Nhà hóa học có mũi

Trong bài viết dưới đây, chúng ta sẽ xem xét vấn đề về mùi qua con mắt của một nhà hóa học - xét cho cùng, mũi của anh ta hàng ngày sẽ có ích trong phòng thí nghiệm của anh ta.

1. Bên trong mũi người - phần dày phía trên khoang mũi là khứu giác (tác giả: Wikimedia / Opt1cs).

Chúng ta có thể chia sẻ cảm xúc thể chất (thị giác, thính giác, xúc giác) và chính của chúng hóa chấttức là nếm và ngửi. Trước đây, các chất tương tự nhân tạo đã được tạo ra (các yếu tố nhạy cảm với ánh sáng, micrô, cảm biến cảm ứng), nhưng chất tương tự sau này vẫn chưa khuất phục trước “kính và mắt” của các nhà khoa học. Chúng được tạo ra cách đây hàng tỷ năm khi những tế bào đầu tiên bắt đầu nhận được tín hiệu hóa học từ môi trường.

Mùi cuối cùng tách khỏi vị, mặc dù điều này không xảy ra ở tất cả các sinh vật. Động vật và thực vật liên tục đánh hơi môi trường xung quanh chúng, và thông tin thu được theo cách này quan trọng hơn nhiều so với cái nhìn ban đầu. Cũng dành cho người học về thị giác và thính giác, bao gồm cả con người.

Bí mật về khứu giác

Khi bạn hít vào, luồng không khí sẽ đi vào mũi và trước khi đi vào một mô chuyên biệt - biểu mô khứu giác có kích thước vài cm.². Đây là phần cuối của các tế bào thần kinh có chức năng thu nhận các kích thích về mùi. Tín hiệu nhận được từ các thụ thể truyền đến khứu giác trong não, và từ đó đến các bộ phận khác của não (1). Đầu ngón tay có các mẫu mùi đặc trưng cho từng loài. Một con người có thể nhận ra khoảng 10 trong số đó, và các chuyên gia được đào tạo trong ngành công nghiệp nước hoa có thể nhận ra nhiều hơn nữa.

Mùi gây ra phản ứng trong cơ thể, cả ý thức (ví dụ, bạn giật mình khi ngửi thấy mùi hôi) và tiềm thức. Các nhà tiếp thị sử dụng danh mục của các hiệp hội nước hoa. Ý tưởng của họ là tạo hương thơm cho không khí trong các cửa hàng bằng hương thơm của cây thông Noel và bánh gừng trong giai đoạn trước năm mới, điều này gây ra cảm xúc tích cực ở mọi người và làm tăng mong muốn mua quà. Tương tự, mùi bánh mì tươi trong phần thức ăn sẽ khiến nước bọt của bạn chảy vào miệng, và bạn sẽ bỏ thêm vào giỏ.

2. Long não thường được sử dụng trong thuốc mỡ làm ấm. Ba hợp chất có cấu trúc khác nhau có mùi riêng.

Nhưng điều gì khiến một chất nhất định gây ra cái này, chứ không phải cái khác, khứu giác?

Đối với khứu giác, năm vị cơ bản đã được thiết lập: mặn, ngọt, đắng, chua, oun (thịt) và cùng một số loại thụ thể trên lưỡi. Trong trường hợp mùi, người ta thậm chí còn không biết có bao nhiêu mùi cơ bản tồn tại, hoặc liệu chúng có tồn tại hay không. Cấu trúc của các phân tử chắc chắn quyết định mùi, nhưng tại sao các hợp chất có cấu trúc tương tự lại có mùi hoàn toàn khác nhau (2) và hoàn toàn khác - giống nhau (3)?

3. Hợp chất bên trái có mùi xạ hương (thành phần nước hoa), còn hợp chất bên phải - có cấu trúc gần giống - không có mùi.

Tại sao hầu hết các este có mùi dễ chịu, nhưng các hợp chất lưu huỳnh lại khó chịu (điều này có thể được giải thích)? Một số hoàn toàn không nhạy cảm với một số mùi nhất định, và theo thống kê, phụ nữ có chiếc mũi nhạy cảm hơn nam giới. Điều này cho thấy các điều kiện di truyền, tức là sự hiện diện của các protein cụ thể trong các thụ thể.

Trong mọi trường hợp, có nhiều câu hỏi hơn là câu trả lời, và một số lý thuyết đã được phát triển để giải thích những bí ẩn của hương thơm.

