Apoteket har en nese

I artikkelen nedenfor vil vi se på problemet med lukt gjennom øynene til en kjemiker - tross alt vil nesen hans komme godt med i laboratoriet hans på daglig basis.

1. Innervasjon av menneskenes nese - en fortykkelse over nesehulen er luktpæren (forfatter: Wikimedia/Opt1cs).

Vi kan dele følelser fysisk (syn, hørsel, berøring) og deres primære kjemiskdvs. smak og lukt. For førstnevnte er det allerede laget kunstige analoger (lysfølsomme elementer, mikrofoner, berøringssensorer), men sistnevnte har ennå ikke overgitt seg til forskernes "glass og øye". De ble skapt for milliarder av år siden da de første cellene begynte å motta kjemiske signaler fra miljøet.

Lukt ble til slutt skilt fra smak, selv om dette ikke forekommer i alle organismer. Dyr og planter snuser stadig omgivelsene sine, og informasjonen som innhentes på denne måten er mye viktigere enn det ser ut ved første øyekast. Også for visuelle og auditive elever, inkludert mennesker.

Olfaktoriske hemmeligheter

Når du inhalerer, strømmer luftstrømmen inn i nesen, og før du går videre, kommer den inn i et spesialisert vev - luktepitelet som er flere centimeter stort.². Her er endene til nerveceller som fanger opp luktstimuli. Signalet som mottas fra reseptorene går til luktepæren i hjernen, og derfra til andre deler av hjernen (1). Fingerspissen inneholder duftmønstre som er spesifikke for hver art. Et menneske kan kjenne igjen rundt 10 av dem, og utdannede fagfolk i parfymeindustrien kan kjenne igjen mange flere.

Lukter gir reaksjoner i kroppen, både bevisst (f.eks. skremmer du av vond lukt) og underbevissthet. Markedsførere bruker katalogen over parfymeforeninger. Ideen deres er å smaksette luften i butikkene med duften av juletrær og pepperkaker i perioden før nyttår, noe som vekker positive følelser hos alle og øker lysten til å kjøpe gaver. På samme måte vil lukten av ferskt brød i matdelen få spyttet til å dryppe inn i munnen, og du legger mer i kurven.

2. Kamfer brukes ofte i varmende salver. Tre forbindelser med forskjellige strukturer har sin egen lukt.

Men hva er det som får et gitt stoff til å forårsake denne, og ikke en annen, luktfornemmelse?

For luktsmaken er det etablert fem grunnsmaker: salt, søtt, bittert, surt, oun (kjøtt) og like mange reseptortyper på tungen. Når det gjelder lukt, er det ikke engang kjent hvor mange grunnleggende aromaer som finnes, eller om de i det hele tatt finnes. Strukturen til molekylene bestemmer absolutt lukten, men hvorfor er det at forbindelser med lignende struktur lukter helt annerledes (2), og helt ulikt - det samme (3)?

3. Sammensetningen til venstre lukter musk (parfymeingrediens), og til høyre - nesten identisk i strukturen - har ingen lukt.

Hvorfor lukter de fleste estere behagelig, men svovelforbindelser ubehagelig (dette faktum kan sannsynligvis forklares)? Noen er helt ufølsomme for visse lukter, og statistisk sett har kvinner en mer følsom nese enn menn. Dette tyder på genetiske forhold, dvs. tilstedeværelsen av spesifikke proteiner i reseptorene.

Uansett er det flere spørsmål enn svar, og det er utviklet flere teorier for å forklare mysteriene til duften.

Nøkkel og lås

Den første er basert på en bevist enzymatisk mekanisme, når reagensmolekylet går inn i hulrommet til enzymmolekylet (aktivt sted), som en nøkkel til en lås. Dermed lukter de fordi formen på molekylene deres tilsvarer hulrommene på overflaten av reseptorene, og visse grupper av atomer binder seg til delene (på samme måte som enzymer binder reagenser).

Kort fortalt er dette en teori om lukt utviklet av en britisk biokjemiker. John E. Amurea. Han pekte ut syv hovedaromaer: kamfer-musky, floral, minty, eterisk, krydret og råtten (resten er kombinasjoner av dem). Molekyler av forbindelser med en lignende lukt har også en lignende struktur, for eksempel de med en sfærisk form lukter kamfer, og forbindelser med en ubehagelig lukt inkluderer svovel.

Strukturteori har vært vellykket – for eksempel forklarte den hvorfor vi slutter å lukte etter en stund. Dette skyldes blokkering av alle reseptorer av molekyler som bærer en gitt lukt (akkurat som i tilfellet med enzymer okkupert av et overskudd av substrater). Imidlertid var denne teorien ikke alltid i stand til å etablere en sammenheng mellom den kjemiske strukturen til en forbindelse og lukten. Hun var ikke i stand til å forutsi lukten av stoffet med tilstrekkelig sannsynlighet før hun fikk tak i det. Hun klarte heller ikke å forklare den intense lukten av små molekyler som ammoniakk og hydrogensulfid. Endringene gjort av Amur og hans etterfølgere (inkludert en økning i antall basissmaker) eliminerte ikke alle manglene ved strukturteorien.

vibrerende molekyler

Atomene i molekyler vibrerer konstant, strekker og bøyer bindingene seg imellom, og bevegelsen stopper ikke selv ved absolutte nulltemperaturer. Molekyler absorberer vibrasjonsenergi, som hovedsakelig ligger i det infrarøde området for stråling. Dette faktum ble brukt i IR-spektroskopi, som er en av hovedmetodene for å bestemme strukturen til molekyler - det er ikke to forskjellige forbindelser med samme IR-spekter (bortsett fra de såkalte optiske isomerene).

