De scheikundige heeft een neus

In onderstaand artikel bekijken we het reukprobleem door de ogen van een chemicus - zijn neus komt immers dagelijks van pas in zijn laboratorium.

1. Innervatie van de menselijke neus - de verdikking boven de neusholte is de reukbol (auteur: Wikimedia/Opt1cs).

We kunnen gevoelens delen fysiek (zien, horen, aanraken) en hun primaire chemischd.w.z. smaak en geur. Voor de eerste zijn al kunstmatige analogen gemaakt (lichtgevoelige elementen, microfoons, aanraaksensoren), maar de laatste hebben zich nog niet overgegeven aan het ‘glas en oog’ van wetenschappers. Ze ontstonden miljarden jaren geleden toen de eerste cellen chemische signalen uit de omgeving begonnen te ontvangen.

Geur wordt uiteindelijk gescheiden van smaak, hoewel dit niet bij alle organismen voorkomt. Dieren en planten snuffelen voortdurend aan hun omgeving, en de op deze manier verkregen informatie is veel belangrijker dan het op het eerste gezicht lijkt. Ook voor visuele en auditieve leerlingen, inclusief mensen.

Olfactorische geheimen

Wanneer je inademt, stroomt de luchtstroom de neus in en komt, voordat je verder gaat, in een gespecialiseerd weefsel terecht: het reukepitheel van enkele centimeters groot.². Hier zijn de uiteinden van zenuwcellen die geurprikkels opvangen. Het signaal dat van de receptoren wordt ontvangen, gaat naar de reukbol in de hersenen en van daaruit naar andere delen van de hersenen (1). De vingertop bevat geurpatronen die specifiek zijn voor elke soort. Een mens kan er ongeveer tien herkennen, en getrainde professionals in de parfumindustrie kunnen er nog veel meer herkennen.

Geuren veroorzaken reacties in het lichaam, zowel bewust (je schrikt bijvoorbeeld van een slechte geur) als onbewust. Marketeers gebruiken de catalogus van parfumassociaties. Hun idee is om de lucht in de winkels op smaak te brengen met de geur van kerstbomen en peperkoek tijdens de periode vóór het nieuwe jaar, wat bij iedereen positieve emoties veroorzaakt en de wens om cadeaus te kopen vergroot. Op dezelfde manier zal de geur van vers brood in de voedselafdeling ervoor zorgen dat je speeksel in je mond druppelt, en je stopt meer in de mand.

2. Kamfer wordt vaak gebruikt in verwarmende zalven. Drie verbindingen met verschillende structuren hebben hun eigen geur.

Maar wat zorgt ervoor dat een bepaalde stof deze, en niet een andere, reuksensatie veroorzaakt?

Voor de reuksmaak zijn vijf basissmaken vastgesteld: zout, zoet, bitter, zuur, oun (vlees) en evenveel receptortypen op de tong. In het geval van geur is het niet eens bekend hoeveel basisaroma's er bestaan, of dat ze überhaupt bestaan. De structuur van de moleculen bepaalt zeker de geur, maar waarom ruiken verbindingen met een vergelijkbare structuur totaal anders (2) en totaal verschillend - hetzelfde (3)?

3. De verbinding aan de linkerkant ruikt naar musk (parfumingrediënt) en aan de rechterkant - bijna identiek qua structuur - heeft geen geur.

Waarom ruiken de meeste esters aangenaam, maar zwavelverbindingen onaangenaam (dit feit kan waarschijnlijk worden verklaard)? Sommige zijn volledig ongevoelig voor bepaalde geuren, en statistisch gezien hebben vrouwen een gevoeligere neus dan mannen. Dit suggereert genetische aandoeningen, d.w.z. de aanwezigheid van specifieke eiwitten in de receptoren.

Hoe dan ook zijn er meer vragen dan antwoorden, en er zijn verschillende theorieën ontwikkeld om de mysteries van de geur te verklaren.

