นักเคมีมีจมูก
ในบทความด้านล่าง เราจะดูปัญหาของกลิ่นผ่านสายตาของนักเคมี ท้ายที่สุด จมูกของเขาจะมีประโยชน์ในห้องปฏิบัติการของเขาทุกวัน
1. การดูแลจมูกของมนุษย์ - ส่วนที่หนาขึ้นเหนือโพรงจมูกคือหลอดดมกลิ่น (ผู้เขียน: Wikimedia/Opt1cs)
แบ่งปันความรู้สึกกันได้ ทางกายภาพ (การมองเห็น การได้ยิน การสัมผัส) และหลักของพวกเขา สารเคมีเช่น รสและกลิ่น สำหรับอดีตนั้นได้มีการสร้างแอนะล็อกเทียมขึ้นแล้ว (องค์ประกอบที่ไวต่อแสง, ไมโครโฟน, เซ็นเซอร์สัมผัส) แต่ส่วนหลังยังไม่ยอมแพ้ต่อ "แก้วและตา" ของนักวิทยาศาสตร์ พวกมันถูกสร้างขึ้นเมื่อหลายพันล้านปีก่อนเมื่อเซลล์แรกเริ่มรับสัญญาณทางเคมีจากสิ่งแวดล้อม
ในที่สุดกลิ่นก็แยกออกจากรสชาติ แม้ว่าสิ่งนี้จะไม่เกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิตทั้งหมด สัตว์และพืชสามารถดมกลิ่นสิ่งรอบตัวได้อย่างต่อเนื่อง และข้อมูลที่ได้รับในลักษณะนี้มีความสำคัญมากกว่าที่เห็นในแวบแรก สำหรับผู้เรียนด้วยภาพและการได้ยิน รวมทั้งมนุษย์ด้วย
เคล็ดลับการดมกลิ่น
เมื่อคุณหายใจเข้า กระแสอากาศจะพุ่งเข้าจมูกและก่อนที่จะเคลื่อนต่อไป เข้าสู่เนื้อเยื่อพิเศษ - เยื่อบุผิวรับกลิ่นขนาดหลายเซนติเมตร2. นี่คือจุดสิ้นสุดของเซลล์ประสาทที่จับสิ่งเร้ากลิ่น สัญญาณที่ได้รับจากตัวรับจะเดินทางไปยังหลอดรับกลิ่นในสมอง และจากที่นั่นไปยังส่วนอื่นๆ ของสมอง (1) ปลายนิ้วมีกลิ่นเฉพาะของแต่ละสายพันธุ์ มนุษย์สามารถจดจำพวกเขาได้ประมาณ 10 คน และผู้เชี่ยวชาญที่ได้รับการฝึกฝนในอุตสาหกรรมน้ำหอมสามารถจดจำได้อีกมากมาย
กลิ่นทำให้เกิดปฏิกิริยาในร่างกายทั้งที่รู้สึกตัว (เช่น สะดุ้งเมื่อได้กลิ่นเหม็น) และจิตใต้สำนึก นักการตลาดใช้แคตตาล็อกของสมาคมน้ำหอม ความคิดของพวกเขาคือการปรุงแต่งอากาศในร้านค้าด้วยกลิ่นของต้นคริสต์มาสและขนมปังขิงในช่วงก่อนปีใหม่ซึ่งทำให้เกิดอารมณ์เชิงบวกในทุกคนและเพิ่มความปรารถนาที่จะซื้อของขวัญ ในทำนองเดียวกัน กลิ่นของขนมปังสดในส่วนอาหารจะทำให้น้ำลายของคุณหยดลงในปากและคุณจะใส่ลงในตะกร้ามากขึ้น
2. การบูรมักใช้ในขี้ผึ้งร้อน สารประกอบสามชนิดที่มีโครงสร้างต่างกันมีกลิ่นของตัวเอง
แต่อะไรเป็นสาเหตุให้สารที่กำหนดทำให้เกิดสิ่งนี้ ไม่ใช่ความรู้สึกอื่นในการรับกลิ่น?
