O químico ten nariz

No seguinte artigo, analizaremos o problema do cheiro a través dos ollos dun químico; despois de todo, o seu nariz será útil no seu laboratorio a diario.

1. Inervación do nariz humano: un engrosamento por riba da cavidade nasal é o bulbo olfativo (autor: Wikimedia/Opt1cs).

Podemos compartir sentimentos físico (vista, oído, tacto) e as súas principais químicaé dicir, o gusto e o cheiro. Para os primeiros xa se crearon análogos artificiais (elementos sensibles á luz, micrófonos, sensores táctiles), pero os segundos aínda non se entregaron ao "vidrio e ollo" dos científicos. Creáronse hai miles de millóns de anos cando as primeiras células comezaron a recibir sinais químicos do medio.

O olfacto finalmente separouse do gusto, aínda que isto non ocorre en todos os organismos. Os animais e as plantas cheiran constantemente o seu entorno, e a información que se obtén deste xeito é moito máis importante do que parece a primeira vista. Tamén para estudantes visuais e auditivos, incluídos humanos.

Segredos olfativos

Cando inhalas, o fluxo de aire entra no nariz e, antes de seguir adiante, entra nun tecido especializado: o epitelio olfativo de varios centímetros de tamaño.². Aquí están as terminacións das células nerviosas que captan estímulos de olor. O sinal recibido dos receptores viaxa ao bulbo olfativo do cerebro, e desde alí a outras partes do cerebro (1). A punta do dedo contén patróns de olor específicos de cada especie. Un humano pode recoñecer uns 10 deles, e os profesionais adestrados na industria do perfume poden recoñecer moitos máis.

Os cheiros provocan reaccións no corpo, tanto conscientes (por exemplo, sobresaltas cun mal cheiro) como subconscientes. Os comerciantes utilizan o catálogo de asociacións de perfumería. A súa idea é aromatizar o aire das tendas co recendo das árbores de Nadal e do pan de xenxibre durante o período anterior ao ano novo, o que provoca emocións positivas en todos e aumenta as ganas de comprar agasallos. Do mesmo xeito, o cheiro a pan fresco na sección de alimentos fará que a túa saliva gotee pola boca e poñerás máis na cesta.

2. O alcanfor úsase a miúdo en ungüentos quentantes. Tres compostos con estruturas diferentes teñen o seu propio cheiro.

Pero que fai que unha determinada substancia cause esta sensación olfativa e non outra?

Para o sabor olfativo establecéronse cinco gustos básicos: salgado, doce, amargo, azedo, oun (carne) e o mesmo número de tipos de receptores na lingua. No caso do olfacto, nin sequera se sabe cantos aromas básicos existen, nin se os existen. A estrutura das moléculas certamente determina o cheiro, pero por que os compostos cunha estrutura similar cheiran completamente diferentes (2) e completamente diferentes: o mesmo (3)?

3. O composto da esquerda cheira a almizcle (ingrediente do perfume), e á dereita, case idéntico en estrutura, non ten cheiro.

Por que a maioría dos ésteres cheiran agradablemente, pero os compostos de xofre son desagradables (este feito probablemente se poida explicar)? Algúns son completamente insensibles a certos cheiros e, estatisticamente, as mulleres teñen un nariz máis sensible que os homes. Isto suxire condicións xenéticas, é dicir. a presenza de proteínas específicas nos receptores.

En calquera caso, hai máis preguntas que respostas, e desenvolvéronse varias teorías para explicar os misterios da fragrancia.

Chave e pechadura

O primeiro baséase nun mecanismo enzimático comprobado, cando unha molécula de reactivo entra na cavidade da molécula enzimática (centro activo), como unha chave dunha pechadura. Así, cheiran porque a forma das súas moléculas correspóndese coas cavidades da superficie dos receptores, e certos grupos de átomos únense ás súas partes (do mesmo xeito que os encimas unen os reactivos).

En resumo, esta é unha teoría do olfacto desenvolvida por un bioquímico británico. Xoán E. Amurea. Destacou sete aromas principais: alcanfor-almizclado, floral, mentolado, etéreo, especiado e pútrido (o resto son combinacións deles). As moléculas de compostos cun cheiro semellante tamén teñen unha estrutura similar, por exemplo, as de forma esférica cheiran a alcanfor, e os compostos cun cheiro desagradable inclúen o xofre.

A teoría estrutural tivo éxito; por exemplo, explicou por que deixamos de cheirar despois dun tempo. Isto débese ao bloqueo de todos os receptores por moléculas portadoras dun determinado olor (igual que no caso dos encimas ocupados por un exceso de substratos). Non obstante, esta teoría non sempre foi capaz de establecer unha conexión entre a estrutura química dun composto e o seu cheiro. Ela non puido predecir o cheiro da substancia con probabilidade suficiente antes de obtela. Tampouco puido explicar o intenso cheiro de pequenas moléculas como o amoníaco e o sulfuro de hidróxeno. As emendas feitas por Amur e os seus sucesores (incluíndo un aumento no número de sabores básicos) non eliminaron todas as deficiencias da teoría estrutural.

moléculas que vibran

Os átomos das moléculas vibran constantemente, estirando e dobrando os enlaces entre eles, e o movemento non se detén nin sequera a temperaturas cero absoluto. As moléculas absorben enerxía vibratoria, que se atopa principalmente no rango de radiación infravermella. Este feito utilizouse na espectroscopia IR, que é un dos principais métodos para determinar a estrutura das moléculas: non hai dous compostos diferentes co mesmo espectro IR (excepto os chamados isómeros ópticos).

