לכימאי יש אף
במאמר שלהלן נסתכל על בעיית הריח דרך עיניו של כימאי – אחרי הכל, האף שלו יועיל במעבדה שלו ביום יום.
1. עצבוב של האף האנושי - עיבוי מעל חלל האף הוא נורת הריח (מחבר: Wikimedia/Opt1cs).
אנחנו יכולים לחלוק רגשות פיזית (ראייה, שמיעה, מגע) והעיקריים שלהם כימיכלומר טעם וריח. עבור הראשונים, כבר נוצרו אנלוגים מלאכותיים (אלמנטים רגישים לאור, מיקרופונים, חיישני מגע), אך האחרונים עדיין לא נכנעו ל"זכוכית ולעין" של מדענים. הם נוצרו לפני מיליארדי שנים כאשר התאים הראשונים החלו לקבל אותות כימיים מהסביבה.
ריח נפרד בסופו של דבר מהטעם, אם כי זה לא קורה בכל האורגניזמים. בעלי חיים וצמחים מרחרחים כל הזמן את סביבתם, והמידע המתקבל בדרך זו חשוב הרבה יותר ממה שנראה במבט ראשון. גם ללומדים חזותיים ושמיעתיים, כולל בני אדם.
סודות הריח
כאשר אתה שואף, זרם האוויר זוהר לתוך האף, ולפני המעבר, נכנס לרקמה מיוחדת - אפיתל הריח בגודל של כמה סנטימטרים.2. להלן הקצוות של תאי עצב הלוכדים גירויי ריח. האות המתקבל מהקולטנים עובר לפקעת הריח במוח, ומשם לחלקים אחרים של המוח (1). קצה האצבע מכיל דפוסי ריח ספציפיים לכל מין. אדם יכול לזהות כ-10 מהם, ואנשי מקצוע מיומנים בתעשיית הבשמים יכולים לזהות הרבה יותר.
ריחות גורמים לתגובות בגוף, הן במודע (למשל, אתה נבהל מריח רע) והן בתת מודע. משווקים משתמשים בקטלוג איגודי הבשמים. הרעיון שלהם הוא לטעום את האוויר בחנויות בניחוח של עצי חג המולד ולחם ג'ינג'ר בתקופה שלפני השנה החדשה, מה שגורם לרגשות חיוביים אצל כולם ומגביר את החשק לקנות מתנות. באופן דומה, ריח של לחם טרי בסעיף האוכל יגרום לרוק שלך לטפטף לתוך הפה שלך, ותכניס יותר לסל.
2. קמפור משמש לעתים קרובות במשחות מחממות. לשלוש תרכובות בעלות מבנים שונים יש ריח משלהן.
אבל מה גורם לחומר נתון לגרום לתחושת ריח זו, ולא אחרת, לתחושת ריח?
לטעם הריח נקבעו חמישה טעמים בסיסיים: מלוח, מתוק, מר, חמוץ, אואן (בשר) ומספר זהה של סוגי קולטנים על הלשון. במקרה של ריח, אפילו לא ידוע כמה ניחוחות בסיסיים קיימים, או אם הם קיימים בכלל. מבנה המולקולות בהחלט קובע את הריח, אבל מדוע תרכובות בעלות מבנה דומה מריחות שונה לחלוטין (2), ושונה לחלוטין - זהה (3)?
3. התרכובת משמאל מריחה כמו מושק (מרכיב בושם), ומימין - כמעט זהה במבנה - אין לה ריח.
מדוע לרוב האסטרים יש ריח נעים, אבל תרכובות גופרית לא נעימות (אפשר להסביר עובדה זו כנראה)? חלקם חסרי רגישות לחלוטין לריחות מסוימים, וסטטיסטית לנשים יש אף רגיש יותר מגברים. זה מרמז על תנאים גנטיים, כלומר. נוכחות של חלבונים ספציפיים בקולטנים.
בכל מקרה, יש יותר שאלות מתשובות, ופותחו כמה תיאוריות כדי להסביר את מסתורי הניחוח.
