El químic té nas

A l'article següent, analitzarem el problema de l'olfacte a través dels ulls d'un químic; després de tot, el seu nas serà útil al seu laboratori diàriament.

1. Innervació del nas humà: un engrossiment per sobre de la cavitat nasal és el bulb olfactiu (autor: Wikimedia/Opt1cs).

Podem compartir sentiments físic (vista, oïda, tacte) i la seva primària químicaés a dir, el gust i l'olfacte. Per als primers, ja s'han creat anàlegs artificials (elements sensibles a la llum, micròfons, sensors tàctils), però els segons encara no s'han lliurat al "vidre i l'ull" dels científics. Es van crear fa milers de milions d'anys quan les primeres cèl·lules van començar a rebre senyals químics del medi ambient.

L'olfacte finalment es va separar del gust, tot i que això no passa en tots els organismes. Els animals i les plantes ensumen constantment el seu entorn, i la informació obtinguda d'aquesta manera és molt més important del que sembla a primera vista. També per a aprenents visuals i auditius, inclosos els humans.

Secrets olfactius

Quan inhales, el corrent d'aire entra al nas i, abans de seguir endavant, entra en un teixit especialitzat: l'epiteli olfactiu de diversos centímetres de mida.². Aquí hi ha les terminacions de les cèl·lules nervioses que capturen estímuls d'olor. El senyal rebut dels receptors viatja al bulb olfactiu del cervell, i d'aquí a altres parts del cervell (1). La punta del dit conté patrons d'olor específics de cada espècie. Un humà en pot reconèixer uns 10, i els professionals formats en la indústria del perfum en poden reconèixer molts més.

Les olors provoquen reaccions a l'organisme, tant conscients (per exemple, es sobresalten davant una mala olor) com subconscients. Els venedors utilitzen el catàleg d'associacions de perfums. La seva idea és aromatitzar l'aire de les botigues amb l'aroma d'arbres de Nadal i pa de pessic durant el període pre-Any Nou, que provoca emocions positives en tothom i augmenta les ganes de comprar regals. De la mateixa manera, l'olor de pa fresc a la secció d'aliments farà que la saliva degoti a la boca i en posaràs més a la cistella.

2. La càmfora s'utilitza sovint en ungüents per escalfar. Tres compostos amb estructures diferents tenen la seva pròpia olor.

Però, què fa que una determinada substància provoqui aquesta sensació olfactiva i no una altra?

Per al gust olfactiu s'han establert cinc gustos bàsics: salat, dolç, amarg, àcid, ou (carn) i el mateix nombre de tipus de receptors a la llengua. En el cas de l'olfacte, ni tan sols se sap quants aromes bàsics existeixen, ni si n'hi ha. L'estructura de les molècules certament determina l'olor, però per què els compostos amb una estructura similar tenen una olor completament diferent (2) i completament diferent: la mateixa (3)?

3. El compost de l'esquerra fa olor a almesc (ingredient del perfum), i a la dreta, d'estructura gairebé idèntica, no té olor.

Per què la majoria dels èsters fan una olor agradable, però els compostos de sofre desagradables (aquest fet probablement es pot explicar)? Alguns són completament insensibles a determinades olors, i estadísticament les dones tenen un nas més sensible que els homes. Això suggereix condicions genètiques, és a dir. la presència de proteïnes específiques en els receptors.

En qualsevol cas, hi ha més preguntes que respostes, i s'han desenvolupat diverses teories per explicar els misteris de la fragància.

Clau i pany

El primer es basa en un mecanisme enzimàtic provat, quan la molècula de reactiu entra a la cavitat de la molècula enzimàtica (lloc actiu), com una clau d'un pany. Així, fan olor perquè la forma de les seves molècules correspon a les cavitats de la superfície dels receptors, i certs grups d'àtoms s'uneixen a les seves parts (de la mateixa manera que els enzims s'uneixen als reactius).

En resum, aquesta és una teoria de l'olfacte desenvolupada per un bioquímic britànic. Joan E. Amurea. Va destacar set aromes principals: càmfora-almesc, floral, mentolat, eteri, especiat i pútrid (la resta són combinacions d'ells). Les molècules de compostos amb una olor similar també tenen una estructura similar, per exemple, les de forma esfèrica fan olor a càmfora, i els compostos amb una olor desagradable inclouen sofre.

La teoria estructural ha tingut èxit; per exemple, va explicar per què deixem d'olorar després d'un temps. Això es deu al bloqueig de tots els receptors per molècules que porten una determinada olor (igual que en el cas dels enzims ocupats per un excés de substrats). Tanmateix, aquesta teoria no sempre va poder establir una connexió entre l'estructura química d'un compost i la seva olor. No va poder predir l'olor de la substància amb prou probabilitat abans d'obtenir-la. Tampoc va poder explicar la intensa olor de molècules petites com l'amoníac i el sulfur d'hidrogen. Les esmenes fetes per Amur i els seus successors (inclòs un augment del nombre de sabors bàsics) no van eliminar totes les deficiències de la teoria estructural.

molècules en vibració

Els àtoms de les molècules vibren constantment, estirant i doblegant els enllaços entre ells, i el moviment no s'atura fins i tot a temperatures zero absolut. Les molècules absorbeixen l'energia vibratòria, que es troba principalment en el rang de radiació infraroja. Aquest fet es va utilitzar en l'espectroscòpia IR, que és un dels principals mètodes per determinar l'estructura de les molècules: no hi ha dos compostos diferents amb el mateix espectre IR (excepte els anomenats isòmers òptics).