Chìa khóa và khóa

Đầu tiên là dựa trên một cơ chế enzym đã được chứng minh, khi phân tử thuốc thử đi vào khoang của phân tử enzym (vị trí hoạt động), giống như một chìa khóa cho ổ khóa. Do đó, chúng có mùi vì hình dạng của các phân tử của chúng tương ứng với các lỗ trên bề mặt của các thụ thể, và một số nhóm nguyên tử nhất định liên kết với các bộ phận của nó (giống như cách các enzym liên kết với thuốc thử).

Nói ngắn gọn, đây là một lý thuyết về mùi do một nhà hóa sinh người Anh phát triển. John E. Amurea. Ông đã chọn ra bảy hương chính: long não-xạ hương, hương hoa, bạc hà, thanh tao, cay và cay nồng (phần còn lại là sự kết hợp của chúng). Các phân tử của các hợp chất có mùi tương tự cũng có cấu trúc tương tự, ví dụ, các hợp chất có hình cầu có mùi như long não, và các hợp chất có mùi khó chịu bao gồm lưu huỳnh.

Lý thuyết cấu trúc đã thành công - ví dụ, nó giải thích lý do tại sao chúng ta ngừng ngửi sau một thời gian. Điều này là do sự ngăn chặn của tất cả các thụ thể bởi các phân tử mang một mùi nhất định (giống như trong trường hợp các enzym bị chiếm bởi một lượng cơ chất dư thừa). Tuy nhiên, lý thuyết này không phải lúc nào cũng có thể thiết lập mối liên hệ giữa cấu trúc hóa học của một hợp chất và mùi của nó. Cô ấy không thể dự đoán được mùi của chất đó với xác suất đủ lớn trước khi lấy được nó. Cô cũng không giải thích được mùi nồng nặc của các phân tử nhỏ như amoniac và hydro sunfua. Những sửa đổi được thực hiện bởi Amur và những người kế nhiệm của ông (bao gồm cả việc tăng số lượng hương cơ bản) đã không loại bỏ tất cả những thiếu sót của lý thuyết cấu trúc.

phân tử rung động

Các nguyên tử trong phân tử liên tục dao động, kéo căng và bẻ cong các liên kết giữa chúng, và chuyển động không ngừng ngay cả ở nhiệt độ không tuyệt đối. Các phân tử hấp thụ năng lượng dao động, năng lượng này chủ yếu nằm trong dải bức xạ hồng ngoại. Thực tế này đã được sử dụng trong quang phổ IR, là một trong những phương pháp chính để xác định cấu trúc của phân tử - không có hai hợp chất khác nhau có cùng phổ IR (ngoại trừ cái gọi là đồng phân quang học).

Người sáng tạo lý thuyết dao động của mùi (J. M. Dyson, R. H. Wright) tìm thấy mối liên hệ giữa tần số dao động và mùi cảm nhận được. Rung do cộng hưởng gây ra rung động của các phân tử thụ cảm trong biểu mô khứu giác, làm thay đổi cấu trúc của chúng và gửi một xung thần kinh đến não. Người ta cho rằng có khoảng XNUMX loại thụ thể và do đó, cùng số lượng hương liệu cơ bản.

Vào những năm 70, những người ủng hộ cả hai lý thuyết (dao động và cấu trúc) đã cạnh tranh gay gắt với nhau.

Các nhà nghiên cứu về vi khuẩn Vibrio đã giải thích vấn đề về mùi của các phân tử nhỏ bằng thực tế là quang phổ của chúng tương tự như các mảnh quang phổ của các phân tử lớn hơn có mùi tương tự. Tuy nhiên, họ không thể giải thích tại sao một số đồng phân quang học có cùng phổ lại có mùi hoàn toàn khác nhau (4).

4. Đồng phân quang học của carvone: loại S có mùi thì là, loại R có mùi bạc hà.

Các nhà cấu trúc học không gặp khó khăn gì trong việc giải thích sự thật này - các thụ thể, hoạt động giống như các enzym, thậm chí nhận ra sự khác biệt tinh vi giữa các phân tử. Lý thuyết dao động cũng không thể dự đoán được độ mạnh của mùi, điều mà những người theo thuyết Cupid giải thích là do độ bền của liên kết các chất mang mùi với các thụ thể.

