A gyógyszerésznek orra van
Az alábbi cikkben egy vegyész szemével nézzük meg a szaglás problémáját – elvégre az orra a mindennapokban jól jön majd a laboratóriumában.
1. Az emberi orr beidegzése - az orrüreg feletti megvastagodás a szaglóhagyma (szerző: Wikimedia/Opt1cs).
Megoszthatjuk érzéseinket fizikai (látás, hallás, tapintás) és ezek elsődleges kémiaiazaz íz és szag. Előbbihez már készítettek mesterséges analógokat (fényérzékeny elemek, mikrofonok, érintésérzékelők), utóbbiak azonban még nem adták meg magukat a tudósok „üvegének és szemének”. Évmilliárdokkal ezelőtt keletkeztek, amikor az első sejtek kémiai jeleket kezdtek kapni a környezetből.
A szag végül elválik az íztől, bár ez nem minden szervezetben fordul elő. Az állatok és a növények folyamatosan szagolgatják környezetüket, és az így megszerzett információk sokkal fontosabbak, mint amilyennek első pillantásra tűnik. Vizuális és auditív tanulók számára is, beleértve az embereket is.
A szaglás titkai
Belégzéskor a légáram az orrba rohan, és mielőtt továbbhaladna, egy speciális szövetbe - a néhány centiméter méretű szaglóhámba - jut.2. Itt vannak az idegsejtek végződései, amelyek rögzítik a szagingereket. A receptoroktól kapott jel az agyban lévő szaglókörbe jut, onnan pedig az agy más részeibe (1). Az ujjbegy az egyes fajokra jellemző illatmintákat tartalmaz. Egy ember körülbelül 10-et képes felismerni, az illatszeripar képzett szakemberei pedig sokkal többet.
A szagok tudati (például rossz szagtól megriad) és tudatalatti reakciókat váltanak ki a testben. A marketingesek a parfümszövetségek katalógusát használják. Elképzelésük szerint az újév előtti időszakban karácsonyfa és mézeskalács illatával ízesítik a boltok levegőjét, ami mindenkiben pozitív érzelmeket vált ki és növeli az ajándékvásárlási kedvet. Hasonlóképpen, az élelmiszer részlegben a friss kenyér illatától a nyál a szádba csöpög, és többet teszel a kosárba.
2. A kámfort gyakran használják melegítő kenőcsökben. Három különböző szerkezetű vegyületnek saját szaga van.
De mi okozza egy adott anyag ezt, és nem egy másik szaglást?
A szaglóíz esetében öt alapízt állapítottak meg: sós, édes, keserű, savanyú, oun (hús) és ugyanennyi receptortípus a nyelven. A szaglás esetében még azt sem tudni, hogy hány alapvető aroma létezik, vagy egyáltalán létezik-e. A molekulák szerkezete minden bizonnyal meghatározza a szagot, de miért van az, hogy a hasonló szerkezetű vegyületek teljesen más szagúak (2), és teljesen eltérőek - ugyanaz (3)?
3. A bal oldali vegyületnek pézsma (parfüm-összetevő) illata van, a jobb oldalon pedig - szerkezetében szinte azonos - nincs szaga.
Miért van a legtöbb észter kellemes illata, de a kénvegyületek kellemetlenek (ez a tény valószínűleg megmagyarázható)? Vannak, akik teljesen érzéketlenek bizonyos szagokra, és statisztikailag a nők orra érzékenyebb, mint a férfiaké. Ez genetikai feltételekre utal, pl. specifikus fehérjék jelenléte a receptorokban.
Mindenesetre több a kérdés, mint a válasz, és több elmélet is született az illat rejtelmeinek magyarázatára.
Kulcs és zár
Az első egy bevált enzimatikus mechanizmuson alapul, amikor a reagens molekula belép az enzimmolekula üregébe (aktív hely), mint egy kulcs a zárhoz. Így illatoznak, mert molekuláik alakja megfelel a receptorok felszínén lévő üregeknek, és egyes atomcsoportok kötődnek a részeihez (ugyanúgy kötődnek az enzimek a reagensekhez).
Röviden, ez egy brit biokémikus által kidolgozott szagelmélet. John E. Amurea. Hét fő aromát emelt ki: kámforos-pézsmás, virágos, mentás, éteri, fűszeres és rothadó (a többi ezek kombinációja). A hasonló szagú vegyületek molekulái is hasonló szerkezetűek, például a gömb alakúak kámforszagúak, a kellemetlen szagú vegyületek pedig a ként.
A strukturális elmélet sikeres volt – például megmagyarázta, miért hagyjuk abba egy idő után a szagot. Ez annak köszönhető, hogy az adott szagot hordozó molekulák blokkolják az összes receptort (csakúgy, mint a szubsztráttöbblet által elfoglalt enzimek esetében). Ez az elmélet azonban nem mindig volt képes kapcsolatot létesíteni egy vegyület kémiai szerkezete és szaga között. Nem tudta kellő valószínűséggel megjósolni az anyag szagát, mielőtt megszerezte. Nem tudta megmagyarázni a kis molekulák, például az ammónia és a hidrogén-szulfid intenzív szagát sem. Az Amur és utódai által végrehajtott módosítások (köztük az alapízek számának növelése) nem szüntették meg a szerkezetelmélet minden hiányosságát.
vibráló molekulák
A molekulákban lévő atomok folyamatosan rezegnek, nyújtják és meghajlítják a kötéseket egymás között, és a mozgás még abszolút nulla hőmérsékleten sem áll meg. A molekulák elnyelik a rezgési energiát, amely főleg a sugárzás infravörös tartományában található. Ezt a tényt alkalmazták az IR spektroszkópiában, amely a molekulák szerkezetének meghatározásának egyik fő módszere - nincs két különböző, azonos IR-spektrumú vegyület (kivéve az ún. optikai izomereket).
