Ahli kimia mempunyai hidung

Dalam artikel di bawah, kita akan melihat masalah bau melalui mata seorang ahli kimia - lagipun, hidungnya akan berguna di makmalnya setiap hari.

1. Innervation pada hidung manusia - penebalan di atas rongga hidung ialah mentol olfaktori (pengarang: Wikimedia/Opt1cs).

Kita boleh berkongsi perasaan fizikal (penglihatan, pendengaran, sentuhan) dan asasnya kimiaiaitu rasa dan bau. Untuk yang pertama, analog tiruan telah pun dibuat (elemen sensitif cahaya, mikrofon, sensor sentuh), tetapi yang terakhir masih belum menyerah kepada "kaca dan mata" saintis. Mereka dicipta berbilion tahun yang lalu apabila sel pertama mula menerima isyarat kimia dari alam sekitar.

Bau akhirnya dipisahkan daripada rasa, walaupun ini tidak berlaku dalam semua organisma. Haiwan dan tumbuhan sentiasa menghidu persekitaran mereka, dan maklumat yang diperoleh dengan cara ini adalah lebih penting daripada yang kelihatan pada pandangan pertama. Juga untuk pelajar visual dan auditori, termasuk manusia.

Rahsia Olfaktori

Apabila anda menyedut, aliran udara mengalir masuk ke dalam hidung dan, sebelum bergerak, memasuki tisu khusus - epitelium penciuman bersaiz beberapa sentimeter.². Berikut adalah penghujung sel saraf yang menangkap rangsangan bau. Isyarat yang diterima daripada reseptor bergerak ke mentol pencium di otak, dan dari sana ke bahagian lain otak (1). Hujung jari mengandungi corak bau khusus untuk setiap spesies. Seorang manusia boleh mengenali kira-kira 10 daripadanya, dan profesional terlatih dalam industri minyak wangi boleh mengenali lebih banyak lagi.

Bau menyebabkan tindak balas dalam badan, kedua-dua sedar (contohnya, anda terkejut dengan bau busuk) dan bawah sedar. Pemasar menggunakan katalog persatuan minyak wangi. Idea mereka adalah untuk menyedapkan udara di kedai dengan aroma pokok Krismas dan roti halia semasa tempoh sebelum Tahun Baru, yang menyebabkan emosi positif dalam semua orang dan meningkatkan keinginan untuk membeli hadiah. Begitu juga, bau roti segar di bahagian makanan akan membuat air liur anda menitis ke dalam mulut anda, dan anda akan memasukkan lebih banyak ke dalam bakul.

2. Kapur barus sering digunakan dalam memanaskan salap. Tiga sebatian dengan struktur berbeza mempunyai baunya sendiri.

Tetapi apakah yang menyebabkan bahan tertentu menyebabkan ini, dan bukan yang lain, sensasi penciuman?

Untuk rasa olfaktori, lima rasa asas telah ditetapkan: masin, manis, pahit, masam, oun (daging) dan bilangan jenis reseptor yang sama pada lidah. Dalam kes bau, tidak diketahui berapa banyak aroma asas yang wujud, atau sama ada ia wujud sama sekali. Struktur molekul pastinya menentukan bau, tetapi mengapa sebatian dengan struktur yang sama berbau sama sekali berbeza (2), dan sama sekali tidak serupa - sama (3)?

3. Sebatian di sebelah kiri berbau seperti kasturi (bahan minyak wangi), dan di sebelah kanan - struktur hampir serupa - tidak mempunyai bau.

Mengapa kebanyakan ester berbau menyenangkan, tetapi sebatian sulfur tidak menyenangkan (fakta ini mungkin boleh dijelaskan)? Ada yang benar-benar tidak sensitif terhadap bau tertentu, dan secara statistik wanita mempunyai hidung yang lebih sensitif daripada lelaki. Ini menunjukkan keadaan genetik, i.e. kehadiran protein tertentu dalam reseptor.

Walau apa pun, terdapat lebih banyak soalan daripada jawapan, dan beberapa teori telah dibangunkan untuk menjelaskan misteri wangian itu.

