У хіміка ёсць нос

У артыкуле ніжэй мы паглядзім на праблему нюху вачыма хіміка - бо нос яму спатрэбіцца ў яго лабараторыі штодня.

1. Інервацыя носа чалавека - патаўшчэнне над насавой паражніной з'яўляецца нюхальнай цыбулінай (аўтар: Wikimedia/Opt1cs).

Мы можам падзяліць пачуцці на фізічнае (зрок, слых, дотык) і першасны за іх хімічная, гэта значыць густ і пах. Для першых ужо створаны штучныя аналагі (святлоадчувальныя элементы, мікрафоны, сэнсары дотыку), а вось другія да гэтага часу не здаліся «шкле і воку» навукоўцаў. Яны былі створаны мільярды гадоў таму, калі першыя клеткі сталі атрымліваць хімічныя сігналы з навакольнага асяроддзя.

Нюх з часам аддзяліўся ад смаку, хоць гэта адбываецца не ва ўсіх арганізмаў. Жывёлы і расліны ўвесь час нюхаюць сваё асяроддзе, і інфармацыя, атрыманая такім чынам, значна важней, чым здаецца на першы погляд. Таксама для візуальных і слыхавых навучэнцаў, у тым ліку людзей.

Нюхальныя сакрэты

Пры ўдыху паветраная бруя накіроўваецца ў нос і, перш чым рухацца далей, пападае ў спецыялізаваную тканіну - нюхальны эпітэлій памерам у некалькі сантыметраў.². Тут знаходзяцца канчаткі нервовых клетак, якія ўлоўліваюць пахавыя раздражняльнікі. Сігнал, атрыманы ад рэцэптараў, паступае ў нюхальную цыбуліну ў галаўным мозгу, а адтуль у іншыя яго аддзелы (1). Кончык пальца змяшчае ўзоры водараў, характэрныя для кожнага віду. Чалавек можа распазнаць каля 10 XNUMX з іх, а навучаныя адмыслоўцы парфумернай галіны могуць распазнаць значна больш.

Пахі выклікаюць рэакцыі ў арганізме, як усвядомленыя (напрыклад, вы ўздрыгваеце ад непрыемнага паху), так і падсвядомыя. Маркетолагі карыстаюцца каталогам парфумерных асацыяцый. Іх ідэя складаецца ў тым, каб араматызаваць паветра ў крамах водарам ёлкі і пернікаў у пераднавагодні перыяд, што выклікае ва ўсіх дадатныя эмоцыі і павялічвае жаданне купляць падарункі. Сапраўды гэтак жа пах свежага хлеба ў харчовым аддзеле прымусіць вашу сліну капаць у рот, і вы пакладзеце больш у кошык.

2. Камфара часта выкарыстоўваецца ў сагравальных мазях. Тры злучэнні з рознай структурай маюць свой пах.

Але што прымушае дадзенае рэчыва выклікаць менавіта такое, а не іншае нюхальнае адчуванне?

Для нюхальнага густу ўсталявана пяць асноўных густаў: салёны, салодкі, горкі, кіслы, оун (мясной) і столькі ж тыпаў рэцэптараў на мове. У выпадку паху невядома нават, колькі асноўных водараў існуе і ці ёсць яны ўвогуле. Будова малекул вызначана вызначае пах, але чаму бывае так, што злучэнні з падобнай структурай пахнуць зусім па-рознаму (2), а зусім непадобныя - аднолькава (3)?

3. Злучэнне злева пахне мускусам (парфумерны інгрэдыент), а справа - практычна ідэнтычна па структуры - не мае паху.

Чаму большасць складаных эфіраў прыемна пахнуць, а злучэнні серы непрыемна (гэты факт, верагодна, можна растлумачыць)? Некаторыя зусім неадчувальныя да вызначаных пахаў, а па статыстыцы ў жанчын нос больш адчувальны, чым у мужчын. Гэта мяркуе генетычныя ўмовы, г.зн. наяўнасць спецыфічных бялкоў у рэцэптарах.

У любым выпадку пытанняў больш, чым адказаў, і распрацавана некалькі тэорый, якія тлумачаць загадкі водару.

