Il farmacista ha il naso

Nell'articolo che segue, esamineremo il problema dell'olfatto attraverso gli occhi di un chimico: dopotutto, il suo naso tornerà utile nel suo laboratorio quotidianamente.

1. Innervazione del naso umano - un ispessimento sopra la cavità nasale è il bulbo olfattivo (autore: Wikimedia/Opt1cs).

Possiamo condividere sentimenti fisico (vista, udito, tatto) e il loro primario chimicocioè gusto e olfatto. Per i primi sono già stati creati analoghi artificiali (elementi fotosensibili, microfoni, sensori tattili), ma i secondi non si sono ancora arresi al "vetro e all'occhio" degli scienziati. Sono stati creati miliardi di anni fa, quando le prime cellule hanno iniziato a ricevere segnali chimici dall'ambiente.

L'odore alla fine si è separato dal gusto, sebbene ciò non si verifichi in tutti gli organismi. Animali e piante annusano costantemente ciò che li circonda e le informazioni ottenute in questo modo sono molto più importanti di quanto sembri a prima vista. Anche per studenti visivi e uditivi, compresi gli esseri umani.

Segreti olfattivi

Quando inspiri, il flusso d'aria si precipita nel naso e, prima di andare avanti, entra in un tessuto specializzato: l'epitelio olfattivo di diversi centimetri.². Ecco le terminazioni delle cellule nervose che catturano gli stimoli olfattivi. Il segnale ricevuto dai recettori viaggia al bulbo olfattivo nel cervello e da lì ad altre parti del cervello (1). Il polpastrello contiene modelli di profumo specifici per ciascuna specie. Un essere umano può riconoscerne circa 10 e professionisti qualificati nell'industria dei profumi possono riconoscerne molti di più.

Gli odori provocano reazioni nel corpo, sia conscio (ad esempio, ti sorprendi a un cattivo odore) che subconscio. Gli esperti di marketing utilizzano il catalogo delle associazioni di profumi. La loro idea è quella di insaporire l'aria dei negozi con il profumo degli alberi di Natale e del pan di zenzero nel periodo pre-capodanno, che provoca in tutti emozioni positive e aumenta la voglia di fare regali. Allo stesso modo, l'odore del pane fresco nella sezione del cibo ti farà gocciolare la saliva in bocca e ne metterai dell'altra nel cestino.

2. La canfora è spesso usata negli unguenti riscaldanti. Tre composti con strutture diverse hanno il loro odore.

Ma cosa fa sì che una data sostanza provochi questa, e non un'altra, sensazione olfattiva?

Per il gusto olfattivo sono stati stabiliti cinque gusti fondamentali: salato, dolce, amaro, acido, oun (carne) e altrettanti tipi di recettori sulla lingua. Nel caso dell'olfatto, non si sa nemmeno quanti aromi di base esistano o se esistano affatto. La struttura delle molecole determina certamente l'odore, ma perché i composti con una struttura simile hanno un odore completamente diverso (2) e completamente dissimile - lo stesso (3)?

3. Il composto a sinistra odora di muschio (ingrediente del profumo) ea destra - quasi identico nella struttura - non ha odore.

Perché la maggior parte degli esteri ha un odore gradevole, ma i composti dello zolfo sono sgradevoli (questo fatto può probabilmente essere spiegato)? Alcuni sono completamente insensibili a determinati odori e statisticamente le donne hanno un naso più sensibile degli uomini. Ciò suggerisce condizioni genetiche, ad es. la presenza di proteine ​​specifiche nei recettori.

In ogni caso, ci sono più domande che risposte, e diverse teorie sono state sviluppate per spiegare i misteri della fragranza.

Chiave e serratura

Il primo si basa su un collaudato meccanismo enzimatico, quando la molecola del reagente entra nella cavità della molecola dell'enzima (sito attivo), come una chiave di una serratura. Pertanto, odorano perché la forma delle loro molecole corrisponde alle cavità sulla superficie dei recettori e alcuni gruppi di atomi si legano alle sue parti (allo stesso modo in cui gli enzimi legano i reagenti).

In breve, questa è una teoria dell'olfatto sviluppata da un biochimico britannico. John E. Amurea. Ha individuato sette aromi principali: canfora-muschiata, floreale, mentolato, etereo, speziato e putrido (il resto sono combinazioni di questi). Anche le molecole di composti con un odore simile hanno una struttura simile, ad esempio quelli con una forma sferica odorano di canfora e i composti con un odore sgradevole includono lo zolfo.

La teoria strutturale ha avuto successo: ad esempio, ha spiegato perché smettiamo di annusare dopo un po'. Ciò è dovuto al blocco di tutti i recettori da parte di molecole portatrici di un determinato odore (proprio come nel caso degli enzimi occupati da un eccesso di substrati). Tuttavia, questa teoria non è sempre stata in grado di stabilire una connessione tra la struttura chimica di un composto e il suo odore. Non era in grado di prevedere l'odore della sostanza con sufficiente probabilità prima di ottenerlo. Inoltre non è riuscita a spiegare l'odore intenso di piccole molecole come l'ammoniaca e l'acido solfidrico. Le modifiche apportate da Amur e dai suoi successori (compreso un aumento del numero di aromi di base) non hanno eliminato tutte le carenze della teoria strutturale.

molecole vibranti

Gli atomi nelle molecole vibrano costantemente, allungando e piegando i legami tra loro, e il movimento non si ferma nemmeno a temperature dello zero assoluto. Le molecole assorbono l'energia vibrazionale, che risiede principalmente nella gamma di radiazioni infrarosse. Questo fatto è stato utilizzato nella spettroscopia IR, che è uno dei metodi principali per determinare la struttura delle molecole: non ci sono due composti diversi con lo stesso spettro IR (ad eccezione dei cosiddetti isomeri ottici).

