Ahli kimia itu punya hidung

Pada artikel di bawah ini, kita akan melihat masalah penciuman melalui mata seorang ahli kimia - lagipula, hidungnya akan berguna di laboratoriumnya setiap hari.

1. Persarafan hidung manusia - penebalan di atas rongga hidung adalah bulbus olfaktorius (penulis: Wikimedia/Opt1cs).

Kita bisa berbagi perasaan fisik (penglihatan, pendengaran, sentuhan) dan yang utama bahan kimiayaitu rasa dan bau. Untuk yang pertama, analog buatan telah dibuat (elemen peka cahaya, mikrofon, sensor sentuh), tetapi yang terakhir belum menyerah pada "kaca dan mata" para ilmuwan. Mereka diciptakan miliaran tahun yang lalu ketika sel pertama mulai menerima sinyal kimia dari lingkungan.

Bau akhirnya terpisah dari rasa, meskipun hal ini tidak terjadi pada semua organisme. Hewan dan tumbuhan terus-menerus mengendus lingkungan mereka, dan informasi yang diperoleh dengan cara ini jauh lebih penting daripada yang terlihat pada pandangan pertama. Juga untuk pelajar visual dan auditori, termasuk manusia.

Rahasia Penciuman

Saat Anda menarik napas, aliran udara mengalir ke hidung dan, sebelum melanjutkan, memasuki jaringan khusus - epitel penciuman berukuran beberapa sentimeter.². Berikut adalah ujung sel saraf yang menangkap rangsangan bau. Sinyal yang diterima dari reseptor berjalan ke bulbus olfaktorius di otak, dan dari sana ke bagian lain dari otak (1). Ujung jari mengandung pola aroma khusus untuk setiap spesies. Seorang manusia dapat mengenali sekitar 10 di antaranya, dan para profesional terlatih di industri parfum dapat mengenali lebih banyak lagi.

Bau menyebabkan reaksi dalam tubuh, baik secara sadar (misalnya, Anda terkejut dengan bau yang tidak sedap) dan alam bawah sadar. Pemasar menggunakan katalog asosiasi parfum. Ide mereka adalah untuk membumbui udara di toko dengan aroma pohon Natal dan roti jahe selama periode pra-Tahun Baru, yang menyebabkan emosi positif pada setiap orang dan meningkatkan keinginan untuk membeli hadiah. Demikian pula, bau roti segar di bagian makanan akan membuat air liur Anda menetes ke mulut Anda, dan Anda akan memasukkan lebih banyak ke dalam keranjang.

2. Kamper sering digunakan dalam salep penghangat. Tiga senyawa dengan struktur berbeda memiliki baunya masing-masing.

Tapi apa yang menyebabkan zat tertentu menyebabkan ini, dan bukan sensasi penciuman lainnya?

Untuk rasa penciuman, lima rasa dasar telah ditetapkan: asin, manis, pahit, asam, oun (daging) dan jumlah jenis reseptor yang sama di lidah. Dalam hal penciuman, bahkan tidak diketahui berapa banyak aroma dasar yang ada, atau apakah ada sama sekali. Struktur molekul tentu saja menentukan baunya, tetapi mengapa senyawa dengan struktur serupa berbau sama sekali berbeda (2), dan sangat berbeda - sama (3)?

3. Senyawa di sebelah kiri berbau seperti musk (bahan parfum), dan di sebelah kanan - strukturnya hampir identik - tidak berbau.

Mengapa kebanyakan ester berbau menyenangkan, tetapi senyawa belerang tidak menyenangkan (fakta ini mungkin dapat dijelaskan)? Beberapa benar-benar tidak sensitif terhadap bau tertentu, dan secara statistik wanita memiliki hidung yang lebih sensitif daripada pria. Ini menunjukkan kondisi genetik, mis. adanya protein spesifik pada reseptor.

Bagaimanapun, ada lebih banyak pertanyaan daripada jawaban, dan beberapa teori telah dikembangkan untuk menjelaskan misteri wewangian.