Creadors teoria vibracional de l'olfacte (J. M. Dyson, R. H. Wright) van trobar vincles entre la freqüència de les vibracions i l'olor percebuda. Les vibracions per ressonància provoquen vibracions de les molècules receptores a l'epiteli olfactiu, que canvia la seva estructura i envia un impuls nerviós al cervell. Es va suposar que hi havia una vintena de tipus de receptors i, per tant, el mateix nombre d'aromes bàsics.

Als anys 70, els defensors d'ambdues teories (vibracional i estructural) competien ferotgement entre ells.

Els vibrionistes van explicar el problema de l'olor de les molècules petites pel fet que els seus espectres són similars als fragments dels espectres de molècules més grans que tenen una olor similar. Tanmateix, no van poder explicar per què alguns isòmers òptics amb els mateixos espectres tenen olors completament diferents (4).

4. Isòmers òptics de la carvona: la varietat S fa olor de comí, la varietat R fa olor de menta.

Els estructuralistes no tenen cap dificultat per explicar aquest fet: els receptors, actuant com enzims, reconeixen fins i tot diferències tan subtils entre les molècules. La teoria vibracional tampoc va poder predir la força de l'olor, que els seguidors de la teoria de Cupido van explicar per la força de la unió dels portadors d'olors als receptors.

Va intentar salvar la situació L. Torícosa que suggereix que l'epiteli olfactiu actua com un microscopi de túnel d'exploració (!). Segons Torí, els electrons flueixen entre parts del receptor quan hi ha un fragment d'una molècula d'aroma entre elles amb una certa freqüència de vibracions vibratòries. Els canvis resultants en l'estructura del receptor provoquen la transmissió de l'impuls nerviós. No obstant això, la modificació de Torí sembla a molts científics massa extravagant.

Trampes

La biologia molecular també ha intentat desentranyar els misteris de les olors, i aquest descobriment ha estat guardonat diverses vegades amb el Premi Nobel. Els receptors d'olors humans són una família d'unes mil proteïnes diferents, i els gens responsables de la seva síntesi només estan actius a l'epiteli olfactiu (és a dir, on es necessita). Les proteïnes receptores consisteixen en una cadena helicoïdal d'aminoàcids. A la imatge de puntada, una cadena de proteïnes perfora la membrana cel·lular set vegades, d'aquí el nom: receptors de cèl·lules transmembrana de set hèlixs 🇧🇷

Els fragments que sobresurten fora de la cèl·lula creen una trampa a la qual poden caure molècules amb l'estructura corresponent (5). Una proteïna específica de tipus G s'uneix al lloc del receptor, immers dins de la cèl·lula. Quan la molècula d'olor és capturada a la trampa, la proteïna G s'activa i s'allibera, i una altra proteïna G s'uneix al seu lloc, que s'activa i torna a alliberar-se, etc. El cicle es repeteix fins que la molècula d'aroma lligada és alliberada o trencada per enzims que netegen constantment la superfície de l'epiteli olfactiu. El receptor pot activar fins i tot centenars de molècules de proteïna G, i un factor d'amplificació del senyal tan alt li permet respondre fins i tot a petites quantitats d'aromes (6). La proteïna G activada inicia un cicle de reaccions químiques que condueixen a l'enviament d'un impuls nerviós.

5. Així és el receptor d'olors: proteïna 7TM.

La descripció anterior del funcionament dels receptors olfactius és similar a la presentada a la teoria estructural. Com que es produeix la unió de molècules, es pot argumentar que la teoria vibracional també era en part correcta. Aquesta no és la primera vegada a la història de la ciència que les teories anteriors no estaven completament equivocades, sinó que simplement s'acostaven a la realitat.

6. Nas humà com a detector de compostos en l'anàlisi de les seves mescles separades cromatogràficament.

Per què alguna cosa fa olor?

Hi ha moltes més olors que tipus de receptors olfactius, la qual cosa significa que les molècules d'olor activen diverses proteïnes diferents al mateix temps. basat en tota la seqüència de senyals procedents de determinats llocs del bulb olfactiu. Com que les fragàncies naturals contenen fins i tot més d'un centenar de compostos, es pot imaginar la complexitat del procés de creació d'una sensació olfactiva.

D'acord, però per què alguna cosa fa bona olor, alguna cosa repugnant i alguna cosa no?

La pregunta és mig filosòfica, però parcialment contestada. El cervell és el responsable de la percepció de l'olfacte, que controla el comportament dels humans i dels animals, dirigint el seu interès cap a les olors agradables i advertint dels objectes que fan mal olor. Es troben olors seductores, entre altres coses, els èsters esmentats al principi de l'article són alliberats pels fruits madurs (per tant, val la pena menjar-los), i els compostos de sofre s'alliberen dels residus en descomposició (millor allunyar-se d'ells).

L'aire no fa olor perquè és el fons sobre el qual es propaguen les olors: tanmateix, traces de NH3 o H₂S, i el nostre olfacte farà sonar l'alarma. Així, la percepció de l'olfacte és un senyal de l'impacte d'un determinat factor. relació amb les espècies.

Quina olor fan les properes festes? La resposta es mostra a la imatge (7).

7. L'olor de Nadal: a l'esquerra, sabors de pa de pessic (zingerona i gingerol), a la dreta, arbres de Nadal (acetat de bornil i dues varietats de pinè).