Alkotók szaglás vibrációs elmélete (J. M. Dyson, R. H. Wright) összefüggést talált a rezgések frekvenciája és az érzékelt szag között. A rezonancia által okozott rezgések a szaglóhámban lévő receptormolekulák rezgését idézik elő, ami megváltoztatja szerkezetüket, és idegimpulzust küld az agyba. Feltételezték, hogy körülbelül húszféle receptor létezik, és ezért ugyanannyi alapvető aroma.
A 70-es években mindkét elmélet (rezgési és szerkezeti) képviselői heves versenyt folytattak egymással.
A vibrionisták a kis molekulák szagának problémáját azzal magyarázták, hogy spektrumaik hasonlóak a hasonló szagú nagyobb molekulák spektrumának töredékeihez. Azt azonban nem tudták megmagyarázni, hogy egyes azonos spektrumú optikai izomerek miért teljesen eltérő szagúak (4).
4. A karvon optikai izomerjei: az S fajta köményszagú, az R fajta menta illatú.
A strukturalistáknak nem okoz nehézséget megmagyarázni ezt a tényt - a receptorok, mint az enzimek, felismerik a molekulák közötti ilyen finom különbségeket is. A vibrációs elmélet sem tudta megjósolni a szag erősségét, amit Ámor elméletének követői a szaghordozók receptorokhoz való kötődésének erősségével magyaráztak.
Megpróbálta menteni a helyzetet L. Torinoami arra utal, hogy a szaglóhám pásztázó alagútmikroszkópként működik (!). Torinó szerint az elektronok akkor áramlanak a receptor részei között, ha egy bizonyos rezgési frekvenciájú aromamolekula töredéke van közöttük. A receptor szerkezetében bekövetkező változások okozzák az idegimpulzus átvitelét. A torinói módosítás azonban sok tudós számára túlságosan extravagánsnak tűnik.
csapdák
A molekuláris biológia is megpróbálta megfejteni a szagok rejtélyeit, és ezt a felfedezést többször is Nobel-díjjal jutalmazták. Az emberi szagreceptorok körülbelül ezerféle fehérjéből álló családot alkotnak, és a szintézisükért felelős gének csak a szaglóhámban (vagyis ott, ahol szükség van rá) aktívak. A receptorfehérjék spirálisan csavart aminosavláncból állnak. Az öltésképen egy fehérjelánc hétszer áthatol a sejtmembránon, innen a név: hét hélix transzmembrán sejtreceptorok †
A sejten kívülre kiálló töredékek csapdát hoznak létre, amelybe a megfelelő szerkezetű molekulák eshetnek (5). A receptor helyére specifikus G-típusú fehérje kötődik, a sejt belsejébe merülve, amikor a szagmolekula a csapdába kerül, a G-protein aktiválódik és felszabadul, és a helyére egy másik G-fehérje kötődik, ami aktiválódik és újra felszabadul stb. A ciklus addig ismétlődik, amíg a megkötött aromamolekula fel nem szabadul vagy lebontják a szaglóhám felületét folyamatosan tisztító enzimek. A receptor akár több száz G-protein molekulát is képes aktiválni, és egy ilyen magas jelerősítő faktor lehetővé teszi, hogy akár nyomokban is reagáljon az ízesítőkre (6). Az aktivált G-protein kémiai reakciók ciklusát indítja el, amelyek idegimpulzus küldéséhez vezetnek.
5. Így néz ki a szagreceptor - protein 7TM.
A szaglóreceptorok működésének fenti leírása hasonló a szerkezetelméletben bemutatotthoz. Mivel a molekulák kötődése megtörténik, vitatható, hogy a rezgéselmélet is részben helyes volt. Nem ez az első eset a tudomány történetében, hogy a korábbi elméletek nem teljesen tévedtek, hanem egyszerűen megközelítették a valóságot.
6. Az emberi orr mint vegyületek detektora kromatográfiás úton elválasztott keverékeik elemzésében.
Miért van valami szaga?
Sokkal több szag létezik, mint ahányféle szaglóreceptor, ami azt jelenti, hogy a szagmolekulák egyszerre több különböző fehérjét is aktiválnak. a szaglókörte bizonyos helyeiről érkező jelek teljes sorozata alapján. Mivel a természetes illatanyagok száznál is több vegyületet tartalmaznak, elképzelhető, hogy a szaglás keltésének folyamata milyen bonyolult.
Oké, de miért van valaminek jó illata, valaminek undorítónak és valaminek egyáltalán nem?
A kérdés félig filozófiai, de részben megválaszolt. Az agy felelős a szaglásért, amely szabályozza az emberek és állatok viselkedését, érdeklődésüket a kellemes szagokra irányítja, és figyelmeztet a rossz szagú tárgyakra. Csábító szagokat találunk, többek között a cikk elején említett észtereket az érett gyümölcsök bocsátják ki (ezért érdemes enni), a bomlási maradékokból pedig kénvegyületek szabadulnak fel (a legjobb, ha távol maradunk tőlük).
A levegőnek nincs szaga, mert ez az a háttér, amelyen a szagok terjednek: nyomokban azonban NH3 vagy H2S, és a szaglásunk megkongatja a vészharangot. Így a szag érzékelése egy bizonyos tényező hatásának jelzése. fajokhoz való viszony.
Milyen illatúak a közelgő ünnepek? A válasz a képen látható (7).
7. Karácsony illata: bal oldalon mézeskalács ízek (zingerone és gingerol), jobb oldalon karácsonyfák (bornil-acetát és kétféle pinén).