מפתח ומנעול
הראשון מבוסס על מנגנון אנזימטי מוכח, כאשר מולקולת המגיב נכנסת לחלל מולקולת האנזים (אתר פעיל), כמו מפתח למנעול. לפיכך, הם מריחים מכיוון שצורת המולקולות שלהם מתאימה לחללים על פני הרצפטורים, וקבוצות מסוימות של אטומים נקשרות לחלקיה (באותו אופן שבו אנזימים קושרים ריאגנטים).
בקיצור, זו תיאוריית ריח שפותחה על ידי ביוכימאי בריטי. ג'ון אי אמוראה. הוא הבחין בשבעה ניחוחות עיקריים: קמפור-מושקי, פרחוני, מנטה, אתרי, חריף ועקוב (השאר הם שילובים שלהם). למולקולות של תרכובות בעלות ריח דומה יש גם מבנה דומה, למשל, למולקולות של תרכובות בעלות ריח דומה, לבעלי צורה כדורית ריח כמו קמפור, ותרכובות בעלות ריח לא נעים כוללות גופרית.
תורת המבנה הצליחה - למשל, היא הסבירה מדוע אנו מפסיקים להריח לאחר זמן מה. זה נובע מחסימת כל הקולטנים על ידי מולקולות הנושאות ריח נתון (בדיוק כמו במקרה של אנזימים הנכבשים בעודף של מצעים). עם זאת, תיאוריה זו לא תמיד הצליחה לבסס קשר בין המבנה הכימי של תרכובת לריח שלה. היא לא הצליחה לחזות את ריח החומר בסבירות מספקת לפני השגתה. היא גם לא הצליחה להסביר את הריח העז של מולקולות קטנות כמו אמוניה ומימן גופרתי. התיקונים שביצעו עמור וממשיכיו (כולל הגדלת מספר טעמי הבסיס) לא ביטלו את כל החסרונות של תורת המבנה.
מולקולות רוטטות
האטומים במולקולות רוטטים ללא הרף, מותחים ומכופפים את הקשרים ביניהם, והתנועה לא נעצרת אפילו בטמפרטורות אפס מוחלטות. מולקולות סופגות אנרגיית רטט, שנמצאת בעיקר בטווח האינפרא אדום של קרינה. עובדה זו שימשה בספקטרוסקופיה IR, שהיא אחת השיטות העיקריות לקביעת המבנה של מולקולות - אין שתי תרכובות שונות עם אותו ספקטרום IR (למעט מה שנקרא איזומרים אופטיים).
יוצרים תיאוריית הרטט של הריח (J.M. Dyson, R.H. Wright) מצאו קשרים בין תדירות הרעידות לבין הריח הנתפס. רעידות על ידי תהודה גורמות לתנודות של מולקולות קולטן באפיתל הריח, אשר משנה את המבנה שלהן ושולחת דחף עצבי למוח. ההנחה הייתה שיש כעשרים סוגים של קולטנים, ולכן, אותו מספר של ניחוחות בסיסיים.
בשנות ה-70, התומכים בשתי התיאוריות (רטט ומבניות) התחרו בעוז זה בזה.
ויבריוניסטים הסבירו את בעיית הריח של מולקולות קטנות בכך שהספקטרום שלהן דומות לשברי ספקטרום של מולקולות גדולות יותר שיש להם ריח דומה. עם זאת, הם לא הצליחו להסביר מדוע לכמה איזומרים אופטיים עם אותם ספקטרה יש ריחות שונים לחלוטין (4).
4. איזומרים אופטיים של קרבון: דרגה S מריח כמו כמון, דרגה R מריח כמו מנטה.
לסטרוקטורליסטים אין קושי להסביר עובדה זו - קולטנים, הפועלים כמו אנזימים, מזהים אפילו הבדלים כה עדינים בין מולקולות. תורת הרטט גם לא יכלה לחזות את עוצמת הריח, שאותו הסבירו חסידי תורת קופידון בעוצמת הקישור של נושאי ריח לקולטנים.
הוא ניסה להציל את המצב ל טורינומה שמציע כי אפיתל הריח פועל כמו מיקרוסקופ מנהור סורק (!). לפי טורינו, אלקטרונים זורמים בין חלקי הקולטן כאשר יש ביניהם שבר של מולקולת ארומה בתדירות מסוימת של תנודות רטט. השינויים הנובעים במבנה הקולטן גורמים להעברת הדחף העצבי. עם זאת, השינוי של טורינו נראה למדענים רבים אקסטרווגנטי מדי.