Anh ấy đã cố gắng cứu vãn tình hình L. Torinogợi ý rằng biểu mô khứu giác hoạt động giống như một kính hiển vi quét đường hầm (!). Theo Turin, các điện tử di chuyển giữa các phần của thụ thể khi có một đoạn phân tử hương thơm giữa chúng với một tần số dao động nhất định. Kết quả là những thay đổi trong cấu trúc của cơ quan thụ cảm gây ra sự truyền xung thần kinh. Tuy nhiên, việc sửa đổi thành Turin đối với nhiều nhà khoa học dường như quá ngông cuồng.

bẫy

Sinh học phân tử cũng đã cố gắng làm sáng tỏ những bí ẩn về mùi, và khám phá này đã nhiều lần được trao giải Nobel. Các thụ thể mùi của con người là một họ gồm khoảng một nghìn protein khác nhau và các gen chịu trách nhiệm tổng hợp chúng chỉ hoạt động trong biểu mô khứu giác (tức là ở nơi cần thiết). Protein thụ thể bao gồm một chuỗi axit amin xoắn. Trong hình ảnh đường khâu, một chuỗi protein xuyên qua màng tế bào bảy lần, do đó có tên: các thụ thể tế bào xuyên màng bảy xoắn ().

Các mảnh nhô ra bên ngoài tế bào tạo ra một cái bẫy mà các phân tử có cấu trúc tương ứng có thể rơi vào (5). Một protein loại G cụ thể được gắn vào vị trí của thụ thể, chìm vào bên trong tế bào. Khi phân tử mùi bị bắt vào bẫy, protein G sẽ được kích hoạt và giải phóng, và một protein G khác được gắn vào vị trí của nó, được kích hoạt và giải phóng trở lại, v.v ... Chu kỳ lặp lại cho đến khi phân tử mùi thơm liên kết được giải phóng hoặc bị phá vỡ bởi các enzym liên tục làm sạch bề mặt của biểu mô khứu giác. Cơ quan thụ cảm có thể kích hoạt thậm chí hàng trăm phân tử G-protein, và hệ số khuếch đại tín hiệu cao như vậy cho phép nó đáp ứng với lượng hương vị thậm chí còn nhỏ (6). Protein G được kích hoạt bắt đầu một chu kỳ phản ứng hóa học dẫn đến việc gửi một xung thần kinh.

5. Đây là bộ phận tiếp nhận mùi trông như thế nào - protein 7TM.

Mô tả ở trên về hoạt động của các thụ thể khứu giác tương tự như đã trình bày trong lý thuyết cấu trúc. Vì sự liên kết của các phân tử xảy ra, nên có thể lập luận rằng lý thuyết dao động cũng đúng một phần. Đây không phải là lần đầu tiên trong lịch sử khoa học, các lý thuyết trước đó không hoàn toàn sai mà chỉ đơn giản là tiếp cận thực tế.

6. Mũi người như một máy phát hiện các hợp chất trong quá trình phân tích các hỗn hợp được phân tách bằng sắc ký của chúng.

Tại sao một cái gì đó có mùi?

Có nhiều loại mùi hơn so với các loại thụ thể khứu giác, có nghĩa là các phân tử mùi kích hoạt một số protein khác nhau cùng một lúc. dựa trên toàn bộ chuỗi tín hiệu đến từ những nơi nhất định trong khứu giác. Vì nước hoa tự nhiên chứa hơn một trăm hợp chất, nên người ta có thể tưởng tượng sự phức tạp của quá trình tạo ra cảm giác khứu giác.

Được rồi, nhưng tại sao thứ gì đó có mùi thơm, thứ gì đó ghê tởm và thứ gì đó không hề?

Câu hỏi mang tính triết học một nửa, nhưng đã được giải đáp một phần. Bộ não chịu trách nhiệm nhận thức về mùi, điều khiển hành vi của con người và động vật, hướng sự quan tâm của chúng đến những mùi dễ chịu và cảnh báo những đồ vật có mùi hôi. Các mùi hấp dẫn được tìm thấy, trong số những thứ khác, các este được đề cập ở đầu bài viết được giải phóng bởi trái cây chín (do đó chúng rất đáng ăn), và các hợp chất lưu huỳnh được giải phóng từ các chất dư phân hủy (tốt nhất là nên tránh xa chúng).

Không khí không có mùi vì nó là nền chống lại mùi phát tán: tuy nhiên, một lượng nhỏ NH3 hoặc H₂S và khứu giác của chúng ta sẽ phát ra âm thanh báo động. Như vậy, cảm nhận về khứu giác là tín hiệu về sự tác động của một yếu tố nào đó. mối quan hệ với các loài.

Những ngày lễ sắp tới có mùi như thế nào? Câu trả lời được thể hiện trong hình (7).

7. Mùi Giáng sinh: bên trái là hương bánh gừng (zingerone và gingerol), bên phải là cây thông Noel (bornyl axetat và hai loại pinene).