Kimyagerin burnu var

Aşağıdaki makalede koku sorununa bir kimyagerin gözünden bakacağız - sonuçta burnu laboratuvarında ona her gün faydalıdır.

1. İnsan burnunun innervasyonu - burun boşluğunun üzerindeki kalınlaşma koku alma soğanıdır (yazar: Wikimedia/Opt1cs).

Duyguları paylaşabiliriz fiziksel (görme, işitme, dokunma) ve onlardan daha birincil kimyasalyani tat ve koku. Birincisi için yapay analoglar zaten yaratıldı (ışığa duyarlı elemanlar, mikrofonlar, dokunma sensörleri), ancak ikincisi henüz bilim adamlarının "camına ve gözüne" teslim olmadı. Milyarlarca yıl önce ilk hücrelerin çevrelerinden kimyasal sinyaller almaya başlamasıyla yaratıldılar.

Zamanla koku alma duyusu tat alma duyusundan ayrılmış olsa da bu durum tüm organizmalarda görülmez. Hayvanlar ve bitkiler sürekli çevrelerinin kokusunu alır ve bu şekilde elde edilen bilgiler ilk bakışta göründüğünden çok daha önemlidir. Ayrıca insanlar da dahil olmak üzere görsel ve işitsel öğrenenler için.

Koku sırları

Nefes aldığınızda, hava akımı burnunuza doğru akar ve daha fazla ilerlemeden önce özel dokuya - birkaç santimetre büyüklüğündeki koku alma epiteline - girer.². İşte koku uyaranlarını algılayan sinir hücrelerinin uçları. Reseptörlerden alınan sinyal beyindeki koku soğancığına, oradan da diğer kısımlarına girer (1). Parmak ucunda her türe özel koku örnekleri bulunur. Bir kişi bunlardan yaklaşık 10 tanesini tanıyabilir ve eğitimli parfüm uzmanları çok daha fazlasını tanıyabilir.

Kokular vücutta hem bilinçli (örneğin hoş olmayan bir kokudan ürkeriz) hem de bilinçaltında reaksiyonlara neden olur. Pazarlamacılar parfüm derneklerinin kataloğunu kullanıyor. Fikirleri, yılbaşı döneminde mağazalardaki havayı Noel ağacı ve zencefilli kurabiye kokusuyla koklamak, bu da herkeste olumlu duygular uyandırıyor ve hediye alma isteğini artırıyor. Aynı şekilde market reyonundaki taze ekmek kokusu da ağzınızı sulandıracak ve sepetinize daha fazlasını ekleyeceksiniz.

2. Kafur genellikle merhemlerin ısıtılmasında kullanılır. Farklı yapıya sahip üç bileşiğin kendine has kokusu vardır.

Peki belirli bir maddenin bu özel koku alma duyusuna neden olup başka bir kokuya neden olmamasını sağlayan şey nedir?

Koku tadı için beş temel tat belirlenmiştir: tuzlu, tatlı, acı, ekşi, oun (et) ve dilde de aynı sayıda reseptör bulunmaktadır. Koku konusunda kaç tane temel aromanın olduğu ya da var olup olmadığı bile bilinmiyor. Moleküllerin yapısı kokuyu mutlaka belirliyor ama neden benzer yapıya sahip bileşikler tamamen farklı kokuyor (2), ve tamamen farklı olanlar aynı kokuyor (3)?

3. Soldaki bileşik misk (bir parfüm bileşeni) gibi kokarken, sağdaki bileşik yapı olarak hemen hemen aynı olup kokusu yoktur.

Neden çoğu ester hoş kokar da kükürt bileşikleri hoş olmayan kokar (bu gerçek muhtemelen açıklanabilir)? Bazı insanlar belirli kokulara karşı tamamen duyarsızdır ve istatistiksel olarak kadınların burunları erkeklerden daha hassastır. Bu genetik koşulları akla getiriyor; Reseptörlerde spesifik proteinlerin varlığı.

Her durumda, cevaplardan çok sorular var ve kokunun gizemlerini açıklamak için çeşitli teoriler geliştirildi.