Sleutel en slot

De eerste is gebaseerd op een bewezen enzymatisch mechanisme, waarbij het reagensmolecuul de holte van het enzymmolecuul (actieve plaats) binnendringt, zoals een sleutel tot een slot. Ze ruiken dus omdat de vorm van hun moleculen overeenkomt met de holtes op het oppervlak van de receptoren, en bepaalde groepen atomen binden aan de delen ervan (op dezelfde manier waarop enzymen reagentia binden).

Kortom, dit is een geurtheorie ontwikkeld door een Britse biochemicus. John E. Amurea. Hij selecteerde zeven hoofdaroma's: kamfer-muskusachtig, bloemig, muntachtig, etherisch, kruidig ​​en bedorven (de rest zijn combinaties ervan). Moleculen van verbindingen met een vergelijkbare geur hebben ook een vergelijkbare structuur; die met een bolvorm ruiken bijvoorbeeld naar kamfer, en verbindingen met een onaangename geur omvatten zwavel.

De structuurtheorie is succesvol geweest; ze verklaarde bijvoorbeeld waarom we na een tijdje niet meer ruiken. Dit komt door de blokkering van alle receptoren door moleculen die een bepaalde geur met zich meedragen (net zoals in het geval van enzymen die bezet zijn door een overmaat aan substraten). Deze theorie kon echter niet altijd een verband leggen tussen de chemische structuur van een verbinding en de geur ervan. Ze kon de geur van de stof niet met voldoende waarschijnlijkheid voorspellen voordat ze deze kreeg. Ze slaagde er ook niet in de intense geur van kleine moleculen zoals ammoniak en waterstofsulfide te verklaren. De wijzigingen die door Amoer en zijn opvolgers zijn aangebracht (waaronder een toename van het aantal basissmaken) hebben niet alle tekortkomingen van de structuurtheorie geëlimineerd.

vibrerende moleculen

De atomen in moleculen trillen voortdurend, waardoor de onderlinge verbindingen worden uitgerekt en gebogen, en de beweging stopt niet, zelfs niet bij temperaturen van het absolute nulpunt. Moleculen absorberen trillingsenergie, die voornamelijk in het infrarode stralingsbereik ligt. Dit feit werd gebruikt bij IR-spectroscopie, een van de belangrijkste methoden voor het bepalen van de structuur van moleculen - er zijn geen twee verschillende verbindingen met hetzelfde IR-spectrum (behalve de zogenaamde optische isomeren).

makers vibratietheorie van geur (JM Dyson, RH Wright) vond verbanden tussen de frequentie van trillingen en de waargenomen geur. Trillingen door resonantie veroorzaken trillingen van receptormoleculen in het reukepitheel, waardoor hun structuur verandert en een zenuwimpuls naar de hersenen wordt gestuurd. Er werd aangenomen dat er ongeveer twintig soorten receptoren waren en dus hetzelfde aantal basisaroma's.

In de jaren zeventig concurreerden de voorstanders van beide theorieën (vibrationeel en structureel) hevig met elkaar.

Vibrionisten verklaarden het probleem van de geur van kleine moleculen door het feit dat hun spectra vergelijkbaar zijn met fragmenten van de spectra van grotere moleculen die een vergelijkbare geur hebben. Ze konden echter niet verklaren waarom sommige optische isomeren met dezelfde spectra totaal verschillende geuren hebben (4).

4. Optische isomeren van carvon: klasse S ruikt naar komijn, klasse R ruikt naar munt.

Structuralisten hebben er geen moeite mee dit feit te verklaren: receptoren, die als enzymen werken, herkennen zelfs zulke subtiele verschillen tussen moleculen. De trillingstheorie kon ook de sterkte van de geur niet voorspellen, wat de volgelingen van Cupido's theorie verklaarden door de kracht van de binding van geurdragers aan receptoren.