Kunci dan kunci

Yang pertama adalah berdasarkan mekanisme enzimatik yang terbukti, apabila molekul reagen memasuki rongga molekul enzim (pusat aktif), seperti kunci kepada kunci. Oleh itu, mereka berbau kerana bentuk molekulnya sepadan dengan rongga pada permukaan reseptor, dan kumpulan atom tertentu mengikat bahagiannya (dengan cara yang sama enzim mengikat reagen).

Ringkasnya, ini adalah teori bau yang dibangunkan oleh ahli biokimia British. John E. Amurea. Dia memilih tujuh aroma utama: camphor-musky, bunga, pudina, halus, pedas dan busuk (selebihnya adalah gabungan mereka). Molekul sebatian dengan bau yang serupa juga mempunyai struktur yang serupa, contohnya, yang mempunyai bau bentuk sfera seperti kapur barus, dan sebatian dengan bau yang tidak menyenangkan termasuk sulfur.

Teori struktur telah berjaya - sebagai contoh, ia menjelaskan mengapa kita berhenti berbau selepas beberapa ketika. Ini disebabkan oleh penyekatan semua reseptor oleh molekul yang membawa bau tertentu (sama seperti dalam kes enzim yang diduduki oleh lebihan substrat). Walau bagaimanapun, teori ini tidak selalu dapat mewujudkan hubungan antara struktur kimia sebatian dan baunya. Dia tidak dapat meramalkan bau bahan itu dengan kebarangkalian yang mencukupi sebelum mendapatkannya. Dia juga gagal menjelaskan bau sengit molekul kecil seperti ammonia dan hidrogen sulfida. Pindaan yang dibuat oleh Amur dan penggantinya (termasuk pertambahan bilangan perisa asas) tidak menghapuskan semua kelemahan teori struktur.

molekul bergetar

Atom-atom dalam molekul sentiasa bergetar, meregangkan dan membengkokkan ikatan antara mereka, dan pergerakan tidak berhenti walaupun pada suhu sifar mutlak. Molekul menyerap tenaga getaran, yang terletak terutamanya dalam julat sinaran inframerah. Fakta ini digunakan dalam spektroskopi IR, yang merupakan salah satu kaedah utama untuk menentukan struktur molekul - tidak ada dua sebatian berbeza dengan spektrum IR yang sama (kecuali isomer optik yang dipanggil).

Pencipta teori getaran bau (J. M. Dyson, R. H. Wright) mendapati hubungan antara kekerapan getaran dan bau yang dirasakan. Getaran oleh resonans menyebabkan getaran molekul reseptor dalam epitelium olfaktori, yang mengubah strukturnya dan menghantar impuls saraf ke otak. Diandaikan bahawa terdapat kira-kira dua puluh jenis reseptor dan, oleh itu, bilangan aroma asas yang sama.

Pada tahun 70-an, penyokong kedua-dua teori (vibrasi dan struktur) bersaing sengit antara satu sama lain.

Vibrionists menjelaskan masalah bau molekul kecil dengan fakta bahawa spektrum mereka adalah serupa dengan serpihan spektrum molekul yang lebih besar yang mempunyai bau yang serupa. Walau bagaimanapun, mereka tidak dapat menjelaskan mengapa sesetengah isomer optik dengan spektrum yang sama mempunyai bau yang berbeza sama sekali (4).

4. Isomer optik carvone: gred S berbau jintan, gred R berbau pudina.

Ahli struktur dengan mudah menjelaskan fakta ini - reseptor, bertindak seperti enzim, mengiktiraf walaupun perbezaan halus antara molekul. Teori getaran juga tidak dapat meramalkan kekuatan bau, yang diterangkan oleh pengikut teori Cupid dengan kekuatan pengikatan pembawa bau kepada reseptor.

Dia cuba menyelamatkan keadaan L. Torinomencadangkan bahawa epitelium olfaktori bertindak seperti mikroskop terowong pengimbasan (!). Menurut Turin, elektron mengalir di antara bahagian reseptor apabila terdapat serpihan molekul aroma di antara mereka dengan frekuensi getaran getaran tertentu. Perubahan yang terhasil dalam struktur reseptor menyebabkan penghantaran impuls saraf. Walau bagaimanapun, pengubahsuaian Turin nampaknya oleh ramai saintis terlalu boros.

