Keemikul on nina

Allolevas artiklis vaatleme lõhnaprobleemi läbi keemiku pilgu – tema nina tuleb ju tema laboris igapäevaselt kasuks.

1. Inimese nina innervatsioon – ninaõõne kohal olev paksenemine on haistmissibul (autor: Wikimedia/Opt1cs).

Me saame jagada tundeid füüsiline (nägemine, kuulmine, puudutus) ja nende esmane keemilinest maitse ja lõhn. Esimeste jaoks on kunstlikud analoogid juba loodud (valgustundlikud elemendid, mikrofonid, puuteandurid), kuid teised pole veel teadlaste “klaasile ja silmale” alistunud. Need loodi miljardeid aastaid tagasi, kui esimesed rakud hakkasid keskkonnast keemilisi signaale vastu võtma.

Lõhn eraldus lõpuks maitsest, kuigi seda ei esine kõigis organismides. Loomad ja taimed nuusutavad pidevalt oma ümbrust ning sel viisil saadud info on palju olulisem, kui esmapilgul tundub. Samuti visuaalsetele ja auditiivsetele õppijatele, sealhulgas inimestele.

Lõhna saladused

Sissehingamisel tungib õhuvool ninna ja siseneb enne edasiliikumist spetsiaalsesse koesse - mitme sentimeetri suurusesse haistmisepiteeli.². Siin on närvirakkude lõpud, mis püüavad kinni lõhnastiimulid. Retseptoritelt saadud signaal liigub ajus asuvasse haistmissibulasse ja sealt edasi teistesse ajuosadesse (1). Sõrmeots sisaldab igale liigile omaseid lõhnamustreid. Inimene tunneb ära umbes 10 neist ja parfüümitööstuse koolitatud spetsialistid tunnevad ära palju rohkem.

Lõhnad põhjustavad kehas reaktsioone, nii teadlikke (näiteks ehmatad halva lõhna peale) kui ka alateadlikke reaktsioone. Turundajad kasutavad parfüümiühingute kataloogi. Nende idee on maitsestada kaupluste õhku aastavahetuse-eelsel perioodil kuuse- ja piparkoogilõhnaga, mis tekitab kõigis positiivseid emotsioone ja suurendab kingituste ostusoovi. Samamoodi paneb värske leiva lõhn toidurubriigis sülje suhu tilkuma ja korvi panete rohkem.

2. Kamporit kasutatakse sageli soojendavates salvides. Kolmel erineva struktuuriga ühendil on oma lõhn.

Kuid mis põhjustab konkreetse aine selle, mitte teise lõhnaaistingu?

Haistmismaitse jaoks on kehtestatud viis põhimaitset: soolane, magus, mõru, hapu, oun (liha) ja sama palju keele retseptoreid. Lõhna puhul pole isegi teada, kui palju põhiaroome eksisteerib või kas neid üldse on. Molekulide struktuur määrab kindlasti lõhna, kuid miks on nii, et sarnase struktuuriga ühendid lõhnavad täiesti erinevalt (2) ja täiesti erinevalt - sama (3)?

3. Vasakpoolne ühend lõhnab muskuse järele (parfüümi koostisosa) ja parempoolne - peaaegu identse struktuuriga - ei lõhna.

Miks enamik estreid lõhnavad meeldivalt, aga väävliühendid ebameeldivalt (see asjaolu on ilmselt seletatav)? Mõned neist on teatud lõhnade suhtes täiesti tundetud ja statistiliselt on naistel tundlikum nina kui meestel. See viitab geneetilistele tingimustele, s.t. spetsiifiliste valkude olemasolu retseptorites.

Igal juhul on küsimusi rohkem kui vastuseid ning lõhna saladuste selgitamiseks on välja töötatud mitmeid teooriaid.

