Kemik ima nos

V spodnjem prispevku bomo na problematiko voha pogledali skozi oči kemika – navsezadnje mu bo njegov nos vsakodnevno prišel prav v laboratoriju.

1. Inervacija človeškega nosu - zadebelitev nad nosno votlino je vohalna čebulica (avtor: Wikimedia/Opt1cs).

Lahko delimo občutke fizični (vid, sluh, dotik) in njihov primarni kemičnatorej okus in vonj. Za prve so že ustvarjeni umetni analogi (svetlobno občutljivi elementi, mikrofoni, senzorji na dotik), drugi pa se še niso predali »steklu in očesu« znanstvenikov. Nastali so pred milijardami let, ko so prve celice začele sprejemati kemične signale iz okolja.

Vonj se sčasoma loči od okusa, čeprav se to ne pojavlja pri vseh organizmih. Živali in rastline nenehno vohajo okolico, tako pridobljene informacije pa so veliko pomembnejše, kot se zdi na prvi pogled. Tudi za vizualne in slušne učence, vključno z ljudmi.

Vohalne skrivnosti

Ko vdihnete, zračni tok hiti v nos in pred nadaljevanjem vstopi v specializirano tkivo - več centimetrov velik vohalni epitelij.². Tukaj so končnice živčnih celic, ki ujamejo dražljaje vonja. Signal, ki ga prejmejo od receptorjev, potuje do olfaktorne žarnice v možganih, od tam pa do drugih delov možganov (1). Konica prsta vsebuje vzorce dišav, značilne za vsako vrsto. Človek jih lahko prepozna približno 10, usposobljeni strokovnjaki v parfumski industriji pa jih prepoznajo še veliko več.

Vonjave povzročajo reakcije v telesu, tako zavestne (na primer ob slabem vonju se prestrašite) kot podzavestne. Tržniki uporabljajo katalog parfumskih združenj. Njihova ideja je, da bi v prednovoletnem času zrak v trgovinah začinili z vonjem po božičnih drevescih in medenjakih, kar v vseh vzbudi pozitivna čustva in poveča željo po nakupu daril. Podobno vam bo zaradi vonja svežega kruha v oddelku za hrano v usta kapljala slina, v košaro pa boste dali več.

2. Kamfor se pogosto uporablja pri segrevanju mazil. Tri spojine z različno strukturo imajo svoj vonj.

Toda kaj povzroči, da določena snov povzroči ta in ne drug vohalni občutek?

Za vohalni okus je ugotovljenih pet osnovnih okusov: slano, sladko, grenko, kislo, oun (meso) in prav toliko vrst receptorjev na jeziku. Pri vonju se niti ne ve, koliko osnovnih arom obstaja oziroma ali sploh obstajajo. Struktura molekul vsekakor določa vonj, toda zakaj spojine s podobno strukturo dišijo povsem drugače (2) in popolnoma različno – enako (3)?

3. Spojina na levi diši po mošusu (sestavina parfuma), na desni pa - skoraj enake strukture - nima vonja.

Zakaj večina estrov diši prijetno, žveplove spojine pa neprijetno (to dejstvo je verjetno mogoče razložiti)? Nekateri so popolnoma neobčutljivi na določene vonjave, statistično gledano imajo ženske bolj občutljiv nos kot moški. To kaže na genetska stanja, tj. prisotnost specifičnih beljakovin v receptorjih.

Vsekakor je več vprašanj kot odgovorov in razvilo se je več teorij, ki pojasnjujejo skrivnosti dišave.

Ključ in ključavnica

Prvi temelji na preverjenem encimskem mehanizmu, ko molekula reagenta vstopi v votlino encimske molekule (aktivno mesto), kot ključ od ključavnice. Tako dišijo, ker oblika njihovih molekul ustreza votlinam na površini receptorjev, določene skupine atomov pa se vežejo na njegove dele (na enak način encimi vežejo reagente).

Skratka, to je teorija vonja, ki jo je razvil britanski biokemik. John E. Amurea. Izpostavil je sedem glavnih arom: kafra-mošus, cvetlični, metini, eterični, začinjeni in gnilobe (preostale so njihove kombinacije). Podobno strukturo imajo tudi molekule spojin s podobnim vonjem, na primer tiste s sferično obliko dišijo po kamforu, spojine z neprijetnim vonjem pa vključujejo žveplo.

Strukturna teorija je bila uspešna – na primer razložila je, zakaj čez nekaj časa prenehamo dišati. To je posledica blokiranja vseh receptorjev z molekulami, ki nosijo določen vonj (tako kot v primeru encimov, ki jih zaseda presežek substratov). Vendar ta teorija ni bila vedno sposobna vzpostaviti povezave med kemično strukturo spojine in njenim vonjem. Preden jo je pridobila, ni mogla z zadostno verjetnostjo predvideti vonja snovi. Prav tako ni uspela razložiti intenzivnega vonja majhnih molekul, kot sta amoniak in vodikov sulfid. Spremembe, ki so jih naredili Amur in njegovi nasledniki (vključno s povečanjem števila osnovnih okusov), niso odpravili vseh pomanjkljivosti strukturne teorije.

vibrirajoče molekule

Atomi v molekulah nenehno vibrirajo, raztezajo in upogibajo vezi med seboj, gibanje pa se ne ustavi niti pri absolutni ničelni temperaturi. Molekule absorbirajo vibracijsko energijo, ki leži predvsem v infrardečem območju sevanja. To dejstvo je bilo uporabljeno v IR spektroskopiji, ki je ena glavnih metod za določanje strukture molekul – ni dveh različnih spojin z enakim IR spektrom (razen tako imenovanih optičnih izomerov).