Kunci dan kunci

Yang pertama didasarkan pada mekanisme enzimatik yang terbukti, ketika molekul reagen memasuki rongga molekul enzim (situs aktif), seperti kunci untuk gembok. Dengan demikian, mereka berbau karena bentuk molekulnya sesuai dengan rongga pada permukaan reseptor, dan kelompok atom tertentu mengikat bagian-bagiannya (dengan cara yang sama enzim mengikat reagen).

Singkatnya, ini adalah teori penciuman yang dikembangkan oleh ahli biokimia Inggris. John E. Amurea. Dia memilih tujuh aroma utama: musky kamper, bunga, mint, halus, pedas dan busuk (sisanya adalah kombinasi dari mereka). Molekul senyawa dengan bau yang sama juga memiliki struktur yang mirip, misalnya yang berbentuk bulat berbau seperti kapur barus, dan senyawa dengan bau yang tidak sedap antara lain belerang.

Teori struktural telah berhasil - misalnya, menjelaskan mengapa kita berhenti mencium setelah beberapa saat. Ini karena pemblokiran semua reseptor oleh molekul yang membawa bau tertentu (seperti halnya enzim yang ditempati oleh substrat berlebih). Namun, teori ini tidak selalu mampu membangun hubungan antara struktur kimia suatu senyawa dan baunya. Dia tidak dapat memprediksi bau zat dengan probabilitas yang cukup sebelum mendapatkannya. Dia juga gagal menjelaskan bau intens molekul kecil seperti amonia dan hidrogen sulfida. Amandemen yang dilakukan oleh Amur dan penerusnya (termasuk penambahan jumlah rasa dasar) tidak menghilangkan semua kekurangan dari teori struktural.

molekul bergetar

Atom-atom dalam molekul terus-menerus bergetar, meregangkan dan menekuk ikatan di antara mereka sendiri, dan gerakannya tidak berhenti bahkan pada suhu nol mutlak. Molekul menyerap energi getaran, yang terletak terutama pada kisaran radiasi inframerah. Fakta ini digunakan dalam spektroskopi IR, yang merupakan salah satu metode utama untuk menentukan struktur molekul - tidak ada dua senyawa berbeda dengan spektrum IR yang sama (kecuali untuk apa yang disebut isomer optik).

Pencipta teori getaran bau (J.M. Dyson, R.H. Wright) menemukan hubungan antara frekuensi getaran dan bau yang dirasakan. Getaran oleh resonansi menyebabkan getaran molekul reseptor di epitel penciuman, yang mengubah strukturnya dan mengirimkan impuls saraf ke otak. Diasumsikan bahwa ada sekitar dua puluh jenis reseptor dan, oleh karena itu, jumlah aroma dasar yang sama.

Pada tahun 70-an, para pendukung kedua teori (getaran dan struktural) bersaing sengit satu sama lain.

Vibrionis menjelaskan masalah bau molekul kecil dengan fakta bahwa spektrum mereka mirip dengan fragmen spektrum molekul yang lebih besar yang memiliki bau yang sama. Namun, mereka tidak dapat menjelaskan mengapa beberapa isomer optik dengan spektrum yang sama memiliki bau yang sama sekali berbeda (4).

4. Isomer optis carvone: grade S berbau jinten, grade R berbau mint.

Strukturalis tidak mengalami kesulitan menjelaskan fakta ini - reseptor, bertindak seperti enzim, bahkan mengenali perbedaan halus antara molekul. Teori vibrasi juga tidak dapat memprediksi kekuatan bau, yang dijelaskan oleh pengikut teori Cupid dengan kekuatan pengikatan pembawa bau pada reseptor.

Dia mencoba menyelamatkan situasi L. Torinomenunjukkan bahwa epitel penciuman bertindak seperti mikroskop tunneling pemindaian (!). Menurut Turin, elektron mengalir di antara bagian-bagian reseptor ketika ada fragmen molekul aroma di antara mereka dengan frekuensi getaran getaran tertentu. Perubahan yang dihasilkan dalam struktur reseptor menyebabkan transmisi impuls saraf. Namun, modifikasi Turin bagi banyak ilmuwan tampaknya terlalu boros.

