الكيميائي لديه أنف
في المقالة أدناه ، سننظر في مشكلة الرائحة من خلال عيون الكيميائي - بعد كل شيء ، سيكون أنفه مفيدًا في مختبره بشكل يومي.
1. تعصيب أنف الإنسان - السماكة الموجودة فوق تجويف الأنف هي البصيلة الشمية (المؤلف: Wikimedia / Opt1cs).
يمكننا مشاركة المشاعر جسدي (البصر والسمع واللمس) والأساسي المواد الكيميائيةأي الطعم والرائحة. بالنسبة للأولى ، تم بالفعل إنشاء نظائر اصطناعية (عناصر حساسة للضوء ، وميكروفونات ، وأجهزة استشعار تعمل باللمس) ، لكن هذه الأخيرة لم تستسلم بعد لـ "زجاج وعين" العلماء. تم إنشاؤها منذ مليارات السنين عندما بدأت الخلايا الأولى في تلقي إشارات كيميائية من البيئة.
انفصلت الرائحة في النهاية عن الذوق ، على الرغم من أن هذا لا يحدث في جميع الكائنات الحية. تشم الحيوانات والنباتات محيطها باستمرار ، والمعلومات التي يتم الحصول عليها بهذه الطريقة أكثر أهمية مما تبدو للوهلة الأولى. أيضًا للمتعلمين البصريين والسمعيين ، بما في ذلك البشر.
أسرار الشم
عندما تستنشق ، يندفع تيار الهواء إلى الأنف ، وقبل الانتقال ، يدخل نسيجًا متخصصًا - ظهارة شمية يبلغ حجمها عدة سنتيمترات.2. فيما يلي نهايات الخلايا العصبية التي تلتقط محفزات الرائحة. تنتقل الإشارة الواردة من المستقبلات إلى البصلة الشمية في الدماغ ، ومن هناك إلى مناطق أخرى من الدماغ (1). تحتوي أطراف الأصابع على أنماط رائحة خاصة بكل نوع. يمكن للإنسان التعرف على حوالي 10 منهم ، ويمكن للمهنيين المدربين في صناعة العطور التعرف على المزيد.
تسبب الروائح ردود فعل في الجسم ، سواء كانت واعية (على سبيل المثال ، تندهش من الرائحة الكريهة) والعقل الباطن. يستخدم المسوقون كتالوج جمعيات العطور. تتمثل فكرتهم في إضفاء نكهة على الهواء في المتاجر برائحة أشجار عيد الميلاد وخبز الزنجبيل خلال فترة ما قبل رأس السنة الجديدة ، مما يتسبب في مشاعر إيجابية لدى الجميع ويزيد من الرغبة في شراء الهدايا. وبالمثل ، فإن رائحة الخبز الطازج في قسم الطعام ستجعل اللعاب يسيل في فمك ، وستضع المزيد في السلة.
2. غالبا ما يستخدم الكافور في تدفئة المراهم. ثلاثة مركبات ذات هياكل مختلفة لها رائحة خاصة بها.
ولكن ما الذي يجعل مادة معينة تسبب هذا الإحساس الشمي وليس آخر؟
بالنسبة للطعم الشمي ، تم تحديد خمسة مذاقات أساسية: مالح ، حلو ، مر ، حامض ، عون (لحم) ونفس عدد أنواع المستقبلات على اللسان. في حالة الشم ، لا يُعرف حتى عدد الروائح الأساسية الموجودة ، أو ما إذا كانت موجودة على الإطلاق. تحدد بنية الجزيئات الرائحة بالتأكيد ، ولكن لماذا رائحة المركبات ذات البنية المماثلة مختلفة تمامًا (2) ، وغير متشابهة تمامًا - نفس الشيء (3)؟
3. المركب الموجود على اليسار يشبه رائحة المسك (مكون عطري) ، وعلى اليمين - متطابق تقريبًا في التركيب - ليس له رائحة.
لماذا رائحة معظم الإسترات لطيفة ، لكن مركبات الكبريت كريهة (يمكن تفسير هذه الحقيقة على الأرجح)؟ البعض غير حساس تمامًا لبعض الروائح ، وإحصائيًا ، يكون لدى النساء أنف أكثر حساسية من الرجال. هذا يشير إلى الظروف الوراثية ، أي وجود بروتينات معينة في المستقبلات.
على أي حال ، هناك أسئلة أكثر من الإجابات ، وقد تم تطوير العديد من النظريات لشرح ألغاز العطر.