Võti ja lukk

Esimene põhineb tõestatud ensümaatilisel mehhanismil, kui reagendi molekul siseneb ensüümi molekuli õõnsusse (aktiivsesse kohta) nagu luku võti. Seega lõhnavad nad, sest nende molekulide kuju vastab retseptorite pinnal olevatele õõnsustele ja teatud aatomirühmad seostuvad selle osadega (samamoodi seovad ensüümid reaktiive).

Lühidalt öeldes on see Briti biokeemiku välja töötatud lõhnateooria. John E. Amurea. Ta tõi välja seitse peamist aroomi: kampri-muskuse, lilleline, piparmündine, eeterlik, vürtsikas ja mädane (ülejäänud on nende kombinatsioonid). Sarnase lõhnaga ühendite molekulid on samuti sarnase ehitusega, näiteks sfäärilise kujuga omad lõhnavad kampri järgi ja ebameeldiva lõhnaga ühendite hulka kuulub väävel.

Struktuuriteooria on olnud edukas – näiteks selgitas see, miks me mõne aja pärast lõhna lõpetame. See on tingitud kõigi retseptorite blokeerimisest teatud lõhna kandvate molekulide poolt (nagu ka ensüümide puhul, mis on hõivatud liigse substraatidega). Kuid see teooria ei suutnud alati luua seost ühendi keemilise struktuuri ja selle lõhna vahel. Ta ei suutnud enne selle kättesaamist aine lõhna piisava tõenäosusega ennustada. Samuti ei suutnud ta selgitada väikeste molekulide, nagu ammoniaak ja vesiniksulfiid, intensiivset lõhna. Amuri ja tema järglaste tehtud muudatused (sh baasmaitsete arvu suurendamine) ei kõrvaldanud kõiki struktuuriteooria puudusi.

vibreerivad molekulid

Molekulides olevad aatomid vibreerivad pidevalt, venitades ja painutades omavahelisi sidemeid ning liikumine ei peatu isegi absoluutse nulltemperatuuri juures. Molekulid neelavad vibratsioonienergiat, mis asub peamiselt infrapunakiirguse vahemikus. Seda fakti kasutati IR-spektroskoopias, mis on üks peamisi molekulide struktuuri määramise meetodeid – pole olemas kahte erinevat ühesuguse IR-spektriga ühendit (välja arvatud nn optilised isomeerid).

Loojad Lõhna vibratsiooniteooria (J. M. Dyson, R. H. Wright) leidis seoseid vibratsiooni sageduse ja tajutava lõhna vahel. Resonantsvibratsioonid põhjustavad haistmisepiteelis olevate retseptormolekulide vibratsiooni, mis muudab nende struktuuri ja saadab ajju närviimpulsi. Eeldati, et retseptoreid on paarkümmend tüüpi ja seega sama palju põhiaroome.

70ndatel konkureerisid mõlema teooria (vibratsiooniline ja struktuurne) pooldajad omavahel ägedalt.

Vibrionistid selgitasid väikeste molekulide lõhna probleemi sellega, et nende spektrid on sarnased suuremate molekulide spektri fragmentidega, millel on sarnane lõhn. Kuid nad ei suutnud selgitada, miks mõnel sama spektriga optilisel isomeeril on täiesti erinev lõhn (4).

4. Karvooni optilised isomeerid: klass S lõhnab köömnete järgi, klass R lõhnab nagu piparmünt.

Strukturalistidel pole raskusi selle fakti selgitamisega – ensüümidena toimivad retseptorid tunnevad ära isegi sellised peened erinevused molekulide vahel. Vibratsiooniteooria ei suutnud ennustada ka lõhna tugevust, mida Cupido teooria järgijad seletasid lõhnakandjate retseptoritega seondumise tugevusega.

Ta püüdis olukorda päästa L. Torinomis viitab sellele, et haistmisepiteel toimib nagu skaneeriv tunnelmikroskoop (!). Torino sõnul liiguvad elektronid retseptori osade vahel siis, kui nende vahel on teatud vibratsioonivõnkesagedusega aroomimolekuli fragment. Sellest tulenevad muutused retseptori struktuuris põhjustavad närviimpulsi edasikandumise. Torino modifikatsioon tundub aga paljudele teadlastele liiga ekstravagantne.

