Kemistillä on nenä

Alla olevassa artikkelissa tarkastellaan hajuongelmaa kemistin silmin - onhan hänen nenänsä hyödyllinen hänen laboratoriossaan päivittäin.

1. Ihmisen nenän hermotus - nenäontelon yläpuolella oleva paksuneminen on hajulamppu (kirjoittaja: Wikimedia/Opt1cs).

Voimme jakaa tunteita fyysinen (näkö, kuulo, kosketus) ja niiden ensisijainen kemiallineneli maku ja haju. Ensin mainitulle on jo luotu keinotekoisia analogeja (valoherkät elementit, mikrofonit, kosketusanturit), mutta jälkimmäiset eivät ole vielä antautuneet tutkijoiden "lasille ja silmälle". Ne luotiin miljardeja vuosia sitten, kun ensimmäiset solut alkoivat vastaanottaa kemiallisia signaaleja ympäristöstä.

Haju erottuu lopulta mausta, vaikka tätä ei esiinny kaikissa organismeissa. Eläimet ja kasvit haistelevat jatkuvasti ympäristöään, ja näin saatu tieto on paljon tärkeämpää kuin miltä ensi silmäyksellä näyttää. Myös visuaalisille ja kuuloisille oppijoille, myös ihmisille.

Hajujen salaisuudet

Kun hengität sisään, ilmavirta syöksyy nenään ja ennen kuin siirryt eteenpäin, se kulkeutuu erikoistuneeseen kudokseen - hajuepiteeliin, jonka koko on useita senttejä.². Tässä ovat hermosolujen päät, jotka sieppaavat hajuärsykkeitä. Reseptoreista vastaanotettu signaali kulkee aivojen hajusoluun ja sieltä muihin aivojen osiin (1). Sormenpäässä on kullekin lajille ominaisia ​​tuoksukuvioita. Ihminen tunnistaa niistä noin 10, ja hajuvesialan koulutetut ammattilaiset voivat tunnistaa monia muita.

Hajut aiheuttavat kehossa reaktioita, sekä tietoisia (esimerkiksi säikähdyt pahasta hajusta) että alitajuisia. Markkinoijat käyttävät hajuvesiyhdistysten luetteloa. Heidän ideansa on maustaa kauppojen ilmaa joulukuusen ja piparkakkujen tuoksulla ennen uutta vuotta, mikä herättää jokaisessa positiivisia tunteita ja lisää lahjan ostohalua. Vastaavasti ruoka-osiossa tuoreen leivän tuoksu saa sylkeä valumaan suuhusi ja koriin laitat lisää.

2. Kamferia käytetään usein lämmittävissä voiteissa. Kolmella yhdisteellä, joilla on erilainen rakenne, on oma hajunsa.

Mutta mikä saa tietyn aineen aiheuttamaan tämän, ei toisen hajuaistin?

Hajumaulle on määritetty viisi perusmakua: suolainen, makea, karvas, hapan, oun (liha) ja sama määrä reseptorityyppejä kielessä. Tuoksun osalta ei edes tiedetä, kuinka monta perusaromia on olemassa tai onko niitä ollenkaan. Molekyylien rakenne määrää varmasti hajun, mutta miksi samankaltaiset yhdisteet haisevat täysin erilaiselta (2) ja täysin erilaiselta - samalta (3)?

3. Vasemmalla oleva yhdiste haisee myskiltä (hajuveden ainesosa), ja oikealla - rakenteeltaan lähes identtinen - ei hajua.

Miksi useimmat esterit haisevat miellyttävältä, mutta rikkiyhdisteet epämiellyttävältä (tämä tosiasia voidaan todennäköisesti selittää)? Jotkut ovat täysin epäherkkiä tietyille hajuille, ja tilastollisesti naisilla on herkempi nenä kuin miehillä. Tämä viittaa geneettisiin tiloihin, ts. spesifisten proteiinien läsnäolo reseptoreissa.

Joka tapauksessa kysymyksiä on enemmän kuin vastauksia, ja useita teorioita on kehitetty selittämään tuoksun mysteereitä.