المفتاح والقفل
الأول يعتمد على آلية إنزيمية مثبتة ، عندما يدخل جزيء الكاشف في تجويف جزيء الإنزيم (الموقع النشط) ، مثل مفتاح القفل. وبالتالي ، فإنهم يشمون لأن شكل جزيئاتهم يتوافق مع التجاويف الموجودة على سطح المستقبلات ، وترتبط مجموعات معينة من الذرات بأجزائها (بنفس الطريقة التي تربط بها الإنزيمات الكواشف).
باختصار ، هذه نظرية عن الرائحة طورها عالم الكيمياء الحيوية البريطاني. جون إي أموريا. وخص بالذكر سبع روائح رئيسية: الكافور - المسك ، الأزهار ، النعناع ، الأثيري ، الحارة والفاسدة (الباقي عبارة عن مزيج منها). تحتوي جزيئات المركبات ذات الرائحة المماثلة أيضًا على بنية مماثلة ، على سبيل المثال ، تلك التي لها شكل كروي مثل رائحة الكافور ، والمركبات ذات الرائحة الكريهة تشمل الكبريت.
لقد نجحت النظرية الهيكلية - على سبيل المثال ، أوضحت سبب توقفنا عن الشم بعد فترة. ويرجع ذلك إلى حجب جميع المستقبلات عن طريق الجزيئات التي تحمل رائحة معينة (تمامًا كما في حالة الإنزيمات التي تشغلها ركائز زائدة). ومع ذلك ، لم تكن هذه النظرية قادرة دائمًا على إقامة علاقة بين التركيب الكيميائي للمركب ورائحته. لم تكن قادرة على التنبؤ برائحة المادة باحتمالية كافية قبل الحصول عليها. كما أنها فشلت في تفسير الرائحة الشديدة للجزيئات الصغيرة مثل الأمونيا وكبريتيد الهيدروجين. التعديلات التي أجراها أمور وخلفاؤه (بما في ذلك زيادة عدد النكهات الأساسية) لم تقضي على جميع أوجه القصور في النظرية البنيوية.
تهتز الجزيئات
الذرات في الجزيئات تهتز باستمرار ، وتمدد وتثني الروابط فيما بينها ، ولا تتوقف الحركة حتى عند درجات حرارة الصفر المطلق. تمتص الجزيئات الطاقة الاهتزازية ، والتي تكمن أساسًا في نطاق الأشعة تحت الحمراء. تم استخدام هذه الحقيقة في التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء ، وهي إحدى الطرق الرئيسية لتحديد بنية الجزيئات - لا يوجد مركبان مختلفان لهما نفس طيف الأشعة تحت الحمراء (باستثناء ما يسمى الأيزومرات الضوئية).
المبدعين نظرية الذبذبات في الشم (جي إم دايسون ، آر إتش رايت) وجدت روابط بين تردد الاهتزازات والرائحة المحسوسة. تسبب الاهتزازات بالرنين اهتزازات لجزيئات المستقبلات في الظهارة الشمية ، والتي تغير بنيتها وترسل نبضة عصبية إلى الدماغ. كان من المفترض أن هناك حوالي عشرين نوعًا من المستقبلات ، وبالتالي نفس العدد من الروائح الأساسية.
في السبعينيات ، تنافس أنصار كل من النظريتين (الاهتزازية والهيكلية) بشراسة مع بعضهم البعض.
شرح علماء الفيبريون مشكلة رائحة الجزيئات الصغيرة من خلال حقيقة أن أطيافها تشبه شظايا أطياف الجزيئات الأكبر التي لها نفس الرائحة. ومع ذلك ، لم يتمكنوا من تفسير سبب وجود روائح مختلفة تمامًا لبعض الأيزومرات الضوئية التي لها نفس الأطياف (4).
4. الأيزومرات الضوئية لكارفون: الدرجة S تنبعث منها رائحة الكمون ، ورائحة الدرجة R مثل النعناع.
لا يجد البنيويون صعوبة في تفسير هذه الحقيقة - المستقبلات ، التي تعمل مثل الإنزيمات ، تتعرف حتى على مثل هذه الاختلافات الدقيقة بين الجزيئات. لم تستطع نظرية الاهتزازات أيضًا التنبؤ بقوة الرائحة ، والتي فسّرها أتباع نظرية كيوبيد بقوة ارتباط حاملات الرائحة بالمستقبلات.
حاول إنقاذ الموقف تورينومما يشير إلى أن الظهارة الشمية تعمل مثل مجهر المسح النفقي (!). وفقًا لتورينو ، تتدفق الإلكترونات بين أجزاء المستقبل عندما يكون هناك جزء من جزيء عطري بينهما بتردد معين من الاهتزازات الاهتزازية. تؤدي التغييرات الناتجة في بنية المستقبل إلى انتقال النبضات العصبية. ومع ذلك ، فإن تعديل تورينو يبدو للعديد من العلماء باهظًا للغاية.
