У химика есть нос

В статье ниже мы посмотрим на проблему обоняния глазами химика – ведь нос ему пригодится в его лаборатории ежедневно.

1. Иннервация носа человека – утолщение над носовой полостью является обонятельной луковицей (автор: Wikimedia/Opt1cs).

Мы можем разделить чувства на физическое (зрение, слух, осязание) и первичнее их химическая, то есть вкус и запах. Для первых уже созданы искусственные аналоги (светочувствительные элементы, микрофоны, сенсоры прикосновения), а вот вторые до сих пор не сдались «стеклу и глазу» ученых. Они были созданы миллиарды лет назад, когда первые клетки стали получать химические сигналы из окружающей среды.

Обоняние со временем отделилось от вкуса, хотя это происходит не у всех организмов. Животные и растения постоянно нюхают свое окружение, и информация, полученная таким образом, гораздо важнее, чем кажется на первый взгляд. Также для визуальных и слуховых учащихся, включая людей.

Обонятельные секреты

При вдохе воздушная струя устремляется в нос и, прежде чем двигаться дальше, попадает в специализированную ткань — обонятельный эпителий размером в несколько сантиметров.². Здесь находятся окончания нервных клеток, которые улавливают запаховые раздражители. Сигнал, полученный от рецепторов, поступает в обонятельную луковицу в головном мозге, а оттуда в другие его отделы (1). Кончик пальца содержит образцы ароматов, характерные для каждого вида. Человек может распознать около 10 XNUMX из них, а обученные специалисты парфюмерной отрасли могут распознать гораздо больше.

Запахи вызывают реакции в организме, как осознанные (например, вы вздрагиваете от неприятного запаха), так и подсознательные. Маркетологи пользуются каталогом парфюмерных ассоциаций. Их идея состоит в том, чтобы ароматизировать воздух в магазинах ароматом елки и пряников в предновогодний период, что вызывает у всех положительные эмоции и повышает желание покупать подарки. Точно так же запах свежего хлеба в продовольственном отделе заставит вашу слюну капать в рот, и вы положите больше в корзину.

2. Камфора часто используется в согревающих мазях. Три соединения с разной структурой имеют свой запах.

Но что заставляет данное вещество вызывать именно такое, а не другое обонятельное ощущение?

Для обонятельного вкуса установлено пять основных вкусов: соленый, сладкий, горький, кислый, оун (мясной) и столько же типов рецепторов на языке. В случае запаха неизвестно даже, сколько основных ароматов существует и есть ли они вообще. Строение молекул определенно определяет запах, но почему бывает так, что соединения с похожей структурой пахнут совершенно по-разному (2), а совершенно непохожие – одинаково (3)?

3. Соединение слева пахнет мускусом (парфюмерный ингредиент), а справа – практически идентично по структуре – не имеет запаха.

Почему большинство сложных эфиров приятно пахнут, а соединения серы неприятно (этот факт, вероятно, можно объяснить)? Некоторые совершенно нечувствительны к определенным запахам, а по статистике у женщин нос более чувствительный, чем у мужчин. Это предполагает генетические условия, т.е. наличие специфических белков в рецепторах.

В любом случае вопросов больше, чем ответов, и разработано несколько теорий, объясняющих загадки аромата.

Ключ и замок

Первый основан на проверенном ферментативном механизме, когда молекула реагента входит в полость молекулы фермента (активный центр), как ключ от замка. Таким образом, они пахнут потому, что форма их молекул соответствует полостям на поверхности рецепторов, а определенные группы атомов связываются с ее частями (таким же образом ферменты связывают реагенты).

Вкратце это теория запаха, разработанная британским биохимиком. Джона Э. Амуреа. Он выделил семь основных ароматов: камфорно-мускусный, цветочный, мятный, эфирный, пряный и гнилостный (остальные представляют собой их сочетания). Молекулы соединений с похожим запахом также имеют сходное строение, например, имеющие сферическую форму пахнут камфорой, а соединения с неприятным запахом включают серу.

Структурная теория оказалась успешной — например, она объяснила, почему мы через какое-то время перестаем воспринимать запах. Это связано с блокировкой всех рецепторов молекулами, несущими данный запах (так же, как и в случае ферментов, занятых избытком субстратов). Однако эта теория не всегда могла установить связь между химической структурой соединения и его запахом. Она не смогла с достаточной вероятностью предсказать запах вещества до его получения. Она также не смогла объяснить интенсивный запах малых молекул, таких как аммиак и сероводород. Поправки, внесенные Амуром и его преемниками (включая увеличение числа базовых ароматов), не устранили всех недостатков структурной теории.

Вибрирующие молекулы

Атомы в молекулах постоянно вибрируют, растягивая и изгибая связи между собой, и движение не прекращается даже при абсолютном нуле температур. Молекулы поглощают энергию колебаний, лежащую в основном в инфракрасном диапазоне излучения. Этот факт был использован в ИК-спектроскопии, являющейся одним из основных методов определения строения молекул — не бывает двух разных соединений с одинаковым ИК-спектром (кроме так называемых оптических изомеров).