Avain ja lukko

Ensimmäinen perustuu todistettuun entsymaattiseen mekanismiin, kun reagenssimolekyyli menee entsyymimolekyylin onteloon (aktiiviseen kohtaan), kuten lukkoon avain. Siten ne haisevat, koska niiden molekyylien muoto vastaa reseptorien pinnalla olevia onteloita ja tietyt atomiryhmät sitoutuvat sen osiin (samalla tavalla entsyymit sitovat reagensseja).

Lyhyesti sanottuna tämä on brittiläisen biokemistin kehittämä hajusteoria. John E. Amurea. Hän nosti esiin seitsemän pääaromia: kamferi-myski, kukkainen, minttuinen, eteerinen, mausteinen ja mädäntynyt (loput ovat niiden yhdistelmiä). Myös samankaltaisten yhdisteiden molekyyleillä on samanlainen rakenne, esimerkiksi pallomaiset haisevat kamferilta ja epämiellyttävän hajuisia yhdisteitä ovat rikki.

Rakenneteoria on menestynyt – se esimerkiksi selitti miksi lakkaamme haistamasta hetken kuluttua. Tämä johtuu siitä, että tietyn hajun kantavat molekyylit estävät kaikki reseptorit (kuten entsyymien tapauksessa, jotka ovat ylimääräisten substraattien käytössä). Tämä teoria ei kuitenkaan aina kyennyt muodostamaan yhteyttä yhdisteen kemiallisen rakenteen ja sen hajun välille. Hän ei kyennyt ennustamaan aineen hajua riittävällä todennäköisyydellä ennen sen saamista. Hän ei myöskään pystynyt selittämään pienten molekyylien, kuten ammoniakin ja rikkivedyn, voimakasta hajua. Amurin ja hänen seuraajiensa tekemät muutokset (mukaan lukien perusmakujen määrän lisääminen) eivät poistaneet kaikkia rakenneteorian puutteita.

värähteleviä molekyylejä

Molekyyleissä olevat atomit värähtelevät jatkuvasti venyttäen ja taivuttaen sidoksia keskenään, eikä liike pysähdy edes absoluuttisessa nollalämpötiloissa. Molekyylit absorboivat värähtelyenergiaa, joka sijaitsee pääasiassa säteilyn infrapuna-alueella. Tätä tosiasiaa käytettiin IR-spektroskopiassa, joka on yksi tärkeimmistä menetelmistä molekyylien rakenteen määrittämisessä - ei ole olemassa kahta eri yhdistettä, joilla on sama IR-spektri (paitsi ns. optiset isomeerit).

Tekijät Hajun värähtelyteoria (J. M. Dyson, R. H. Wright) löysi yhteyksiä värähtelytaajuuden ja havaitun hajun välillä. Resonanssivärähtely aiheuttaa hajuepiteelissä olevien reseptorimolekyylien värähtelyä, mikä muuttaa niiden rakennetta ja lähettää hermoimpulssin aivoihin. Oletettiin, että reseptoreita oli noin kaksikymmentä tyyppiä ja siten sama määrä perusaromeja.

70-luvulla molempien teorioiden (värähtely- ja rakenteellinen) kannattajat kilpailivat kiivaasti keskenään.

Vibrionistit selittivät pienten molekyylien hajun ongelman sillä, että niiden spektrit ovat samanlaisia ​​kuin suurempien molekyylien spektrien fragmentit, joilla on samanlainen haju. He eivät kuitenkaan pystyneet selittämään, miksi joillakin optisilla isomeereillä, joilla on sama spektri, on täysin erilainen haju (4).

4. Karvonen optiset isomeerit: luokka S tuoksuu kuminalle, luokka R tuoksuu mintulta.

Strukturalisteilla ei ole vaikeuksia selittää tätä tosiasiaa - reseptorit, jotka toimivat entsyymien tavoin, tunnistavat jopa tällaiset hienovaraiset erot molekyylien välillä. Värähtelyteoria ei myöskään pystynyt ennustamaan hajun voimakkuutta, minkä Cupidin teorian kannattajat selittivät hajun kantajien sitoutumisen voimakkuudella reseptoreihin.

