Kemisten har en näsa

I artikeln nedan kommer vi att titta på problemet med lukt genom ögonen på en kemist - trots allt kommer hans näsa att komma till nytta i hans laboratorium dagligen.

1. Innervation av den mänskliga näsan - en förtjockning ovanför näshålan är luktlöken (författare: Wikimedia/Opt1cs).

Vi kan dela känslor fysisk (syn, hörsel, känsel) och deras primära kemiskdvs smak och lukt. För de förra har konstgjorda analoger redan skapats (ljuskänsliga element, mikrofoner, beröringssensorer), men de senare har ännu inte överlämnat sig till forskarnas "glas och öga". De skapades för miljarder år sedan när de första cellerna började ta emot kemiska signaler från miljön.

Lukt separerade så småningom från smak, även om detta inte förekommer i alla organismer. Djur och växter nosar hela tiden på sin omgivning, och informationen som erhålls på detta sätt är mycket viktigare än den verkar vid första anblicken. Även för visuella och auditiva elever, inklusive människor.

Lukthemligheter

När du andas in rusar luftströmmen in i näsan och, innan du går vidare, kommer den in i en specialiserad vävnad - luktepitelet flera centimeter i storlek.². Här är ändarna på nervceller som fångar upp luktstimuli. Signalen som tas emot från receptorerna går till luktbulben i hjärnan och därifrån till andra delar av hjärnan (1). Fingertoppen innehåller doftmönster som är specifika för varje art. En människa kan känna igen cirka 10 av dem, och utbildade proffs inom parfymindustrin kan känna igen många fler.

Lukter orsakar reaktioner i kroppen, både medvetet (du skrämmer till exempel av dålig lukt) och undermedvetet. Marknadsförare använder katalogen över parfymföreningar. Deras idé är att smaksätta luften i butikerna med doften av julgranar och pepparkakor under perioden före nyår, vilket väcker positiva känslor hos alla och ökar lusten att köpa presenter. På samma sätt kommer lukten av färskt bröd i matsektionen att få din saliv att droppa in i munnen och du lägger mer i korgen.

2. Kamfer används ofta i värmande salvor. Tre föreningar med olika struktur har sin egen lukt.

Men vad får ett givet ämne att orsaka denna, och inte en annan, luktkänsla?

För luktsmaken har fem grundsmaker fastställts: salt, sött, bittert, surt, oun (kött) och samma antal receptortyper på tungan. När det gäller lukt är det inte ens känt hur många grundläggande aromer som finns, eller om de överhuvudtaget finns. Molekylernas struktur bestämmer förvisso lukten, men varför är det så att föreningar med liknande struktur luktar helt olika (2), och helt olik - samma (3)?

3. Sammansättningen till vänster luktar mysk (parfymingrediens), och till höger - nästan identisk i strukturen - har ingen lukt.

Varför luktar de flesta estrar behagligt, men svavelföreningar obehagliga (detta kan förmodligen förklaras)? Vissa är helt okänsliga för vissa lukter, och statistiskt sett har kvinnor en känsligare näsa än män. Detta tyder på genetiska tillstånd, d.v.s. närvaron av specifika proteiner i receptorerna.

Det finns i alla fall fler frågor än svar och flera teorier har utvecklats för att förklara doftens mysterier.

Nyckel och lås

Den första är baserad på en beprövad enzymatisk mekanism, när reagensmolekylen går in i håligheten i enzymmolekylen (aktiv plats), som en nyckel till ett lås. De luktar alltså eftersom formen på deras molekyler motsvarar hålrummen på receptorernas yta, och vissa grupper av atomer binder till dess delar (på samma sätt binder enzymer reagenser).

Kortfattat är detta en teori om lukt som utvecklats av en brittisk biokemist. John E. Amurea. Han pekade ut sju huvudaromer: kamfer-muskig, blommig, mintig, eterisk, kryddig och rutten (resten är kombinationer av dem). Molekyler av föreningar med liknande lukt har också en liknande struktur, till exempel luktar de med en sfärisk form kamfer, och föreningar med en obehaglig lukt inkluderar svavel.

Strukturteorin har varit framgångsrik – till exempel förklarade den varför vi slutar lukta efter ett tag. Detta beror på blockeringen av alla receptorer av molekyler som bär en given lukt (precis som i fallet med enzymer upptagna av ett överskott av substrat). Men denna teori kunde inte alltid fastställa ett samband mellan den kemiska strukturen hos en förening och dess lukt. Hon kunde inte förutsäga lukten av ämnet med tillräcklig sannolikhet innan hon fick det. Hon misslyckades också med att förklara den intensiva lukten av små molekyler som ammoniak och vätesulfid. De ändringar som gjorts av Amur och hans efterträdare (inklusive en ökning av antalet basaromer) eliminerade inte alla bristerna i strukturteorin.

vibrerande molekyler

Atomerna i molekyler vibrerar ständigt, sträcker ut och böjer bindningarna mellan sig, och rörelsen stannar inte ens vid absoluta nolltemperaturer. Molekyler absorberar vibrationsenergi, som huvudsakligen ligger i det infraröda strålningsområdet. Detta faktum användes i IR-spektroskopi, som är en av huvudmetoderna för att bestämma strukturen hos molekyler - det finns inga två olika föreningar med samma IR-spektrum (förutom de så kallade optiska isomererna).