Творцы вибрационная теория запаха (Дж. М. Дайсон, Р. Х. Райт) обнаружены связи между частотой вибраций и воспринимаемым запахом. Колебания резонансом вызывают колебания рецепторных молекул в обонятельном эпителии, что изменяет их структуру и посылает нервный импульс в головной мозг. Предполагалось, что существует около двадцати типов рецепторов и, следовательно, столько же основных ароматов.

В 70-х годах сторонники обеих теорий (вибрационной и структурной) ожесточенно конкурировали друг с другом.

Вибрионисты объяснили проблему запаха малых молекул тем, что их спектры подобны фрагментам спектров более крупных молекул, имеющих аналогичный запах. Однако они не смогли объяснить, почему некоторые оптические изомеры с одинаковыми спектрами имеют совершенно разные запахи (4).

4. Оптические изомеры карвона: сорт S пахнет тмином, сорт R – мятой.

Структуралисты без труда объяснили этот факт — рецепторы, действующие подобно ферментам, распознают даже столь тонкие различия между молекулами. Вибрационная теория также не могла предсказать силу запаха, которую последователи теории Амура объясняли силой связывания носителей запаха с рецепторами.

Он пытался спасти ситуацию Л. Торинопредполагая, что обонятельный эпителий действует как сканирующий туннельный микроскоп (!). По Турину, электроны перетекают между частями рецептора, когда между ними находится фрагмент молекулы аромата с определенной частотой колебательных колебаний. Возникающие в результате изменения в структуре рецептора вызывают передачу нервного импульса. Однако модификация Турина многим ученым кажется слишком экстравагантной.

Ловушки

Молекулярная биология также пыталась разгадать тайны запахов, и это открытие несколько раз было удостоено Нобелевской премии. Рецепторы запаха человека представляют собой семейство примерно из тысячи различных белков, и гены, ответственные за их синтез, активны только в обонятельном эпителии (т.е. там, где это необходимо). Рецепторные белки состоят из спирально закрученной цепочки аминокислот. На изображении сшивающего стежка цепочка белков семь раз протыкает клеточную мембрану, отсюда и название: семиспиральные трансмембранные клеточные рецепторы ().

Фрагменты, выступающие за пределы клетки, создают ловушку, в которую могут попасть молекулы с соответствующей структурой (5). К участку рецептора, погруженному внутрь клетки, прикрепляется специфический белок G-типа.При захвате молекулы запаха в ловушку происходит активация и высвобождение G-белка, а на его место присоединяется другой G-белок, который активируется и снова высвобождается и т. д. Цикл повторяется до тех пор, пока связанная молекула аромата не будет высвобождена или разрушена ферментами, постоянно очищающими поверхность обонятельного эпителия. Рецептор может активировать даже несколько сотен молекул G-белка, а такой высокий коэффициент усиления сигнала позволяет реагировать даже на следовые количества ароматизаторов (6). Активированный G-белок запускает цикл химических реакций, которые приводят к посылке нервного импульса.

5. Вот так выглядит рецептор запаха — белок 7ТМ.

Приведенное выше описание функционирования обонятельных рецепторов аналогично представленному в структурной теории. Поскольку происходит связывание молекул, можно утверждать, что колебательная теория также была отчасти верна. Это не первый случай в истории науки, когда более ранние теории не были полностью ошибочными, а просто приближались к реальности.

6. Нос человека как детектор соединений при анализе их хроматографически разделенных смесей.

Почему что-то пахнет?

Запахов намного больше, чем типов обонятельных рецепторов, а это значит, что молекулы запаха активируют несколько разных белков одновременно. на основе всей последовательности сигналов, поступающих из определенных мест обонятельной луковицы. Поскольку в состав натуральных ароматов входит даже более сотни соединений, можно представить сложность процесса создания обонятельного ощущения.

Хорошо, но почему что-то приятно пахнет, что-то отвратительно, а что-то совсем нет?

Вопрос наполовину философский, но частично на него можно ответить. За восприятие запаха отвечает мозг, который управляет поведением человека и животных, направляя его интерес на приятные запахи и предостерегая от плохо пахнущих предметов. Соблазнительные запахи обнаруживаются, среди прочего, эфиры, упомянутые в начале статьи, выделяются спелыми плодами (поэтому их стоит есть), а соединения серы выделяются из разлагающихся остатков (от них лучше держаться подальше).

Воздух не пахнет, потому что это фон, на котором распространяются запахи: однако следовые количества NH3 или H₂S, и наш орган обоняния забьет тревогу. Таким образом, восприятие запаха является сигналом о воздействии определенного фактора. отношение к видам.

Чем пахнут предстоящие праздники? Ответ показан на картинке (7).

7. Запах Рождества: слева ароматы имбирных пряников (зингерон и гингерол), справа – елки (борнилацетат и две разновидности пинена).