Ключ і замак

Першы заснаваны на правераным ферментатыўным механізме, калі малекула рэагента ўваходзіць у паражніну малекулы фермента (актыўны цэнтр), як ключ ад замка. Такім чынам, яны павеюць таму, што форма іх малекул адпавядае паражнінам на паверхні рэцэптараў, а вызначаныя групы атамаў злучаюцца з яе часткамі (такім жа выявай ферменты злучаюць рэагенты).

Сцісла гэта тэорыя паху, распрацаваная брытанскім біяхімікам. Джона Э. Амурэа. Ён вылучыў сем асноўных водараў: камфорна-мускусны, кветкавы, мятны, эфірны, рэзкі і гніласны (астатнія ўяўляюць сабой іх спалучэнні). Малекулы злучэнняў з падобным пахам таксама маюць падобны будынак, напрыклад, якія маюць сферычную форму пахнуць камфарай, а злучэнні з непрыемным пахам уключаюць серу.

Структурная тэорыя аказалася паспяховай - напрыклад, яна патлумачыла, чаму мы праз нейкі час перастаем успрымаць пах. Гэта злучана з блакаваннем усіх рэцэптараў малекуламі, якія нясуць дадзены пах (гэтак жа, як і ў выпадку ферментаў, занятых лішкам субстратаў). Аднак гэтая тэорыя не заўсёды магла ўстанавіць сувязь паміж хімічнай структурай злучэння і яго пахам. Яна не змагла з дастатковай верагоднасцю прадказаць пах рэчыва да яго атрымання. Яна таксама не змагла растлумачыць інтэнсіўны пах малых малекул, такіх як аміяк і серавадарод. Папраўкі, унесеныя Амурам і яго пераемнікамі (уключаючы павелічэнне колькасці базавых водараў), не ўхілілі ўсіх недахопаў структурнай тэорыі.

Якія вібруюць малекулы

Атамы ў малекулах увесь час вібруюць, расцягваючы і выгінаючы сувязі паміж сабой, і рух не спыняецца нават пры абсалютным нулі тэмператур. Малекулы паглынаюць энергію ваганняў, якая ляжыць у асноўным у інфрачырвоным дыяпазоне выпраменьвання. Гэты факт быў выкарыстаны ў ВК-спектраскапіі, якая з'яўляецца адным з асноўных метадаў вызначэння будовы малекул - не бывае двух розных злучэнняў з аднолькавым ВК-спектрам (акрамя так званых аптычных ізамерыя).

Творцы вібрацыйная тэорыя паху (Дж. М. Дайсан, Р. Х. Райт) выяўлены сувязі паміж частатой вібрацый і ўспрыманым пахам. Ваганні рэзанансам выклікаюць ваганні рэцэптарных малекул у нюхальным эпітэліі, што змяняе іх структуру і пасылае нервовы імпульс у галаўны мозг. Меркавалася, што існуе каля дваццаці тыпаў рэцэптараў і, такім чынам, столькі ж асноўных водараў.

У 70-х гадах прыхільнікі абедзвюх тэорый (вібрацыйнай і структурнай) разлютавана канкуравалі сябар з сябрам.

Вібрыяністы растлумачылі праблему паху малых малекул тым, што іх спектры падобныя фрагментам спектраў буйнейшых малекул, якія маюць аналагічны пах. Аднак яны не змаглі растлумачыць, чаму некаторыя аптычныя ізамеры з аднолькавымі спектрамі маюць зусім розныя пахі (4).

4. Аптычныя ізамеры карвона: гатунак S пахне кменам, гатунак R - мятай.

Структуралісты без працы растлумачылі гэты факт - рэцэптары, якія дзейнічаюць падобна ферментам, распазнаюць нават гэтак тонкія адрозненні паміж малекуламі. Вібрацыйная тэорыя таксама не магла прадказаць сілу паху, якую паслядоўнікі тэорыі Амура тлумачылі сілай звязвання носьбітаў паху з рэцэптарамі.

Ён спрабаваў выратаваць сітуацыю Л. Торынамяркуючы, што нюхальны эпітэлій дзейнічае як сканавальны тунэльны мікраскоп (!). Па Турыне, электроны перацякаюць паміж часткамі рэцэптара, калі паміж імі знаходзіцца фрагмент малекулы водару з вызначанай частатой вагальных ваганняў. Якія ўзнікаюць у выніку змены ў структуры рэцэптара выклікаюць перадачу нервовага імпульсу. Аднак мадыфікацыя Турына многім вучоным здаецца занадта экстравагантнай.

