Chemik má nos

V článku níže se na problém čichu podíváme očima chemika – vždyť jeho nos se mu v laboratoři bude hodit denně.

1. Inervace lidského nosu - ztluštění nad nosní dutinou je čichový bulbus (autor: Wikimedia/Opt1cs).

Můžeme sdílet pocity fyzický (zrak, sluch, hmat) a jejich primární chemikálietedy chuť a vůni. Pro první byly již vytvořeny umělé analogy (světlocitlivé prvky, mikrofony, dotykové senzory), ale ty druhé se ještě nevzdaly „sklu a oku“ vědců. Byly vytvořeny před miliardami let, když první buňky začaly přijímat chemické signály z okolí.

Čich se nakonec oddělil od chuti, i když se to nevyskytuje u všech organismů. Zvířata a rostliny neustále očichávají své okolí a takto získané informace jsou mnohem důležitější, než se na první pohled zdá. Také pro zrakové a sluchové studenty, včetně lidí.

Čichové tajemství

Při nádechu proudí vzduch do nosu a než se pohne dál, vstoupí do specializované tkáně – čichového epitelu o velikosti několika centimetrů.². Zde jsou zakončení nervových buněk, které zachycují pachové podněty. Signál přijatý z receptorů putuje do čichového bulbu v mozku a odtud do dalších částí mozku (1). Špička prstu obsahuje vzory vůně specifické pro každý druh. Člověk jich dokáže rozeznat asi 10 a vyškolení profesionálové v parfémovém průmyslu mnohem více.

Pachy vyvolávají v těle reakce, jak vědomé (například se leknete nepříjemného zápachu), tak podvědomé. Obchodníci využívají katalog asociací parfémů. Jejich myšlenkou je provonět vzduch v obchodech vůní vánočních stromků a perníčků v přednovoročním období, což u všech vyvolává pozitivní emoce a zvyšuje touhu kupovat dárky. Podobně i vůně čerstvého chleba v sekci potravin vám bude kapat sliny do pusy a do košíku toho nasypete víc.

2. Kafr se často používá do hřejivých mastí. Tři sloučeniny s různou strukturou mají svůj vlastní zápach.

Co však způsobuje, že daná látka způsobuje tento, a ne jiný, čichový vjem?

Pro čichovou chuť bylo stanoveno pět základních chutí: slaná, sladká, hořká, kyselá, ounová (masová) a stejný počet typů receptorů na jazyku. V případě vůně není ani známo, kolik základních aromat existuje, nebo zda vůbec existují. Struktura molekul jistě určuje vůni, ale proč je to tak, že sloučeniny s podobnou strukturou voní úplně jinak (2) a zcela odlišně - stejně (3)?

3. Sloučenina nalevo voní jako pižmo (složka parfému) a napravo - téměř identická struktura - je bez vůně.

Proč většina esterů voní příjemně, ale sloučeniny síry nepříjemně (tento fakt lze asi vysvětlit)? Někteří jsou zcela necitliví na určité pachy a statisticky mají ženy citlivější nos než muži. To naznačuje genetické podmínky, tj. přítomnost specifických proteinů v receptorech.

V každém případě existuje více otázek než odpovědí a bylo vyvinuto několik teorií, které objasňují záhady vůně.

Klíč a zámek

První je založen na osvědčeném enzymatickém mechanismu, kdy molekula činidla vstupuje do dutiny molekuly enzymu (aktivní místo), jako klíč k zámku. Voní tedy, protože tvar jejich molekul odpovídá dutinám na povrchu receptorů a na jejich části se vážou určité skupiny atomů (stejně jako enzymy vážou činidla).

Stručně řečeno, toto je teorie vůně vyvinutá britským biochemikem. John E. Amurea. Vybral sedm hlavních vůní: kafrovo-pižmové, květinové, mátové, éterické, kořenité a hnilobné (zbytek jsou jejich kombinace). Podobnou strukturu mají i molekuly sloučenin s podobným zápachem, například ty s kulovitým tvarem voní po kafru a mezi sloučeniny s nepříjemným zápachem patří síra.

Strukturální teorie byla úspěšná – například vysvětlila, proč po chvíli přestaneme vonět. Je to způsobeno zablokováním všech receptorů molekulami nesoucími daný zápach (stejně jako v případě enzymů obsazených nadbytkem substrátů). Tato teorie však nebyla vždy schopna stanovit souvislost mezi chemickou strukturou sloučeniny a jejím zápachem. Před jejím získáním nedokázala s dostatečnou pravděpodobností předpovědět pach látky. Nepodařilo se jí vysvětlit ani intenzivní zápach malých molekul, jako je amoniak a sirovodík. Změny provedené Amurem a jeho nástupci (včetně zvýšení počtu základních příchutí) neodstranily všechny nedostatky strukturální teorie.

vibrující molekuly

Atomy v molekulách neustále vibrují, natahují a ohýbají vazby mezi sebou a pohyb se nezastaví ani při teplotách absolutní nuly. Molekuly absorbují vibrační energii, která spočívá především v infračervené oblasti záření. Této skutečnosti bylo využito v IR spektroskopii, která je jednou z hlavních metod pro stanovení struktury molekul – neexistují dvě různé sloučeniny se stejným IR spektrem (kromě tzv. optických izomerů).