الفخاخ
حاولت البيولوجيا الجزيئية أيضًا كشف ألغاز الروائح ، وحصل هذا الاكتشاف على جائزة نوبل عدة مرات. مستقبلات الرائحة البشرية هي عائلة مكونة من حوالي ألف بروتين مختلف ، والجينات المسؤولة عن تركيبها تنشط فقط في الظهارة الشمية (أي عند الحاجة). تتكون بروتينات المستقبلات من سلسلة حلزونية من الأحماض الأمينية. في صورة غرزة الغرز ، تخترق سلسلة من البروتينات غشاء الخلية سبع مرات ، ومن هنا جاء الاسم: مستقبلات الخلايا الغشائية السبعة الحلزون ().
تخلق الشظايا البارزة خارج الخلية مصيدة يمكن أن تسقط فيها الجزيئات ذات البنية المقابلة (5). يتم ربط بروتين معين من النوع G بموقع المستقبل ، مغمورًا داخل الخلية. عندما يتم التقاط جزيء الرائحة في المصيدة ، يتم تنشيط البروتين G وإطلاقه ، ويتم إرفاق بروتين G آخر في مكانه ، الذي يتم تنشيطه وإطلاقه مرة أخرى ، وما إلى ذلك. تتكرر الدورة حتى يتم تحرير جزيء الرائحة المرتبط أو تكسيره بواسطة الإنزيمات التي تنظف سطح الظهارة الشمية باستمرار. يمكن للمستقبل أن ينشط حتى عدة مئات من جزيئات البروتين G ، ومثل هذا الاكتساب العالي للإشارة يسمح له بالاستجابة حتى لكميات ضئيلة من النكهات (6). يبدأ بروتين G المنشط دورة من التفاعلات الكيميائية التي تؤدي إلى إرسال نبضة عصبية.
5. هذا ما يبدو عليه مستقبل الرائحة - بروتين 7TM.
الوصف أعلاه لعمل المستقبلات الشمية مشابه لما تم تقديمه في النظرية البنيوية. نظرًا لحدوث ارتباط الجزيئات ، يمكن القول أن نظرية الاهتزاز كانت أيضًا صحيحة جزئيًا. ليست هذه هي المرة الأولى في تاريخ العلم التي لم تكن فيها النظريات السابقة خاطئة تمامًا ، ولكنها ببساطة اقتربت من الواقع.
6. أنف الإنسان ككاشف للمركبات في تحليل مخاليطها المنفصلة كروماتوغرافيا.
لماذا رائحة شيء ما؟
هناك العديد من الروائح أكثر من أنواع المستقبلات الشمية ، مما يعني أن جزيئات الرائحة تنشط عدة بروتينات مختلفة في نفس الوقت. بناءً على التسلسل الكامل للإشارات القادمة من أماكن معينة في البصلة الشمية. نظرًا لأن العطور الطبيعية تحتوي حتى على أكثر من مائة مركب ، يمكن للمرء أن يتخيل مدى تعقيد عملية خلق الإحساس الشمي.
حسنًا ، ولكن لماذا رائحة شيء جيد ، شيء مقرف ، وشيء ليس على الإطلاق؟
السؤال نصف فلسفي ، لكن تمت الإجابة عنه جزئياً. الدماغ مسؤول عن إدراك حاسة الشم التي تتحكم في سلوك الإنسان والحيوان ، وتوجيه اهتمامهم إلى الروائح اللطيفة والتحذير من الأشياء ذات الرائحة الكريهة. تم العثور على روائح مغرية ، من بين أشياء أخرى ، تنبعث الإسترات المذكورة في بداية المقالة من الثمار الناضجة (لذلك تستحق الأكل) ، وتنبعث مركبات الكبريت من البقايا المتحللة (الأفضل الابتعاد عنها).
لا يشم الهواء لأنه الخلفية التي تنتشر على أساسها الروائح: ومع ذلك ، يمكنك تتبع كميات ضئيلة من NH3 أو H2S ، وإحساسنا بالرائحة سوف يدق ناقوس الخطر. وبالتالي ، فإن إدراك الرائحة هو إشارة إلى تأثير عامل معين. فيما يتعلق بالأنواع.
ماذا تشبه رائحة الأعياد القادمة؟ الجواب مبين في الصورة (7).
7. رائحة عيد الميلاد: على اليسار ، نكهات خبز الزنجبيل (زينجرون وجينجيرول) ، على اليمين ، أشجار عيد الميلاد (أسيتات بورديل ونوعين من البينين).