Creatori teoria vibrazionale dell'olfatto (J. M. Dyson, R. H. Wright) trovato collegamenti tra la frequenza delle vibrazioni e l'odore percepito. Le vibrazioni per risonanza provocano vibrazioni delle molecole recettoriali nell'epitelio olfattivo, che cambia la loro struttura e invia un impulso nervoso al cervello. Si presumeva che esistessero una ventina di tipi di recettori e, quindi, altrettanti aromi di base.

Negli anni '70, i fautori di entrambe le teorie (vibrazionale e strutturale) gareggiavano ferocemente tra loro.

I vibrionisti hanno spiegato il problema dell'odore di piccole molecole con il fatto che i loro spettri sono simili a frammenti degli spettri di molecole più grandi che hanno un odore simile. Tuttavia, non sono stati in grado di spiegare perché alcuni isomeri ottici con gli stessi spettri hanno odori completamente diversi (4).

4. Isomeri ottici del carvone: la varietà S odora di cumino, la varietà R odora di menta.

Gli strutturalisti non hanno difficoltà a spiegare questo fatto: i recettori, agendo come enzimi, riconoscono anche differenze così sottili tra le molecole. La teoria vibrazionale inoltre non poteva prevedere la forza dell'odore, che i seguaci della teoria di Cupido spiegavano con la forza del legame dei portatori di odore ai recettori.

Ha cercato di salvare la situazione L.Torinosuggerendo che l'epitelio olfattivo agisce come un microscopio a scansione tunnel (!). Secondo Torino, gli elettroni fluiscono tra le parti del recettore quando c'è un frammento di una molecola aromatica tra di loro con una certa frequenza di vibrazioni vibrazionali. I cambiamenti risultanti nella struttura del recettore provocano la trasmissione dell'impulso nervoso. Tuttavia, la modifica di Torino sembra a molti scienziati troppo stravagante.

trappole

La biologia molecolare ha anche cercato di svelare i misteri degli odori e questa scoperta è stata insignita più volte del Premio Nobel. I recettori degli odori umani sono una famiglia di circa mille proteine ​​diverse, e i geni responsabili della loro sintesi sono attivi solo nell'epitelio olfattivo (cioè dove è necessario). Le proteine ​​​​recettrici sono costituite da una catena di amminoacidi a spirale attorcigliata. Nell'immagine punto punto, una catena di proteine ​​perfora sette volte la membrana cellulare, da cui il nome: recettori cellulari transmembrana a sette eliche ().

I frammenti che sporgono all'esterno della cellula creano una trappola in cui possono cadere molecole con la struttura corrispondente (5). Una specifica proteina di tipo G è attaccata al sito del recettore, immersa all'interno della cellula.Quando la molecola dell'odore viene catturata nella trappola, la proteina G viene attivata e rilasciata e un'altra proteina G viene attaccata al suo posto, che viene attivato e rilasciato di nuovo, ecc. Il ciclo si ripete fino a quando la molecola aromatica legata non viene rilasciata o scomposta da enzimi che puliscono costantemente la superficie dell'epitelio olfattivo. Il recettore può attivare anche diverse centinaia di molecole di proteine ​​G e un fattore di amplificazione del segnale così elevato gli consente di rispondere anche a tracce di aromi (6). La proteina G attivata avvia un ciclo di reazioni chimiche che portano all'invio di un impulso nervoso.

5. Ecco come appare il recettore degli odori: proteina 7TM.

La descrizione di cui sopra del funzionamento dei recettori olfattivi è simile a quella presentata nella teoria strutturale. Poiché si verifica il legame delle molecole, si può sostenere che anche la teoria vibrazionale fosse in parte corretta. Questa non è la prima volta nella storia della scienza che le teorie precedenti non erano completamente sbagliate, ma semplicemente si avvicinavano alla realtà.

6. Naso umano come rivelatore di composti nell'analisi delle loro miscele cromatograficamente separate.

Perché qualcosa puzza?

Ci sono molti più odori che tipi di recettori olfattivi, il che significa che le molecole di odore attivano diverse proteine ​​contemporaneamente. sulla base dell'intera sequenza di segnali provenienti da determinati punti del bulbo olfattivo. Poiché le fragranze naturali contengono anche più di cento composti, si può immaginare la complessità del processo di creazione di una sensazione olfattiva.

Ok, ma perché qualcosa ha un buon odore, qualcosa di disgustoso e qualcosa per niente?

La domanda è per metà filosofica, ma parzialmente risolta. Il cervello è responsabile della percezione dell'olfatto, che controlla il comportamento di esseri umani e animali, dirigendo il loro interesse verso gli odori piacevoli e mettendo in guardia contro gli oggetti maleodoranti. Si trovano odori allettanti, tra le altre cose, gli esteri citati all'inizio dell'articolo vengono rilasciati dai frutti maturi (quindi vale la pena mangiarli) e i composti dello zolfo vengono rilasciati dai residui in decomposizione (meglio stare lontano da loro).

L'aria non odora perché è lo sfondo su cui si diffondono gli odori: tracce però di NH3 o H₂S, e il nostro senso dell'olfatto suonerà l'allarme. Pertanto, la percezione dell'olfatto è un segnale dell'impatto di un determinato fattore. relazione con le specie.

Che profumo hanno le prossime vacanze? La risposta è mostrata nella figura (7).

7. Il profumo del Natale: a sinistra aromi di pan di zenzero (zingerone e gingerolo), a destra alberi di Natale (bornyl acetato e due varietà di pinene).