Perangkap

Biologi molekuler juga mencoba mengungkap misteri bau, dan penemuan ini telah dianugerahi Hadiah Nobel beberapa kali. Reseptor bau manusia adalah keluarga dari sekitar seribu protein yang berbeda, dan gen yang bertanggung jawab untuk sintesisnya hanya aktif di epitel penciuman (yaitu, di mana dibutuhkan). Protein reseptor terdiri dari rantai heliks asam amino. Dalam gambar jahitan jahitan, rantai protein menembus membran sel tujuh kali, maka namanya: reseptor sel transmembran tujuh heliks ,

Fragmen yang menonjol di luar sel membuat jebakan di mana molekul dengan struktur yang sesuai dapat jatuh (5). Sebuah protein tipe-G tertentu melekat pada situs reseptor, terbenam di dalam sel. Ketika molekul bau terperangkap dalam perangkap, protein-G diaktifkan dan dilepaskan, dan protein-G lain melekat pada tempatnya, yang diaktifkan dan dilepaskan lagi, dll. Siklus berulang sampai molekul aroma yang terikat dilepaskan atau dipecah oleh enzim yang secara konstan membersihkan permukaan epitel olfaktorius. Reseptor dapat mengaktifkan bahkan beberapa ratus molekul protein G, dan faktor amplifikasi sinyal yang sedemikian tinggi memungkinkannya untuk merespon bahkan jumlah rasa yang sedikit (6). Protein G yang diaktifkan memulai siklus reaksi kimia yang mengarah pada pengiriman impuls saraf.

5. Seperti inilah reseptor bau - protein 7TM.

Gambaran fungsi reseptor olfaktorius di atas mirip dengan yang disajikan dalam teori struktural. Karena pengikatan molekul terjadi, dapat dikatakan bahwa teori vibrasi juga sebagian benar. Ini bukan pertama kalinya dalam sejarah sains bahwa teori-teori sebelumnya tidak sepenuhnya salah, tetapi hanya mendekati kenyataan.

6. Hidung manusia sebagai pendeteksi senyawa dalam analisis campurannya yang dipisahkan secara kromatografi.

Mengapa sesuatu berbau?

Ada lebih banyak bau daripada jenis reseptor penciuman, yang berarti bahwa molekul bau mengaktifkan beberapa protein berbeda pada saat yang bersamaan. berdasarkan seluruh rangkaian sinyal yang datang dari tempat-tempat tertentu di bulbus olfaktorius. Karena wewangian alami mengandung lebih dari seratus senyawa, orang dapat membayangkan kerumitan proses menciptakan sensasi penciuman.

Oke, tapi mengapa sesuatu berbau harum, sesuatu yang menjijikkan, dan sesuatu yang tidak sama sekali?

Pertanyaannya setengah filosofis, tetapi sebagian dijawab. Otak bertanggung jawab atas persepsi bau, yang mengontrol perilaku manusia dan hewan, mengarahkan minat mereka pada bau yang menyenangkan dan peringatan terhadap benda-benda yang berbau tidak sedap. Ditemukan bau yang menggoda, antara lain, ester yang disebutkan di awal artikel dilepaskan oleh buah matang (oleh karena itu layak untuk dimakan), dan senyawa belerang dilepaskan dari residu yang membusuk (sebaiknya dijauhi).

Udara tidak berbau karena merupakan latar belakang penyebaran bau: namun, sejumlah kecil NH3 atau H₂S, dan indera penciuman kita akan membunyikan alarm. Dengan demikian, persepsi penciuman adalah sinyal dampak dari faktor tertentu. hubungannya dengan spesies.

Seperti apa aroma liburan yang akan datang? Jawabannya ada pada gambar (7).

7. Aroma Natal: di sebelah kiri, rasa roti jahe (zingerone dan gingerol), di sebelah kanan, pohon Natal (bornyl acetate dan dua varietas pinene).