Hij probeerde de situatie te redden L. Turijnwat suggereert dat het reukepitheel werkt als een scanning tunneling microscoop (!). Volgens Turijn stromen elektronen tussen delen van de receptor wanneer er een fragment van een aromamolecuul tussen zit met een bepaalde frequentie van trillingsvibraties. De resulterende veranderingen in de structuur van de receptor veroorzaken de overdracht van de zenuwimpuls. De aanpassing van Turijn lijkt veel wetenschappers echter te extravagant.

traps

De moleculaire biologie heeft ook geprobeerd de mysteries van geuren te ontrafelen, en deze ontdekking is meerdere malen bekroond met de Nobelprijs. Menselijke geurreceptoren zijn een familie van ongeveer duizend verschillende eiwitten, en de genen die verantwoordelijk zijn voor hun synthese zijn alleen actief in het reukepitheel (d.w.z. waar het nodig is). Receptoreiwitten bestaan ​​uit een spiraalvormige keten van aminozuren. In het stitch stitch-beeld doorboort een keten van eiwitten zeven keer het celmembraan, vandaar de naam: transmembraancelreceptoren met zeven helixen ().

Fragmenten die buiten de cel uitsteken, creëren een val waarin moleculen met de overeenkomstige structuur kunnen vallen (5). Een specifiek G-type eiwit wordt vastgemaakt aan de plaats van de receptor, ondergedompeld in de cel. Wanneer het geurmolecuul in de val wordt opgevangen, wordt het G-eiwit geactiveerd en vrijgegeven, en wordt een ander G-eiwit op zijn plaats gehecht. die wordt geactiveerd en weer vrijkomt, enz. De cyclus herhaalt zich totdat het gebonden aromamolecuul wordt vrijgegeven of afgebroken door enzymen die voortdurend het oppervlak van het reukepitheel reinigen. De receptor kan zelfs enkele honderden G-eiwitmoleculen activeren, en zo'n hoge signaalversterkingsfactor maakt het mogelijk om zelfs op sporen van smaakstoffen te reageren (6). Het geactiveerde G-eiwit brengt een cyclus van chemische reacties op gang die leiden tot het verzenden van een zenuwimpuls.

5. Zo ziet de geurreceptor eruit: proteïne 7TM.

De bovenstaande beschrijving van de werking van reukreceptoren is vergelijkbaar met die gepresenteerd in de structuurtheorie. Omdat de binding van moleculen plaatsvindt, kan worden gesteld dat de trillingstheorie ook gedeeltelijk correct was. Dit is niet de eerste keer in de geschiedenis van de wetenschap dat eerdere theorieën niet helemaal verkeerd waren, maar eenvoudigweg de werkelijkheid benaderden.

6. Menselijke neus als detector van verbindingen bij de analyse van hun chromatografisch gescheiden mengsels.

Waarom stinkt iets?

Er zijn veel meer geuren dan soorten reukreceptoren, wat betekent dat geurmoleculen meerdere verschillende eiwitten tegelijkertijd activeren. gebaseerd op de hele reeks signalen die van bepaalde plaatsen in de reukbol komen. Omdat natuurlijke geuren zelfs meer dan honderd verbindingen bevatten, kun je je de complexiteit voorstellen van het proces van het creëren van een reuksensatie.

Oké, maar waarom ruikt iets lekker, iets walgelijks en iets helemaal niet?

De vraag is half filosofisch, maar gedeeltelijk beantwoord. De hersenen zijn verantwoordelijk voor de geurwaarneming, die het gedrag van mensen en dieren controleert, hun interesse richt op aangename geuren en waarschuwt voor slecht ruikende voorwerpen. Verleidelijke geuren worden onder andere aangetroffen, de aan het begin van het artikel genoemde esters worden uitgestoten door rijp fruit (daarom zijn ze de moeite waard om te eten), en zwavelverbindingen worden uitgestoten door rottende resten (het is beter om er vanaf te blijven).

De lucht ruikt niet omdat het de achtergrond is waartegen geuren zich verspreiden: er zijn echter sporen van NH3 of H₂S, en ons reukvermogen zal alarm slaan. De perceptie van geur is dus een signaal van de impact van een bepaalde factor. relatie tot soorten.

Hoe ruiken de komende feestdagen? Het antwoord wordt weergegeven in afbeelding (7).

7. De geur van Kerstmis: links peperkoekaroma's (zingerone en gingerol), rechts kerstbomen (bornylacetaat en twee soorten pineen).