מלכודות
גם ביולוגיה מולקולרית ניסתה לפענח את מסתורי הריחות, ותגלית זו זכתה מספר פעמים בפרס נובל. קולטני ריח אנושיים הם משפחה של כאלף חלבונים שונים, והגנים האחראים לסינתזה שלהם פעילים רק באפיתל הריח (כלומר, היכן שהוא נחוץ). חלבוני הרצפטור מורכבים משרשרת סלילנית של חומצות אמינו. בתמונת תפר התפר, שרשרת חלבונים חודרת את קרום התא שבע פעמים, ומכאן השם: קולטני תאים טרנסממברניים שבעה סליל ,
שברים הבולטים מחוץ לתא יוצרים מלכודת אליה יכולות ליפול מולקולות בעלות המבנה המתאים (5). חלבון מסוג G מוצמד למקום הקולטן, שקוע בתוך התא, כאשר מולקולת הריח נלכדת במלכודת, חלבון ה-G מופעל ומשתחרר ובמקומו נצמד חלבון G נוסף. אשר מופעל ומשתחרר שוב וכו'. המחזור חוזר על עצמו עד שמולקולת הארומה הקשורה משתחררת או מתפרקת על ידי אנזימים המנקים כל הזמן את פני השטח של אפיתל הריח. הקולטן יכול להפעיל אפילו כמה מאות מולקולות חלבון G, ומקדם הגברת אות כה גבוה מאפשר לו להגיב אפילו לכמות קטנה של טעמים (6). חלבון ה-G המופעל מתחיל מעגל של תגובות כימיות המובילות לשליחת דחף עצבי.
5. כך נראה קולטן הריח - חלבון 7TM.
התיאור לעיל של תפקוד קולטני הריח דומה לזה המוצג בתיאוריה המבנית. מכיוון שמתרחשת הקישור של מולקולות, ניתן לטעון שגם תיאוריית הרטט הייתה נכונה בחלקה. אין זו הפעם הראשונה בתולדות המדע שתיאוריות קודמות לא היו שגויות לחלוטין, אלא פשוט התקרבו למציאות.
6. אף אדם כגלאי של תרכובות בניתוח התערובות המופרדות כרומטוגרפית שלהן.
למה משהו מריח?
יש הרבה יותר ריחות מאשר סוגים של קולטני ריח, מה שאומר שמולקולות ריח מפעילות כמה חלבונים שונים בו-זמנית. מבוסס על כל רצף האותות המגיע ממקומות מסוימים בנורת הריח. מכיוון שבשמים טבעיים יש אפילו יותר ממאה תרכובות, אפשר לדמיין את המורכבות של תהליך יצירת תחושת הריח.
אוקיי, אבל למה משהו מריח טוב, משהו מגעיל ומשהו בכלל לא?
השאלה היא חצי פילוסופית, אך נענתה בחלקה. המוח אחראי על תפיסת הריח, השולטת בהתנהגותם של בני אדם ובעלי חיים, מכוונת את התעניינותם לריחות נעימים ומזהירה מפני חפצים בעלי ריח רע. נמצאים ריחות מפתים, בין היתר, האסטרים שהוזכרו בתחילת המאמר משתחררים מפירות בשלים (לכן כדאי לאכול אותם), ומשאירים מתפרקים משתחררים תרכובות גופרית (עדיף להתרחק מהם).
האוויר אינו מריח כי הוא הרקע שעליו מתפשטים ריחות: עם זאת, כמויות עקבות של NH3 או H2S, וחוש הריח שלנו ישמע את האזעקה. לפיכך, תפיסת הריח היא אות להשפעה של גורם מסוים. קשר למינים.
איך ריח החגים הקרובים? התשובה מוצגת בתמונה (7).
7. ריח חג המולד: משמאל טעמי ג'ינג'ר (זינגרונה וג'ינג'רול), מימין עצי חג המולד (בורניל אצטט ושני סוגים של פינן).