Skapere vibrasjonsteori om lukt (J.M. Dyson, R.H. Wright) funnet sammenhenger mellom frekvensen av vibrasjoner og den oppfattede lukten. Vibrasjoner ved resonans forårsaker vibrasjoner av reseptormolekyler i luktepitelet, som endrer strukturen deres og sender en nerveimpuls til hjernen. Det ble antatt at det var rundt tjue typer reseptorer og derfor samme antall grunnleggende aromaer.

På 70-tallet konkurrerte tilhengerne av begge teoriene (vibrasjons- og strukturelle) hardt med hverandre.

Vibrionister forklarte problemet med lukten av små molekyler ved at spektrene deres ligner fragmenter av spektrene til større molekyler som har en lignende lukt. De klarte imidlertid ikke å forklare hvorfor noen optiske isomerer med samme spektre har helt forskjellige lukter (4).

4. Optiske isomerer av karvon: grad S lukter spisskummen, klasse R lukter mynte.

Strukturalister har ingen problemer med å forklare dette faktum - reseptorer, som fungerer som enzymer, gjenkjenner selv slike subtile forskjeller mellom molekyler. Vibrasjonsteorien kunne heller ikke forutsi styrken til lukten, noe tilhengerne av Cupids teori forklarte med styrken til bindingen av luktbærere til reseptorer.

Han prøvde å redde situasjonen L. Torinoantyder at luktepitelet fungerer som et skanningstunnelmikroskop (!). I følge Torino strømmer elektroner mellom deler av reseptoren når det er et fragment av et aromamolekyl mellom dem med en viss frekvens av vibrasjonsvibrasjoner. De resulterende endringene i strukturen til reseptoren forårsaker overføring av nerveimpulsen. Imidlertid virker modifikasjonen av Torino for mange forskere for ekstravagant.

feller

Molekylærbiologi har også forsøkt å avdekke luktenes mysterier, og denne oppdagelsen har blitt tildelt Nobelprisen flere ganger. Menneskelige luktreseptorer er en familie på rundt tusen forskjellige proteiner, og genene som er ansvarlige for deres syntese, er bare aktive i luktepitelet (dvs. der det er nødvendig). Reseptorproteiner består av en spiralformet kjede av aminosyrer. I sting stitch-bildet gjennomborer en kjede av proteiner cellemembranen syv ganger, derav navnet: syv-helix transmembrane cellereseptorer 🇧🇷

Fragmenter som stikker ut utenfor cellen skaper en felle som molekyler med tilsvarende struktur kan falle ned i (5). Et spesifikt G-type protein er festet til stedet for reseptoren, nedsenket inne i cellen. Når luktmolekylet fanges i fellen, aktiveres og frigjøres G-proteinet, og et annet G-protein festes i stedet. som aktiveres og frigjøres igjen osv. Syklus gjentas til det bundne aromamolekylet frigjøres eller ødelegges av enzymer som hele tiden renser overflaten av lukteepitelet. Reseptoren kan aktivere til og med flere hundre G-proteinmolekyler, og en så høy signalforsterkningsfaktor gjør at den kan reagere på jevne spormengder av smaker (6). Det aktiverte G-proteinet starter en syklus av kjemiske reaksjoner som fører til sending av en nerveimpuls.

5. Slik ser luktreseptoren ut – protein 7TM.

Beskrivelsen ovenfor av funksjonen til luktreseptorer ligner den som presenteres i strukturteorien. Siden binding av molekyler skjer, kan det hevdes at vibrasjonsteorien også var delvis korrekt. Dette er ikke første gang i vitenskapens historie at tidligere teorier ikke var helt feil, men rett og slett nærmet seg virkeligheten.

6. Menneskenese som detektor for forbindelser i analysen av deres kromatografisk separerte blandinger.

Hvorfor lukter noe?

Det er mange flere lukter enn det finnes typer luktreseptorer, noe som gjør at luktmolekyler aktiverer flere ulike proteiner samtidig. basert på hele sekvensen av signaler som kommer fra visse steder i luktepæren. Siden naturlige dufter inneholder enda mer enn hundre forbindelser, kan man forestille seg kompleksiteten i prosessen med å skape en luktfølelse.

Ok, men hvorfor lukter noe godt, noe ekkelt og noe som ikke er i det hele tatt?

Spørsmålet er halvt filosofisk, men delvis besvart. Hjernen er ansvarlig for oppfatningen av lukt, som styrer oppførselen til mennesker og dyr, retter interessen mot behagelige lukter og advarer mot illeluktende gjenstander. Det finnes lokkende lukt, blant annet blir esterne nevnt i begynnelsen av artikkelen frigjort av modne frukter (derfor er de verdt å spise), og svovelforbindelser frigjøres fra råtnende rester (best å holde seg unna dem).

Luften lukter ikke fordi det er bakgrunnen som lukt sprer seg mot: men spormengder av NH3 eller H₂S, og luktesansen vår vil slå alarm. Dermed er oppfatningen av lukt et signal om virkningen av en viss faktor. forhold til arter.

Hvordan lukter den kommende høytiden? Svaret vises på bildet (7).

7. Lukten av jul: til venstre pepperkakesmak (zingerone og gingerol), til høyre juletrær (bornylacetat og to varianter av pinen).