Perangkap

Biologi molekul juga telah cuba merungkai misteri bau, dan penemuan ini telah dianugerahkan Hadiah Nobel beberapa kali. Reseptor bau manusia adalah keluarga kira-kira seribu protein yang berbeza, dan gen yang bertanggungjawab untuk sintesisnya hanya aktif dalam epitelium penciuman (iaitu, di mana ia diperlukan). Protein reseptor terdiri daripada rantaian heliks asid amino. Dalam imej jahitan jahitan, rantaian protein menembusi membran sel tujuh kali, maka namanya: reseptor sel transmembran tujuh heliks ,

Serpihan yang menonjol di luar sel mencipta perangkap di mana molekul dengan struktur yang sepadan boleh jatuh (5). Protein jenis G tertentu dilekatkan pada tapak reseptor, direndam di dalam sel. Apabila molekul bau ditangkap dalam perangkap, protein G diaktifkan dan dilepaskan, dan satu lagi protein G dipasang di tempatnya, yang diaktifkan dan dilepaskan semula, dsb. Kitaran berulang sehingga molekul aroma yang terikat dilepaskan atau dimusnahkan oleh enzim yang sentiasa membersihkan permukaan epitelium olfaktori. Reseptor boleh mengaktifkan walaupun beberapa ratus molekul G-protein, dan faktor penguatan isyarat yang tinggi membolehkannya bertindak balas terhadap jumlah surih perasa (6). G-protein yang diaktifkan memulakan kitaran tindak balas kimia yang membawa kepada penghantaran impuls saraf.

5. Beginilah rupa reseptor bau - protein 7TM.

Penerangan di atas tentang fungsi reseptor olfaktori adalah serupa dengan yang dibentangkan dalam teori struktur. Oleh kerana pengikatan molekul berlaku, boleh dikatakan bahawa teori getaran juga sebahagiannya betul. Ini bukan kali pertama dalam sejarah sains bahawa teori-teori terdahulu tidak sepenuhnya salah, tetapi hanya mendekati realiti.

6. Hidung manusia sebagai pengesan sebatian dalam analisis campuran diasingkan secara kromatografinya.

Mengapa sesuatu berbau?

Terdapat lebih banyak bau daripada jenis reseptor olfaktori, yang bermaksud bahawa molekul bau mengaktifkan beberapa protein yang berbeza pada masa yang sama. berdasarkan keseluruhan urutan isyarat yang datang dari tempat tertentu dalam mentol olfaktori. Oleh kerana wangian semulajadi mengandungi lebih daripada seratus sebatian, seseorang boleh membayangkan kerumitan proses mencipta sensasi penciuman.

Baiklah, tetapi mengapa ada sesuatu yang berbau harum, sesuatu yang menjijikkan, dan sesuatu yang tidak sama sekali?

Soalan itu separuh falsafah, tetapi sebahagiannya dijawab. Otak bertanggungjawab untuk persepsi bau, yang mengawal tingkah laku manusia dan haiwan, mengarahkan minat mereka kepada bau yang menyenangkan dan memberi amaran terhadap objek berbau busuk. Bau yang memikat didapati, antara lain, ester yang disebutkan di awal artikel dikeluarkan oleh buah-buahan yang masak (oleh itu ia berbaloi untuk dimakan), dan sebatian sulfur dibebaskan daripada sisa-sisa yang mereput (sebaik-baiknya menjauhinya).

Udara tidak berbau kerana ia adalah latar belakang penyebaran bau: bagaimanapun, kesan jumlah NH3 atau H₂S, dan deria bau kita akan membunyikan penggera. Oleh itu, persepsi bau adalah isyarat kesan faktor tertentu. hubungan dengan spesies.

Apakah bau cuti yang akan datang? Jawapannya ditunjukkan dalam gambar (7).

7. Bau Krismas: di sebelah kiri, perisa roti halia (zingerone dan gingerol), di sebelah kanan, pokok Krismas (bornyl acetate dan dua jenis pinene).