пасткі

Малекулярная біялогія таксама спрабавала разгадаць таямніцы пахаў, і гэтае адкрыццё некалькі разоў было ўдастоена Нобелеўскай прэміі. Рэцэптары паху чалавека ўяўляюць сабой сямейства прыкладна з тысячы розных бялкоў, і гены, адказныя за іх сінтэз, актыўныя толькі ў нюхальнай эпітэліі (г.зн. там, дзе гэта неабходна). Рэцэптарныя вавёркі складаюцца з спіральна закручанага ланцужка амінакіслот. На малюнку які сшывае сцежка ланцужок бялкоў сем разоў пратыкае клеткавую мембрану, адгэтуль і назоў: сяміспіральныя трансмембранныя клеткавыя рэцэптары ().

Фрагменты, якія выступаюць за межы клеткі, ствараюць пастку, у якую могуць патрапіць малекулы з адпаведнай структурай (5). Да ўчастку рэцэптара, пагружанага ўнутр клеткі, прымацоўваецца спецыфічны бялок G-тыпу. Пры захопе малекулы паху ў пастку адбываецца актывацыя і вызваленне G-бялку, а на яго месца далучаецца іншы G-бялок, які актывуецца і зноў вызваляецца і т. д. паўтараецца да таго часу, пакуль звязаная малекула водару не будзе вызвалена або разбурана ферментамі, якія пастаянна ачышчаюць паверхню нюхальнага эпітэлія. Рэцэптар можа актываваць нават некалькі сотняў малекул G-бялку, а такі высокі каэфіцыент узмацнення сігналу дазваляе рэагаваць нават на следавыя колькасці араматызатараў (6). Актываваны G-бялок запускае цыкл хімічных рэакцый, якія прыводзяць да пасылкі нервовага імпульсу.

5. Вось так выглядае рэцэптар паху - бялок 7ТМ.

Прыведзенае вышэй апісанне функцыянавання нюхальных рэцэптараў аналагічна прадстаўленаму ў структурнай тэорыі. Паколькі адбываецца звязванне малекул, можна сцвярджаць, што вагальная тэорыя таксама была збольшага дакладная. Гэта не першы выпадак у гісторыі навукі, калі больш раннія тэорыі не былі поўнасцю памылковымі, а проста набліжаліся да рэальнасці.

6. Нос чалавека як дэтэктар злучэнняў пры аналізе іх храматаграфічна падзеленых сумесей.

Чаму нешта пахне?

Пахаў нашмат больш, чым тыпаў нюхальных рэцэптараў, а гэта значыць, што малекулы паху актывуюць некалькі розных бялкоў адначасова. на аснове ўсёй паслядоўнасці сігналаў, якія паступаюць з вызначаных месцаў нюхальнай цыбуліны. Паколькі ў склад натуральных водараў уваходзіць нават больш за сотню злучэнняў, можна ўявіць складанасць працэсу стварэння нюхальнага адчування.

Добра, але чаму нешта прыемна пахне, нешта агідна, а нешта зусім не?

Пытанне напалову філасофскае, але часткова на яго можна адказаць. За ўспрыманне паху адказвае мозг, які кіруе паводзінамі чалавека і жывёл, накіроўваючы яго цікавасць на прыемныя пахі і перасцерагаючы ад дрэнна пахнуць прадметаў. Спакуслівыя пахі выяўляюцца, сярод іншага, эфіры, згаданыя ў пачатку артыкула, вылучаюцца саспелымі пладамі (таму іх варта ёсць), а злучэнні серы вылучаюцца з раскладаюцца рэшткаў (ад іх лепш трымацца далей).

Паветра не пахне, таму што гэта фон, на якім распаўсюджваюцца пахі: аднак следавыя колькасці NH3 ці H₂S, і наш орган нюху заб'е трывогу. Такім чынам, успрыманне паху з'яўляецца сігналам аб уздзеянні вызначанага фактару. стаўленне да відаў.

Чым пахнуць надыходзячыя святы? Адказ паказаны на малюнку (7).

7. Пах Раства: злева водары імбірных пернікаў (зінгерон і гінгерол), справа – ёлкі (барнілацэтат і дзве разнавіднасці пінена).