Chemik má nos

V článku nižšie sa pozrieme na problém čuchu očami chemika – veď nos sa mu v laboratóriu bude hodiť denne.

1. Inervácia ľudského nosa – zhrubnutie nad nosovou dutinou je čuchový bulbus (autor: Wikimedia/Opt1cs).

Môžeme zdieľať pocity fyzický (zrak, sluch, hmat) a ich primárne chemickýteda chuť a vôňu. Pre prvé už boli vytvorené umelé analógy (prvky citlivé na svetlo, mikrofóny, dotykové senzory), ale tie druhé sa ešte nevzdali „sklo a oko“ vedcov. Vznikli pred miliardami rokov, keď prvé bunky začali prijímať chemické signály z prostredia.

Vôňa sa nakoniec oddelí od chuti, aj keď sa to nevyskytuje vo všetkých organizmoch. Zvieratá a rastliny neustále čuchajú svoje okolie a takto získané informácie sú oveľa dôležitejšie, ako sa na prvý pohľad zdá. Tiež pre zrakových a sluchových študentov, vrátane ľudí.

Čuchové tajomstvá

Pri nádychu prúdi vzduch do nosa a predtým, ako sa pohne ďalej, vnikne do špecializovaného tkaniva – čuchového epitelu veľkého niekoľko centimetrov.². Tu sú zakončenia nervových buniek, ktoré zachytávajú pachové podnety. Signál prijatý z receptorov putuje do čuchového bulbu v mozgu a odtiaľ do iných častí mozgu (1). Konček prsta obsahuje vzory vône špecifické pre každý druh. Človek ich rozozná asi 10 a vyškolení profesionáli v parfumérskom priemysle dokážu rozpoznať oveľa viac.

Vône vyvolávajú v tele reakcie, vedomé (napríklad sa zľaknete zápachu), ako aj podvedomé. Obchodníci používajú adresár asociácií parfumov. Ich myšlienkou je ochutiť vzduch v obchodoch vôňou vianočných stromčekov a perníkov v prednovoročnom období, čo u každého vyvoláva pozitívne emócie a zvyšuje chuť na nákup darčekov. Podobne vám z vône čerstvého chleba v potravinovej časti budú kvapkať sliny do úst a do košíka ich vložíte viac.

2. Gáfor sa často používa v hrejivých mastiach. Tri zlúčeniny s rôznou štruktúrou majú svoj vlastný zápach.

Čo však spôsobuje, že daná látka spôsobuje tento a nie iný čuchový vnem?

Pre čuchovú chuť sa ustálilo päť základných chutí: slaná, sladká, horká, kyslá, omáčka (mäso) a rovnaký počet typov receptorov na jazyku. V prípade čuchu sa ani nevie, koľko základných aróm existuje a či vôbec existujú. Štruktúra molekúl určite určuje vôňu, ale prečo je to tak, že zlúčeniny s podobnou štruktúrou voňajú úplne inak (2) a úplne inak - rovnako (3)?

3. Zmes naľavo vonia ako pižmo (zložka parfumu) a napravo - takmer identická v štruktúre - nemá žiadnu vôňu.

Prečo väčšina esterov vonia príjemne, ale zlúčeniny síry nepríjemne (tento fakt sa dá asi vysvetliť)? Niektorí sú úplne necitliví na určité pachy a štatisticky majú ženy citlivejší nos ako muži. To naznačuje genetické podmienky, t.j. prítomnosť špecifických proteínov v receptoroch.

V každom prípade existuje viac otázok ako odpovedí a na vysvetlenie tajomstiev vône bolo vyvinutých niekoľko teórií.

Kľúč a zámok

Prvý je založený na osvedčenom enzymatickom mechanizme, keď molekula činidla vstupuje do dutiny molekuly enzýmu (aktívne miesto), ako kľúč k zámku. Vonia teda, pretože tvar ich molekúl zodpovedá dutinám na povrchu receptorov a na ich časti sa viažu určité skupiny atómov (rovnakým spôsobom enzýmy viažu činidlá).

Stručne povedané, toto je teória vône vyvinutá britským biochemikom. John E. Amurea. Vybral sedem hlavných vôní: gáforovo-pižmovú, kvetinovú, mätovú, éterickú, korenistú a hnilobnú (ostatné sú ich kombinácie). Podobnú štruktúru majú aj molekuly zlúčenín s podobným zápachom, napríklad tie s guľovitým tvarom voňajú ako gáfor a medzi zlúčeniny s nepríjemným zápachom patrí síra.

Štrukturálna teória bola úspešná – napríklad vysvetlila, prečo po chvíli prestaneme zapáchať. Je to spôsobené zablokovaním všetkých receptorov molekulami nesúcimi daný zápach (rovnako ako v prípade enzýmov obsadených nadbytkom substrátov). Táto teória však nebola vždy schopná vytvoriť spojenie medzi chemickou štruktúrou zlúčeniny a jej vôňou. Pred jej získaním nedokázala s dostatočnou pravdepodobnosťou predpovedať vôňu látky. Nepodarilo sa jej vysvetliť ani intenzívny zápach malých molekúl, ako je amoniak a sírovodík. Zmeny vykonané Amurom a jeho nástupcami (vrátane zvýšenia počtu základných príchutí) neodstránili všetky nedostatky štrukturálnej teórie.

vibrujúce molekuly

Atómy v molekulách neustále vibrujú, naťahujú a ohýbajú väzby medzi sebou a pohyb sa nezastaví ani pri teplotách absolútnej nuly. Molekuly absorbujú vibračnú energiu, ktorá spočíva najmä v infračervenom pásme žiarenia. Táto skutočnosť bola využitá v IR spektroskopii, ktorá je jednou z hlavných metód určovania štruktúry molekúl – neexistujú dve rôzne zlúčeniny s rovnakým IR spektrom (okrem tzv. optických izomérov).