Creadores Teoría vibracional do olfacto (J. M. Dyson, R. H. Wright) atopou vínculos entre a frecuencia das vibracións e o cheiro percibido. As vibracións por resonancia provocan vibracións das moléculas receptoras no epitelio olfativo, que cambia a súa estrutura e envía un impulso nervioso ao cerebro. Supoñíase que había uns vinte tipos de receptores e, polo tanto, o mesmo número de aromas básicos.

Nos anos 70, os defensores de ambas as teorías (vibracional e estrutural) competiron ferozmente entre si.

Os vibrionistas explicaron o problema do cheiro das moléculas pequenas polo feito de que os seus espectros son similares aos fragmentos dos espectros de moléculas máis grandes que teñen un cheiro similar. Non obstante, non foron capaces de explicar por que algúns isómeros ópticos cos mesmos espectros teñen cheiros completamente diferentes (4).

4. Isómeros ópticos da carvona: o grao S cheira a comiño, o grao R cheira a menta.

Os estruturais non teñen dificultade para explicar este feito: os receptores, que actúan como encimas, recoñecen ata diferenzas tan sutís entre as moléculas. A teoría vibracional tampouco podía predecir a forza do cheiro, que os seguidores da teoría de Cupido explicaron pola forza da unión dos portadores de olor aos receptores.

Tentou salvar a situación L. Torinosuxire que o epitelio olfativo actúa como un microscopio túnel de barrido (!). Segundo Turín, os electróns flúen entre partes do receptor cando hai un fragmento dunha molécula de aroma entre elas cunha certa frecuencia de vibracións vibratorias. Os cambios resultantes na estrutura do receptor provocan a transmisión do impulso nervioso. Non obstante, a modificación de Turín parécelle a moitos científicos demasiado extravagante.

Trampas

A bioloxía molecular tamén tentou desvelar os misterios dos olores, e este descubrimento foi galardoado co Premio Nobel varias veces. Os receptores de olor humanos son unha familia de preto de mil proteínas diferentes, e os xenes responsables da súa síntese só están activos no epitelio olfativo (é dicir, onde é necesario). As proteínas receptoras consisten nunha cadea helicoidal de aminoácidos. Na imaxe de punto, unha cadea de proteínas perfora a membrana celular sete veces, de aí o nome: receptores celulares transmembrana de sete hélices ().

Os fragmentos que sobresaen fóra da célula crean unha trampa na que poden caer moléculas coa estrutura correspondente (5). Unha proteína específica de tipo G está unida ao sitio do receptor, inmersa no interior da célula. Cando a molécula de olor é capturada na trampa, a proteína G é activada e liberada, e outra proteína G está unida no seu lugar. que se activa e se libera de novo, etc. O ciclo repítese ata que a molécula de aroma unida é liberada ou descomposta por encimas que limpan constantemente a superficie do epitelio olfativo. O receptor pode activar ata varios centos de moléculas de proteína G, e un factor de amplificación de sinal tan alto permítelle responder ata cantidades mínimas de sabores (6). A proteína G activada inicia un ciclo de reaccións químicas que conducen ao envío dun impulso nervioso.

5. Así é o receptor de cheiros: proteína 7TM.

A descrición anterior do funcionamento dos receptores olfativos é similar á presentada na teoría estrutural. Dado que se produce a unión de moléculas, pódese argumentar que a teoría vibracional tamén era en parte correcta. Esta non é a primeira vez na historia da ciencia que as teorías anteriores non estaban completamente equivocadas, senón que simplemente se achegaban á realidade.

6. Nariz humano como detector de compostos na análise das súas mesturas separadas cromatograficamente.

Por que algo cheira?

Hai moitos máis cheiros que tipos de receptores olfativos, o que significa que as moléculas de olor activan varias proteínas diferentes ao mesmo tempo. baseándose en toda a secuencia de sinais procedentes de determinados lugares do bulbo olfativo. Dado que as fragrâncias naturais conteñen aínda máis de cen compostos, pódese imaxinar a complexidade do proceso de creación dunha sensación olfativa.

Vale, pero por que algo cheira ben, algo noxento e algo nada?

A pregunta é medio filosófica, pero parcialmente contestada. O cerebro é o responsable da percepción do olfacto, que controla o comportamento de humanos e animais, dirixindo o seu interese aos olores agradables e advertindo contra obxectos con mal cheiro. Atópanse cheiros tentadores, entre outras cousas, os ésteres mencionados ao comezo do artigo son liberados polos froitos maduros (polo tanto, paga a pena comer), e os compostos de xofre son liberados dos residuos en descomposición (o mellor é manterse lonxe deles).

O aire non cheira porque é o fondo sobre o que se espallan os cheiros: porén, pequenas cantidades de NH3 ou H₂S, e o noso olfacto dará a voz de alarma. Así, a percepción do cheiro é un sinal do impacto dun determinado factor. relación coas especies.

A que cheiran as próximas vacacións? A resposta móstrase na imaxe (7).

7. O cheiro do Nadal: á esquerda, sabores de pan de xenxibre (zingerona e xenxibre), á dereita, árbores de Nadal (acetato de bornilo e dúas variedades de pineno).