Skapare vibrationsteori om lukt (J.M. Dyson, R.H. Wright) hittat samband mellan vibrationsfrekvensen och den upplevda lukten. Vibrationer genom resonans orsakar vibrationer av receptormolekyler i luktepitelet, vilket förändrar deras struktur och skickar en nervimpuls till hjärnan. Det antogs att det fanns ett tjugotal typer av receptorer och därför samma antal grundläggande aromer.

På 70-talet konkurrerade förespråkarna av båda teorierna (vibrerande och strukturella) hårt med varandra.

Vibrionister förklarade problemet med lukten av små molekyler med det faktum att deras spektra liknar fragment av spektra av större molekyler som har en liknande lukt. De kunde dock inte förklara varför vissa optiska isomerer med samma spektra har helt olika lukter (4).

4. Optiska isomerer av karvon: grad S luktar spiskummin, grad R luktar mint.

Strukturalister har inga svårigheter att förklara detta faktum - receptorer, som fungerar som enzymer, känner igen även sådana subtila skillnader mellan molekyler. Vibrationsteorin kunde inte heller förutsäga luktens styrka, vilket anhängarna av Cupids teori förklarade med styrkan i bindningen av luktbärare till receptorer.

Han försökte rädda situationen L. Torinovilket tyder på att luktepitelet fungerar som ett scanningstunnelmikroskop (!). Enligt Turin strömmar elektroner mellan delar av receptorn när det finns ett fragment av en arommolekyl mellan dem med en viss frekvens av vibrationsvibrationer. De resulterande förändringarna i receptorns struktur orsakar överföringen av nervimpulsen. Men modifieringen av Turin verkar för många forskare vara för extravagant.

fällor

Molekylärbiologin har också försökt reda ut lukternas mysterier, och denna upptäckt har belönats med Nobelpriset flera gånger. Mänskliga luktreceptorer är en familj av cirka tusen olika proteiner, och generna som ansvarar för deras syntes är endast aktiva i luktepitelet (dvs där det behövs). Receptorproteiner består av en spiralformad tvinnad kedja av aminosyror. I stygnbilden genomborrar en kedja av proteiner cellmembranet sju gånger, därav namnet: sju-helix transmembrancellreceptorer ().

Fragment som sticker ut utanför cellen skapar en fälla i vilken molekyler med motsvarande struktur kan falla (5). Ett specifikt protein av G-typ är fäst vid receptorns plats, nedsänkt inuti cellen. När luktmolekylen fångas i fällan, aktiveras och frisätts G-proteinet och ett annat G-protein fästs i dess ställe, som aktiveras och frisätts igen etc. Cykeln upprepas tills den bundna arommolekylen frisätts eller bryts ner av enzymer som ständigt rengör ytan av luktepitelet. Receptorn kan aktivera till och med flera hundra G-proteinmolekyler, och en så hög signalförstärkningsfaktor gör att den kan svara på jämna spårmängder av smakämnen (6). Det aktiverade G-proteinet startar en cykel av kemiska reaktioner som leder till att en nervimpuls skickas.

5. Så här ser luktreceptorn ut - protein 7TM.

Ovanstående beskrivning av funktionen hos luktreceptorer liknar den som presenteras i strukturteorin. Eftersom bindning av molekyler sker kan man hävda att vibrationsteorin också delvis var korrekt. Det är inte första gången i vetenskapshistorien som tidigare teorier inte var helt fel, utan bara närmade sig verkligheten.

6. Människonäsa som detektor för föreningar vid analys av deras kromatografiskt separerade blandningar.

Varför luktar något?

Det finns många fler lukter än det finns typer av luktreceptorer, vilket gör att luktmolekyler aktiverar flera olika proteiner samtidigt. baserat på hela sekvensen av signaler som kommer från vissa ställen i luktbulben. Eftersom naturliga dofter innehåller ännu mer än hundra föreningar kan man föreställa sig komplexiteten i processen att skapa en luktkänsla.

Okej, men varför luktar något gott, något äckligt och något inte alls?

Frågan är till hälften filosofisk, men delvis besvarad. Hjärnan är ansvarig för uppfattningen av lukt, som styr beteendet hos människor och djur, riktar deras intresse till behagliga lukter och varnar för illaluktande föremål. Lockande lukter finns bland annat, de estrar som nämns i början av artikeln frigörs av mogna frukter (därför är de värda att äta), och svavelföreningar frigörs från ruttnande rester (bäst att hålla sig borta från dem).

Luften luktar inte eftersom det är bakgrunden mot vilken lukt sprids: dock spårmängder av NH3 eller H₂S, och vårt luktsinne kommer att slå larm. Således är uppfattningen av lukt en signal om inverkan av en viss faktor. förhållande till arter.

Hur luktar den kommande semestern? Svaret visas på bilden (7).

7. Lukten av jul: till vänster pepparkakssmaker (zingerone och gingerol), till höger julgranar (bornylacetat och två varianter av pinen).