Hän yritti pelastaa tilanteen L. Torinoviittaa siihen, että hajuepiteeli toimii kuin pyyhkäisytunnelimikroskooppi (!). Torinon mukaan elektronit virtaavat reseptorin osien välillä, kun niiden välissä on aromimolekyylin fragmentti tietyllä värähtelytaajuudella. Tästä johtuvat muutokset reseptorin rakenteessa aiheuttavat hermoimpulssin siirtymisen. Torinon muunnelma näyttää kuitenkin monille tutkijoille liian ylelliseltä.

ansoja

Molekyylibiologia on myös yrittänyt selvittää hajujen mysteereitä, ja tämä löytö on palkittu useaan otteeseen Nobel-palkinnolla. Ihmisen hajureseptorit ovat noin tuhannen eri proteiinin perhe, ja niiden synteesistä vastaavat geenit ovat aktiivisia vain hajuepiteelissä (eli siellä, missä sitä tarvitaan). Reseptoriproteiinit koostuvat kierteisestä aminohappoketjusta. Ommelommelkuvassa proteiiniketju lävistää solukalvon seitsemän kertaa, mistä johtuu nimi: seitsemän kierteen transmembraanisolureseptorit ().

Solun ulkopuolelle työntyvät fragmentit muodostavat ansan, johon vastaavan rakenteen omaavat molekyylit voivat pudota (5). Reseptorin kohtaan kiinnittyy solun sisään upotettuna spesifinen G-tyypin proteiini, jonka hajumolekyylin jäätyessä loukkuun G-proteiini aktivoituu ja vapautuu, ja tilalle kiinnittyy toinen G-proteiini. joka aktivoituu ja vapautuu uudelleen jne. Kierto toistuu, kunnes sitoutunut aromimolekyyli vapautuu tai tuhoutuu entsyymien toimesta, jotka jatkuvasti puhdistavat hajuepiteelin pintaa. Reseptori voi aktivoida jopa useita satoja G-proteiinimolekyylejä, ja näin korkea signaalin vahvistuskerroin mahdollistaa sen, että se reagoi jopa pieniin määriin aromeja (6). Aktivoitunut G-proteiini käynnistää kemiallisten reaktioiden syklin, joka johtaa hermoimpulssin lähettämiseen.

5. Tältä hajureseptori näyttää - proteiini 7TM.

Yllä oleva kuvaus hajureseptorien toiminnasta on samanlainen kuin rakenneteoriassa. Koska molekyylien sitoutuminen tapahtuu, voidaan väittää, että myös värähtelyteoria oli osittain oikea. Tämä ei ole ensimmäinen kerta tieteen historiassa, kun aikaisemmat teoriat eivät olleet täysin vääriä, vaan yksinkertaisesti lähestyivät todellisuutta.

6. Ihmisen nenä yhdisteiden detektorina niiden kromatografisesti erotettujen seosten analysoinnissa.

Miksi jokin haisee?

Hajuja on paljon enemmän kuin hajureseptoreita, mikä tarkoittaa, että hajumolekyylit aktivoivat useita eri proteiineja samanaikaisesti. perustuu koko signaalisarjaan, joka tulee tietyistä hajulampun kohdista. Koska luonnolliset tuoksut sisältävät jopa yli sata yhdistettä, voidaan kuvitella hajuaistin luomisprosessin monimutkaisuutta.

Okei, mutta miksi jokin haisee hyvältä, jokin inhottavalta ja jokin ei ollenkaan?

Kysymys on puoliksi filosofinen, mutta osittain vastattu. Aivot ovat vastuussa hajuaistiosta, joka ohjaa ihmisten ja eläinten käyttäytymistä, ohjaa heidän kiinnostuksensa miellyttäviin tuoksuihin ja varoittaa pahanhajuisista esineistä. Houkuttelevia hajuja löytyy mm. artikkelin alussa mainitut esterit vapautuvat kypsistä hedelmistä (niitä kannattaa siis syödä), ja rikkiyhdisteitä vapautuu hajoamisjäämistä (näistä kannattaa pysyä poissa).

Ilma ei haise, koska se on tausta, jolle hajut leviävät: kuitenkin pieniä määriä NH3:a tai H:a₂S, ja hajuaistimme antaa hälytyksen. Siten hajun aistiminen on signaali tietyn tekijän vaikutuksesta. suhteessa lajeihin.

Miltä tulevat lomat tuoksuvat? Vastaus näkyy kuvassa (7).

7. Joulun tuoksu: vasemmalla piparkakkumaut (zingerone ja gingerol), oikealla joulukuuset (bornyyliasetaatti ja kaksi erilaista pineeniä).