Ustvarjalci vibracijska teorija vonja (J. M. Dyson, R. H. Wright) ugotovili povezave med frekvenco vibracij in zaznanim vonjem. Vibracije z resonanco povzročajo tresljaje receptorskih molekul v vohalnem epiteliju, kar spremeni njihovo strukturo in pošlje živčni impulz v možgane. Domnevalo se je, da obstaja približno dvajset vrst receptorjev in zato enako število osnovnih arom.

V 70. letih so zagovorniki obeh teorij (vibracijske in strukturne) močno tekmovali med seboj.

Vibrionisti so težavo vonja majhnih molekul pojasnili s tem, da so njihovi spektri podobni fragmentom spektrov večjih molekul, ki imajo podoben vonj. Vendar pa niso mogli pojasniti, zakaj imajo nekateri optični izomeri z enakimi spektri popolnoma različne vonjave (4).

4. Optični izomeri karvona: razred S diši po kumini, razred R diši po meti.

Strukturalistom je to dejstvo brez težav razložiti – receptorji, ki delujejo kot encimi, prepoznajo tudi tako subtilne razlike med molekulami. Vibracijska teorija tudi ni mogla napovedati moči vonja, kar so privrženci Kupidove teorije razlagali z močjo vezave nosilcev vonja na receptorje.

Poskušal je rešiti situacijo L. Torinokar kaže na to, da vohalni epitelij deluje kot skenirni tunelski mikroskop (!). Po Turinu elektroni tečejo med deli receptorja, ko je med njimi delček molekule arome z določeno frekvenco vibracijskih vibracij. Nastale spremembe v strukturi receptorja povzročijo prenos živčnega impulza. Vendar pa se sprememba Torina mnogim znanstvenikom zdi preveč ekstravagantna.

Pasti

Skrivnosti vonjav je poskušala razkriti tudi molekularna biologija in to odkritje je bilo večkrat nagrajeno z Nobelovo nagrado. Človeški receptorji za vonj so družina približno tisoč različnih beljakovin, geni, ki so odgovorni za njihovo sintezo, pa so aktivni le v vohalnem epiteliju (tj. tam, kjer je to potrebno). Receptorski proteini so sestavljeni iz spiralne verige aminokislin. Na sliki šiva veriga beljakovin sedemkrat prebije celično membrano, od tod tudi ime: transmembranski celični receptorji s sedmimi vijačnicami ().

Fragmenti, ki štrlijo izven celice, ustvarijo past, v katero lahko padejo molekule z ustrezno strukturo (5). Specifičen protein tipa G je pritrjen na mesto receptorja, potopljen v celico. Ko se molekula vonja ujame v past, se G-protein aktivira in sprosti, na njegovo mesto pa se pritrdi drug G-protein, ki se ponovno aktivira in sprosti itd. Cikel se ponavlja, dokler se vezana molekula arome ne sprosti ali razgradi z encimi, ki nenehno čistijo površino vohalnega epitela. Receptor lahko aktivira celo več sto G-proteinskih molekul, tako visok faktor ojačanja signala pa mu omogoča, da se odzove tudi na sledove okusov (6). Aktiviran G-protein začne cikel kemičnih reakcij, ki vodijo do pošiljanja živčnega impulza.

5. Takole izgleda receptor za vonj – protein 7TM.

Zgornji opis delovanja vohalnih receptorjev je podoben tistemu, ki je predstavljen v strukturni teoriji. Ker pride do vezave molekul, lahko trdimo, da je bila tudi vibracijska teorija delno pravilna. To ni prvič v zgodovini znanosti, da prejšnje teorije niso bile povsem napačne, ampak so se preprosto približale realnosti.

6. Človeški nos kot detektor spojin pri analizi njihovih kromatografsko ločenih zmesi.

Zakaj nekaj diši?

Vonj je veliko več kot tipov vohalnih receptorjev, kar pomeni, da molekule vonja aktivirajo več različnih beljakovin hkrati. temelji na celotnem zaporedju signalov, ki prihajajo iz določenih mest v vohalni žarnici. Ker naravne dišave vsebujejo celo več kot sto spojin, si lahko predstavljamo zapletenost procesa ustvarjanja vohalnih občutkov.

V redu, ampak zakaj nekaj dobro diši, nekaj zoprnega, nekaj pa sploh ne?

Vprašanje je napol filozofsko, a delno odgovorjeno. Za zaznavanje vonja so odgovorni možgani, ki nadzorujejo vedenje ljudi in živali, usmerjajo njihovo zanimanje v prijetne vonje in opozarjajo pred slabo dišečimi predmeti. Najdejo se mamljive vonjave, med drugim na začetku članka omenjene estre sproščajo zreli plodovi (zato jih je vredno jesti), žveplove spojine pa se sprostijo iz razpadajočih ostankov (najbolje, da se jih izogibate).

Zrak ne diši, ker je ozadje, po katerem se vonjave širijo: vendar pa sledi sledovih NH3 ali H₂S, in naš vonj bo sprožil alarm. Tako je zaznavanje vonja signal o vplivu določenega dejavnika. odnos do vrste.

Kako dišijo prihajajoči prazniki? Odgovor je prikazan na sliki (7).

7. Vonj po božiču: na levi arome medenjakov (zingeron in gingerol), na desni božična drevesca (bornil acetat in dve vrsti pinena).