Anahtar ve kilit

Birincisi, reaktan molekülünün, enzim molekülünün boşluğuna (aktif bölge) bir anahtarın kilide girmesi gibi oturduğu kanıtlanmış bir enzimatik mekanizmaya dayanmaktadır. Bu nedenle, moleküllerinin şeklinin, reseptörlerin yüzeyindeki boşluklara uyması ve belirli atom gruplarının bu parçalara bağlanması (enzimlerin reaktanları bağladığı gibi) nedeniyle kokarlar.

Kısaca İngiliz biyokimyacının geliştirdiği koku teorisidir bu. Jonah E. Amurea. Yedi ana aromayı tanımladı: kafur-misk, çiçeksi, naneli, uçucu, baharatlı ve kokuşmuş (geri kalanlar bunların kombinasyonlarıdır). Benzer kokuya sahip bileşiklerin molekülleri de benzer bir yapıya sahiptir; örneğin, küresel şekilli olanlar kafur gibi kokar ve hoş olmayan bir kokuya sahip bileşikler arasında kükürt bulunur.

Yapısal teori başarılı oldu; örneğin, bir süre sonra neden kokuyu algılamayı bıraktığımızı açıkladı. Bunun nedeni, belirli bir kokuyu taşıyan moleküller tarafından tüm reseptörlerin bloke edilmesidir (fazla substrat tarafından işgal edilen enzimlerde olduğu gibi). Ancak bu teori her zaman bir bileşiğin kimyasal yapısı ile kokusu arasında bir bağlantı kuramamıştır. Maddeyi almadan önce kokusunu yeterli olasılıkla tahmin edemiyordu. Ayrıca amonyak ve hidrojen sülfür gibi küçük moleküllerin yoğun kokusunu da açıklayamadı. Cupid ve onun halefleri tarafından yapılan değişiklikler (temel tatların sayısının arttırılması dahil) yapısal teorinin tüm eksikliklerini ortadan kaldırmadı.

Titreşimli moleküller

Moleküllerdeki atomlar sürekli titreşir, aralarındaki bağları esnetir ve büker ve mutlak sıfır sıcaklıklarda bile hareket durmaz. Moleküller, esas olarak kızılötesi radyasyon aralığında yer alan titreşim enerjisini emer. Bu gerçek, moleküllerin yapısını belirlemenin ana yöntemlerinden biri olan IR spektroskopisinde kullanıldı - aynı IR spektrumuna sahip iki farklı bileşik yoktur (optik izomerler olarak adlandırılanlar hariç).

yaratıcılar kokunun titreşim teorisi (J.M. Dyson, R.H. Wright) Titreşim frekansı ile algılanan koku arasında bağlantılar bulunmuştur. Rezonanslı titreşimler, koku alma epitelindeki reseptör moleküllerinin titreşimlerine neden olur, bu da onların yapısını değiştirir ve beyne bir sinir uyarısı gönderir. Yaklaşık yirmi tür reseptörün ve dolayısıyla aynı sayıda temel aromanın olduğu varsayılmıştır.

70'lerde her iki teorinin (titreşimsel ve yapısal) savunucuları birbirleriyle kıyasıya yarıştı.

Vibrio bilim adamları, küçük moleküllerin koku problemini, spektrumlarının benzer kokuya sahip daha büyük moleküllerin spektrum parçalarına benzer olmasıyla açıkladılar. Ancak aynı spektruma sahip bazı optik izomerlerin neden tamamen farklı kokulara sahip olduğunu açıklayamadılar (4).

4. Karvonun optik izomerleri: S sınıfı kimyon gibi kokar, R sınıfı nane gibi kokar.

Yapısalcılar bu gerçeği kolayca açıkladılar; enzim gibi davranan reseptörler, moleküller arasındaki bu kadar ince farkları bile tanırlar. Titreşim teorisi aynı zamanda kokunun gücünü de tahmin edemedi; Cupid teorisinin takipçileri bunu, koku taşıyıcılarının reseptörlere bağlanma gücüyle açıkladı.