Tvorcovia vibračná teória čuchu (J. M. Dyson, R. H. Wright) našli súvislosti medzi frekvenciou vibrácií a vnímaným zápachom. Vibrácie rezonanciou spôsobujú vibrácie receptorových molekúl v čuchovom epiteli, čím sa mení ich štruktúra a vyšle nervový impulz do mozgu. Predpokladalo sa, že existuje asi dvadsať typov receptorov, a teda rovnaký počet základných aróm.

V 70. rokoch medzi sebou zástancovia oboch teórií (vibračnej a štrukturálnej) tvrdo súperili.

Vibrionisti vysvetľovali problém vône malých molekúl tým, že ich spektrá sú podobné fragmentom spektier väčších molekúl, ktoré majú podobný zápach. Nedokázali však vysvetliť, prečo majú niektoré optické izoméry s rovnakými spektrami úplne odlišný zápach (4).

4. Optické izoméry karvónu: stupeň S vonia ako rasca, stupeň R vonia ako mäta.

Štrukturalisti nemajú problém vysvetliť túto skutočnosť - receptory, pôsobiace ako enzýmy, rozpoznávajú aj také jemné rozdiely medzi molekulami. Vibračná teória tiež nedokázala predpovedať silu vône, čo prívrženci Amorovej teórie vysvetľovali silou väzby nosičov pachu na receptory.

Snažil sa zachrániť situáciu L. Turínčo naznačuje, že čuchový epitel funguje ako skenovací tunelový mikroskop (!). Podľa Turina prúdia elektróny medzi časťami receptora, keď je medzi nimi fragment molekuly arómy s určitou frekvenciou vibračných vibrácií. Výsledné zmeny v štruktúre receptora spôsobujú prenos nervového vzruchu. Úprava Turína sa však mnohým vedcom zdá príliš extravagantná.

pasce

Záhady vôní sa pokúsila odhaliť aj molekulárna biológia a tento objav bol niekoľkokrát ocenený Nobelovou cenou. Ľudské pachové receptory sú rodinou asi tisícky rôznych proteínov a gény zodpovedné za ich syntézu sú aktívne len v čuchovom epiteli (t.j. tam, kde je to potrebné). Receptorové proteíny pozostávajú zo špirálovo stočeného reťazca aminokyselín. Na obrázku stehu reťazec proteínov sedemkrát prepichne bunkovú membránu, odtiaľ názov: sedemhelixové transmembránové bunkové receptory ,

Fragmenty vyčnievajúce mimo bunky vytvárajú pascu, do ktorej môžu spadnúť molekuly s príslušnou štruktúrou (5). Na miesto receptora, ponoreného vo vnútri bunky, sa pripojí špecifický proteín typu G. Keď sa molekula zápachu zachytí v pasci, G-proteín sa aktivuje a uvoľní a na jeho miesto sa pripojí ďalší G-proteín, ktorý sa aktivuje a opäť uvoľní atď. Cyklus sa opakuje, kým sa naviazaná molekula arómy neuvoľní alebo nezničí enzýmami, ktoré neustále čistia povrch čuchového epitelu. Receptor dokáže aktivovať aj niekoľko stoviek molekúl G-proteínu a taký vysoký faktor zosilnenia signálu mu umožňuje reagovať aj na stopové množstvá aróm (6). Aktivovaný G-proteín spúšťa cyklus chemických reakcií, ktoré vedú k vyslaniu nervového impulzu.

5. Takto vyzerá pachový receptor – proteín 7TM.

Vyššie uvedený popis fungovania čuchových receptorov je podobný tomu, ktorý je uvedený v štruktúrnej teórii. Keďže dochádza k väzbe molekúl, možno tvrdiť, že aj vibračná teória bola čiastočne správna. Nie je to prvýkrát v histórii vedy, čo predchádzajúce teórie neboli úplne nesprávne, ale jednoducho sa približovali realite.

6. Ľudský nos ako detektor zlúčenín pri analýze ich chromatograficky separovaných zmesí.

Prečo niečo zapácha?

Existuje oveľa viac pachov ako typov čuchových receptorov, čo znamená, že molekuly pachu aktivujú niekoľko rôznych proteínov súčasne. na základe celej postupnosti signálov prichádzajúcich z určitých miest v čuchovej cibuľke. Keďže prírodné vône obsahujú dokonca viac ako sto zlúčenín, možno si predstaviť zložitosť procesu vytvárania čuchového vnemu.

Dobre, ale prečo niečo vonia dobre, niečo hnusne a niečo vôbec?

Otázka je polofilozofická, no čiastočne zodpovedaná. Za vnímanie vône je zodpovedný mozog, ktorý riadi správanie ľudí a zvierat, upriamuje ich záujem na príjemné pachy a varuje pred zapáchajúcimi predmetmi. Lákavé pachy sa nachádzajú, okrem iného estery spomínané na začiatku článku uvoľňujú zrelé plody (preto sa oplatí jesť) a z rozkladajúcich sa zvyškov sa uvoľňujú zlúčeniny síry (najlepšie sa od nich držať ďalej).

Vzduch necíti, pretože je to pozadie, na ktorom sa šíria pachy: stopové množstvá NH3 alebo H₂S a náš čuch spustí poplach. Vnímanie vône je teda signálom vplyvu určitého faktora. vzťah k druhom.

Ako vonia blížiace sa sviatky? Odpoveď je znázornená na obrázku (7).

7. Vôňa Vianoc: vľavo perníkové príchute (zingerón a gingerol), vpravo vianočné stromčeky (bornylacetát a dva druhy pinénu).