Tvůrci vibrační teorie čichu (J. M. Dyson, R. H. Wright) našli souvislosti mezi frekvencí vibrací a vnímaným pachem. Vibrace rezonancí způsobují vibrace receptorových molekul v čichovém epitelu, čímž se změní jejich struktura a vyšle nervový impuls do mozku. Předpokládalo se, že existuje asi dvacet typů receptorů, a tedy stejný počet základních aromat.

V 70. letech mezi sebou zastánci obou teorií (vibrační i strukturální) zuřivě soupeřili.

Vibrionisté vysvětlovali problém zápachu malých molekul tím, že jejich spektra jsou podobná fragmentům spekter větších molekul, které mají podobný zápach. Nebyli však schopni vysvětlit, proč některé optické izomery se stejnými spektry mají zcela odlišný zápach (4).

4. Optické izomery karvonu: třída S voní jako kmín, třída R voní po mátě.

Strukturalisté nemají problém tuto skutečnost vysvětlit - receptory, fungující jako enzymy, rozpoznávají i tak jemné rozdíly mezi molekulami. Vibrační teorie také nedokázala předpovědět sílu pachu, což stoupenci Amorovy teorie vysvětlovali silou vazby nosičů pachu na receptory.

Snažil se situaci zachránit L. Turíncož naznačuje, že čichový epitel funguje jako skenovací tunelový mikroskop (!). Podle Turina proudí elektrony mezi částmi receptoru, když je mezi nimi fragment molekuly aroma s určitou frekvencí vibračních vibrací. Výsledné změny ve struktuře receptoru způsobují přenos nervového vzruchu. Úprava Turína se však mnohým vědcům zdá příliš extravagantní.

Pasti

Molekulární biologie se také pokusila odhalit tajemství pachů a tento objev byl několikrát oceněn Nobelovou cenou. Lidské pachové receptory jsou rodinou asi tisíce různých proteinů a geny odpovědné za jejich syntézu jsou aktivní pouze v čichovém epitelu (tedy tam, kde je to potřeba). Receptorové proteiny se skládají ze šroubovicového řetězce aminokyselin. Na obrázku stehového stehu řetězec proteinů sedmkrát prorazí buněčnou membránu, odtud název: sedmišroubovicové transmembránové buněčné receptory ().

Fragmenty vyčnívající mimo buňku vytvářejí past, do které mohou spadnout molekuly s odpovídající strukturou (5). Na místo receptoru, ponořeného uvnitř buňky, je připojen specifický protein typu G. Když se molekula zápachu zachytí v pasti, G-protein se aktivuje a uvolní a na jeho místo se připojí další G-protein, která se aktivuje a opět uvolňuje atd. Cyklus se opakuje, dokud se navázaná molekula aroma neuvolní nebo nerozloží enzymy, které neustále čistí povrch čichového epitelu. Receptor může aktivovat i několik stovek molekul G-proteinu a tak vysoký faktor zesílení signálu mu umožňuje reagovat i na stopová množství příchutí (6). Aktivovaný G-protein spouští cyklus chemických reakcí, které vedou k vyslání nervového impulsu.

5. Takto vypadá pachový receptor - protein 7TM.

Výše uvedený popis fungování čichových receptorů je podobný popisu uvedenému ve strukturální teorii. Protože dochází k vazbě molekul, lze tvrdit, že vibrační teorie byla také částečně správná. Není to poprvé v historii vědy, kdy dřívější teorie nebyly úplně mylné, ale jednoduše se přibližovaly realitě.

6. Lidský nos jako detektor sloučenin při analýze jejich chromatograficky separovaných směsí.

Proč něco voní?

Existuje mnohem více pachů než typů čichových receptorů, což znamená, že molekuly pachu aktivují několik různých proteinů současně. na základě celé sekvence signálů přicházejících z určitých míst v čichovém bulbu. Protože přírodní vůně obsahují dokonce více než sto sloučenin, lze si představit složitost procesu vytváření čichového vjemu.

Dobře, ale proč něco voní dobře, něco hnusně a něco vůbec?

Otázka je napůl filozofická, ale částečně zodpovězená. Za vnímání čichu je zodpovědný mozek, který řídí chování lidí a zvířat, směřuje jejich zájem na příjemné vůně a varuje před zapáchajícími předměty. Lákavé pachy se vyskytují mimo jiné, estery zmíněné na začátku článku uvolňují zralé plody (proto stojí za to je jíst) a z rozkládajících se zbytků se uvolňují sloučeniny síry (nejlépe se od nich držet dál).

Vzduch není cítit, protože je to pozadí, na kterém se pachy šíří: stopová množství NH3 nebo H₂S a náš čich spustí poplach. Vnímání pachu je tedy signálem vlivu určitého faktoru. vztah k druhům.

Jak voní nadcházející svátky? Odpověď je na obrázku (7).

7. Vůně Vánoc: vlevo perníkové příchutě (zingeron a gingerol), vpravo vánoční stromky (bornylacetát a dva druhy pinenu).