu skaita palielināšana) nenovērsa visus strukturālās teorijas trūkumus.

vibrējošās molekulas

Molekulās esošie atomi pastāvīgi vibrē, stiepjot un saliekot saites savā starpā, un kustība neapstājas pat pie absolūtas nulles temperatūras. Molekulas absorbē vibrācijas enerģiju, kas galvenokārt atrodas starojuma infrasarkanajā diapazonā. Šis fakts tika izmantots IR spektroskopijā, kas ir viena no galvenajām metodēm molekulu struktūras noteikšanai – nav divu dažādu savienojumu ar vienādu IR spektru (izņemot tā sauktos optiskos izomērus).

Radītāji Smaržas vibrāciju teorija (J. M. Dyson, R. H. Wright) atrada saikni starp vibrāciju biežumu un uztverto smaržu. Rezonanses vibrācijas izraisa receptoru molekulu vibrācijas ožas epitēlijā, kas maina to struktūru un nosūta nervu impulsu smadzenēm. Tika pieņemts, ka ir apmēram divdesmit receptoru veidu un līdz ar to tikpat daudz pamata aromātu.

70. gados abu teoriju (vibrācijas un strukturālo) piekritēji sīvi konkurēja savā starpā.

Vibrionisti mazo molekulu smakas problēmu skaidroja ar to, ka to spektri ir līdzīgi lielāku molekulu spektru fragmentiem, kuriem ir līdzīga smarža. Tomēr viņi nevarēja izskaidrot, kāpēc dažiem optiskajiem izomēriem ar vienādiem spektriem ir pilnīgi atšķirīgas smakas (4).

4. Karvona optiskie izomēri: S pakāpe smaržo pēc ķimenes, R pakāpe smaržo pēc piparmētras.

Strukturālistiem nav grūtību izskaidrot šo faktu – receptori, darbojoties kā enzīmi, atpazīst pat tik smalkas atšķirības starp molekulām. Vibrāciju teorija arī nevarēja paredzēt smaržas stiprumu, ko Kupidona teorijas piekritēji skaidroja ar smakas nesēju saistīšanās spēku ar receptoriem.

Viņš mēģināja glābt situāciju L. Torinoliek domāt, ka ožas epitēlijs darbojas kā skenējošs tunelēšanas mikroskops (!). Pēc Turīnas domām, elektroni plūst starp receptora daļām, ja starp tām atrodas aromāta molekulas fragments ar noteiktu vibrāciju vibrāciju frekvenci. Iegūtās izmaiņas receptora struktūrā izraisa nervu impulsa pārraidi. Tomēr Turīnas modifikācija daudziem zinātniekiem šķiet pārāk ekstravaganta.

Slazdi

Molekulārā bioloģija ir mēģinājusi atšķetināt arī smaržu noslēpumus, un šim atklājumam vairākkārt piešķirta Nobela prēmija. Cilvēka smakas receptori ir aptuveni tūkstoš dažādu proteīnu saime, un par to sintēzi atbildīgie gēni aktīvi darbojas tikai ožas epitēlijā (t.i., tur, kur tas ir nepieciešams). Receptoru proteīni sastāv no spirālveida aminoskābju ķēdes. Dūriena attēlā proteīnu ķēde septiņas reizes caururbj šūnas membrānu, tāpēc arī nosaukums: septiņu spirāles transmembrānu šūnu receptori ,

Fragmenti, kas izvirzīti ārpus šūnas, veido slazdu, kurā var iekrist molekulas ar atbilstošu struktūru (5). Receptora vietai ir pievienots specifisks G-tipa proteīns, kas iegremdēts šūnas iekšpusē.Kad smakas molekula tiek notverta slazdā, G-proteīns tiek aktivizēts un atbrīvots, un tā vietā tiek pievienots cits G-proteīns, kas tiek aktivizēts un atkal atbrīvots utt. Cikls atkārtojas, līdz saistītā aromāta molekula tiek atbrīvota vai iznīcināta ar fermentu palīdzību, kas pastāvīgi attīra ožas epitēlija virsmu. Receptors var aktivizēt pat vairākus simtus G-proteīna molekulu, un tik augsts signāla pastiprināšanas faktors ļauj tam reaģēt uz pat nelieliem aromātu daudzumiem (6). Aktivizētais G-proteīns sāk ķīmisko reakciju ciklu, kas noved pie nervu impulsa nosūtīšanas.

5. Tā izskatās smakas receptors - proteīns 7TM.

Iepriekš minētais ožas receptoru darbības apraksts ir līdzīgs struktūras teorijā sniegtajam. Tā kā notiek molekulu saistīšanās, var apgalvot, ka arī vibrāciju teorija bija daļēji pareiza. Šī nav pirmā reize zinātnes vēsturē, kad agrākās teorijas nebija pilnīgi nepareizas, bet vienkārši tuvojās realitātei.

6. Cilvēka deguns kā savienojumu detektors to hromatogrāfiski atdalīto maisījumu analīzē.

Kāpēc kaut kas smaržo?

Smaržu ir daudz vairāk nekā ožas receptoru veidu, kas nozīmē, ka smakas molekulas vienlaikus aktivizē vairākus dažādus proteīnus. pamatojoties uz visu signālu secību, kas nāk no noteiktām ožas spuldzes vietām. Tā kā dabīgie aromāti satur pat vairāk nekā simts savienojumu, var iedomāties, cik sarežģīts ir ožas sajūtas radīšanas process.

Labi, bet kāpēc kaut kas smaržo labi, kaut kas pretīgi un kaut kas ne?

Jautājums ir pa pusei filozofisks, bet daļēji atbildēts. Smadzenes ir atbildīgas par ožas uztveri, kas kontrolē cilvēku un dzīvnieku uzvedību, vēršot viņu interesi uz patīkamām smaržām un brīdinot par slikti smirdošiem priekšmetiem. Tiek konstatētas vilinošas smakas, tostarp raksta sākumā minētie esteri izdalās no gataviem augļiem (tāpēc tos ir vērts ēst), un sēra savienojumi izdalās no pūšanas atliekām (labāk no tiem turēties tālāk).

Gaiss nesmaržo, jo tas ir fons, uz kura izplatās smakas: tomēr neliels daudzums NH3 vai H₂S, un mūsu oža atskanēs trauksmi. Tādējādi smaržas uztvere ir signāls par noteikta faktora ietekmi. saistība ar sugām.

Pēc kā smaržo gaidāmie svētki? Atbilde ir parādīta attēlā (7).

7. Ziemassvētku smarža: pa kreisi piparkūku aromāti (zingerone un gingerol), labajā pusē eglītes (bornilacetāts un divas pinenes šķirnes).