Durumu kurtarmaya çalıştı L.Torinokoku alma epitelinin taramalı tünelleme mikroskobu (!) gibi davrandığını öne sürüyor. Turin'e göre, aralarında belirli bir titreşim frekansına sahip bir aroma molekülünün bir parçası olduğunda elektronlar, reseptörün parçaları arasında akıyor. Reseptör yapısında ortaya çıkan değişiklikler sinir impulsunun iletilmesine neden olur. Ancak Torino'daki modifikasyon birçok bilim adamına çok abartılı görünüyor.

tuzakları

Moleküler biyoloji de kokunun gizemlerini çözmeye çalıştı ve bu keşif birçok kez Nobel Ödülü'ne layık görüldü. İnsan koku reseptörleri yaklaşık bin farklı proteinden oluşan bir ailedir ve bunların sentezinden sorumlu genler yalnızca koku alma epitelinde (yani ihtiyaç duyulan yerde) aktiftir. Reseptör proteinleri sarmal bir amino asit zincirinden oluşur. Çapraz bağlama dikişi görüntüsünde, bir protein zinciri hücre zarını yedi kez delmektedir, dolayısıyla adı da buradan gelmektedir: yedi sarmal transmembran hücre reseptörleri ().

Hücre dışına çıkan parçalar, uygun yapıya sahip moleküllerin girebileceği bir tuzak oluşturur (5). Hücrenin içine daldırılmış reseptör bölgesine spesifik bir G-tipi protein bağlanır.Bir koku molekülü bir tuzakta yakalandığında, G-proteini aktive edilir ve serbest bırakılır ve onun yerine başka bir G-proteini bağlanır, o da aktive olur ve tekrar serbest bırakılır, vb. Döngü, bağlı aroma molekülü, koku alma epitelinin yüzeyini sürekli olarak temizleyen enzimler tarafından serbest bırakılana veya yok edilene kadar tekrarlanır. Reseptör birkaç yüz G protein molekülünü bile aktive edebilir ve böylesine yüksek bir sinyal amplifikasyon faktörü, onun eser miktardaki tatlandırıcılara bile yanıt vermesine olanak tanır (6). Aktive edilmiş G proteini, sinir uyarısının gönderilmesine yol açan bir kimyasal reaksiyon döngüsü başlatır.

5. Koku reseptörü böyle görünüyor - protein 7TM.

Koku alma reseptörlerinin işleyişine ilişkin yukarıdaki açıklama, yapısal teoride sunulana benzer. Moleküllerin bağlanması meydana geldiğinden titreşim teorisinin de kısmen doğru olduğu ileri sürülebilir. Bu, bilim tarihinde daha önceki teorilerin tamamen yanlış olmayıp yalnızca gerçeğe daha yakın olduğu ilk durum değil.

6. Kromatografik olarak ayrılmış karışımların analizinde bileşiklerin dedektörü olarak insan burnu.

Bir şey neden kokuyor?

Koku reseptörlerinin sayısından çok daha fazla koku vardır; bu, koku moleküllerinin aynı anda birkaç farklı proteini aktive ettiği anlamına gelir. koku alma duyusunun belirli yerlerinden gelen tüm sinyal dizisine dayanmaktadır. Doğal kokular yüzden fazla bileşik içerdiğinden, koku alma duyusu yaratma sürecinin karmaşıklığı tahmin edilebilir.

Tamam ama neden bir şey güzel kokarken, iğrenç bir şey kokuyor da neden hiç kokmuyor?

Soru yarı felsefi ama kısmen cevaplanabilir. Beyin, insanların ve hayvanların davranışlarını kontrol eden, ilgilerini hoş kokulara yönlendiren ve onları kötü kokulu nesnelere karşı uyaran koku algısından sorumludur. Baştan çıkarıcı kokular bulunur, diğer şeylerin yanı sıra, makalenin başında bahsedilen esterler olgun meyveler tarafından salınır (bu nedenle yemeye değer) ve çürüyen kalıntılardan kükürt bileşikleri salınır (onlardan uzak durmak daha iyidir).

Hava kokmuyor çünkü kokuların yayıldığı arka plan burasıdır: ancak eser miktarda NH3 veya H bulunur.₂S ve koku alma organımız alarmı çalacaktır. Dolayısıyla koku algısı belirli bir faktörün etkisinin bir sinyalidir. türlere karşı tutum.

Yaklaşan tatiller nasıl kokuyor? Cevap resimde (7) gösterilmektedir.

7. Noel kokusu: solda zencefilli kurabiye aromaları (zingerone ve gingerol), sağda - Noel ağaçları (bornil asetat ve iki çeşit pinen).