Lõksud

Lõhnade saladusi on püüdnud lahti harutada ka molekulaarbioloogia ning seda avastust on korduvalt pärjatud Nobeli preemiaga. Inimese lõhnaretseptorid on umbes tuhandest erinevast valgust koosnev perekond ja nende sünteesi eest vastutavad geenid on aktiivsed ainult haistmisepiteelis (st seal, kus seda vajatakse). Retseptorvalgud koosnevad aminohapete spiraalsest ahelast. Õmbluspildil läbistab valguahel rakumembraani seitse korda, sellest ka nimi: seitsme heeliksi transmembraansete rakkude retseptorid ,

Väljapoole rakku ulatuvad killud loovad lõksu, millesse võivad langeda vastava struktuuriga molekulid (5). Retseptori kohale kinnitub spetsiifiline G-tüüpi valk, mis on sukeldatud raku sisse.Kui lõhnamolekul on püünisesse kinni jäänud, siis G-valk aktiveerub ja vabaneb ning selle asemele kinnitub teine ​​G-valk, mis aktiveerub ja jälle vabaneb jne Tsükkel kordub seni, kuni haistmisepiteeli pinda pidevalt puhastavate ensüümide toimel seondunud aroomimolekul vabaneb või laguneb. Retseptor võib aktiveerida isegi mitusada G-valgu molekuli ja nii kõrge signaali võimendustegur võimaldab tal reageerida isegi väikestele maitseainetele (6). Aktiveeritud G-valk käivitab keemiliste reaktsioonide tsükli, mis viib närviimpulsi saatmiseni.

5. Selline näeb välja lõhnaretseptor – proteiin 7TM.

Ülaltoodud haistmisretseptorite toimimise kirjeldus on sarnane struktuuriteoorias esitatule. Kuna toimub molekulide sidumine, võib väita, et ka vibratsiooniteooria oli osaliselt õige. See ei ole esimene kord teaduse ajaloos, kui varasemad teooriad ei olnud täiesti valed, vaid lihtsalt lähenesid tegelikkusele.

6. Inimese nina ühendite detektorina nende kromatograafiliselt eraldatud segude analüüsimisel.

Miks miski lõhnab?

Lõhnasid on palju rohkem kui haistmisretseptorite tüüpe, mis tähendab, et lõhnamolekulid aktiveerivad korraga mitut erinevat valku. põhineb kogu haistmissibula teatud kohtadest tulevate signaalide jada. Kuna looduslikud lõhnaained sisaldavad isegi üle saja ühendi, võib ette kujutada haistmistunde tekitamise protsessi keerukust.

Olgu, aga miks miski lõhnab hästi, midagi vastikut ja miski üldse mitte?

Küsimus on pooleldi filosoofiline, kuid osaliselt vastatud. Aju vastutab lõhna tajumise eest, mis kontrollib inimeste ja loomade käitumist, suunates nende huvi meeldivatele lõhnadele ja hoiatades halvasti lõhnavate esemete eest. Ahvatlevaid lõhnu leidub muuhulgas, artikli alguses mainitud estreid eritavad küpsed viljad (seetõttu tasub neid süüa) ning väävliühendeid eralduvad lagunemisjääkidest (parem neist eemale hoida).

Õhk ei lõhna, sest see on foon, mille taustal lõhnad levivad: NH3 või H on siiski vähesel määral₂S ja meie haistmismeel annab häirekella. Seega on lõhna tajumine signaal teatud teguri mõjust. seos liigiga.

Kuidas saabuvad pühad lõhnavad? Vastus on näidatud pildil (7).

7. Jõululõhn: vasakul piparkoogimaitsed (zingerone ja gingerol), paremal jõulupuud (bornüülatsetaat ja kahte sorti pineeni).