สำหรับการรับรสจากการดมกลิ่นนั้น มีการกำหนดรสชาติพื้นฐาน 2 รส: เค็ม หวาน ขม เปรี้ยว อูน (เนื้อ) และจำนวนตัวรับชนิดเดียวกันบนลิ้น ในกรณีของกลิ่น ไม่มีใครรู้ด้วยซ้ำว่ามีกลิ่นพื้นฐานกี่กลิ่น หรือมีอยู่จริงหรือไม่ โครงสร้างของโมเลกุลเป็นตัวกำหนดกลิ่นอย่างแน่นอน แต่ทำไมสารประกอบที่มีโครงสร้างคล้ายกันจึงมีกลิ่นที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง (3) และแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง - เหมือนกัน (XNUMX)
3. สารประกอบทางด้านซ้ายมีกลิ่นเหมือนมัสค์ (ส่วนผสมของน้ำหอม) และทางด้านขวา - มีโครงสร้างเกือบเหมือนกัน - ไม่มีกลิ่น
เหตุใดเอสเทอร์ส่วนใหญ่จึงมีกลิ่นหอม แต่สารประกอบกำมะถันไม่เป็นที่พอใจ (ข้อเท็จจริงนี้สามารถอธิบายได้) บางชนิดไม่ไวต่อกลิ่นโดยสิ้นเชิง และตามสถิติแล้วผู้หญิงมีจมูกที่บอบบางกว่าผู้ชาย สิ่งนี้บ่งชี้ถึงสภาวะทางพันธุกรรม กล่าวคือ การปรากฏตัวของโปรตีนจำเพาะในตัวรับ
ไม่ว่าในกรณีใด มีคำถามมากกว่าคำตอบ และมีการพัฒนาทฤษฎีหลายอย่างเพื่ออธิบายความลึกลับของกลิ่นหอม
กุญแจและล็อค
อย่างแรกขึ้นอยู่กับกลไกของเอนไซม์ที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว เมื่อโมเลกุลของตัวทำปฏิกิริยาเข้าสู่โพรงของโมเลกุลของเอนไซม์ (ไซต์ที่ทำงานอยู่) เหมือนกับกุญแจสู่การล็อค ดังนั้นพวกมันจึงได้กลิ่นเพราะรูปร่างของโมเลกุลของมันสอดคล้องกับโพรงบนพื้นผิวของตัวรับและอะตอมบางกลุ่มจับกับส่วนต่าง ๆ ของมัน (ในลักษณะเดียวกับที่เอ็นไซม์จับตัวทำปฏิกิริยา)
โดยสังเขป นี่คือทฤษฎีของกลิ่นที่พัฒนาโดยนักชีวเคมีชาวอังกฤษ จอห์น อี. อามูเรีย. เขาแยกแยะกลิ่นหลักเจ็ดกลิ่น: การบูร-มัสกี้, ดอกไม้, มิ้นต์, ไม่มีตัวตน, เผ็ดร้อนและเน่าเสีย (ส่วนที่เหลือเป็นการผสมผสานกัน) โมเลกุลของสารประกอบที่มีกลิ่นคล้ายคลึงกันก็มีโครงสร้างที่คล้ายคลึงกัน ตัวอย่างเช่น สารประกอบที่มีกลิ่นคล้ายทรงกลมคล้ายการบูร และสารประกอบที่มีกลิ่นไม่พึงประสงค์ ได้แก่ กำมะถัน
ทฤษฎีโครงสร้างประสบความสำเร็จ ตัวอย่างเช่น มันอธิบายว่าทำไมเราถึงหยุดดมกลิ่นได้สักพัก นี่เป็นเพราะการปิดกั้นของตัวรับทั้งหมดโดยโมเลกุลที่มีกลิ่นที่กำหนด (เช่นเดียวกับในกรณีของเอนไซม์ที่ถูกครอบครองโดยสารตั้งต้นที่มากเกินไป) อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีนี้ไม่สามารถสร้างความเชื่อมโยงระหว่างโครงสร้างทางเคมีของสารประกอบกับกลิ่นของสารประกอบได้เสมอไป เธอไม่สามารถทำนายกลิ่นของสารที่มีความน่าจะเป็นเพียงพอก่อนที่จะได้รับมา เธอยังล้มเหลวในการอธิบายกลิ่นที่รุนแรงของโมเลกุลขนาดเล็ก เช่น แอมโมเนียและไฮโดรเจนซัลไฟด์ การแก้ไขที่ทำโดยอามูร์และผู้สืบทอดของเขา (รวมถึงการเพิ่มจำนวนรสชาติพื้นฐาน) ไม่ได้ขจัดข้อบกพร่องทั้งหมดของทฤษฎีโครงสร้าง
โมเลกุลสั่นสะเทือน
อะตอมในโมเลกุลสั่นสะเทือนอย่างต่อเนื่อง ยืดและงอพันธะระหว่างตัวมันเอง และการเคลื่อนไหวไม่หยุดแม้ในอุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ โมเลกุลดูดซับพลังงานสั่นสะเทือนซึ่งส่วนใหญ่อยู่ในช่วงอินฟราเรดของรังสี ข้อเท็จจริงนี้ถูกใช้ในอินฟราเรดสเปกโตรสโคปีซึ่งเป็นหนึ่งในวิธีการหลักในการกำหนดโครงสร้างของโมเลกุล - ไม่มีสารประกอบที่แตกต่างกันสองชนิดที่มีสเปกตรัมอินฟราเรดเหมือนกัน (ยกเว้นไอโซเมอร์ออปติคัลที่เรียกว่า)
ผู้สร้าง ทฤษฎีการสั่นสะเทือนของกลิ่น (J. M. Dyson, R. H. Wright) พบความเชื่อมโยงระหว่างความถี่ของการสั่นสะเทือนและการรับรู้กลิ่น การสั่นสะเทือนโดยการสั่นพ้องทำให้เกิดการสั่นสะเทือนของโมเลกุลตัวรับในเยื่อบุผิวรับกลิ่นซึ่งเปลี่ยนโครงสร้างและส่งแรงกระตุ้นเส้นประสาทไปยังสมอง สันนิษฐานว่ามีตัวรับประมาณยี่สิบประเภท ดังนั้นจึงมีจำนวนกลิ่นพื้นฐานเท่ากัน
ในยุค 70 ผู้เสนอทฤษฎีทั้งสอง (การสั่นสะเทือนและโครงสร้าง) แข่งขันกันอย่างดุเดือด
นักไวบริโอนิสต์อธิบายปัญหาของกลิ่นของโมเลกุลขนาดเล็กด้วยข้อเท็จจริงที่ว่าสเปกตรัมของพวกมันคล้ายกับเศษเสี้ยวของสเปกตรัมของโมเลกุลขนาดใหญ่ที่มีกลิ่นคล้ายคลึงกัน อย่างไรก็ตาม พวกเขาไม่สามารถอธิบายได้ว่าทำไมไอโซเมอร์เชิงแสงบางตัวที่มีสเปกตรัมเดียวกันจึงมีกลิ่นที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง (4)
4. ออปติคัลไอโซเมอร์ของคาร์โวน: เกรด S มีกลิ่นเหมือนผงยี่หร่า เกรด R มีกลิ่นเหมือนสะระแหน่
นักโครงสร้างไม่มีปัญหาในการอธิบายข้อเท็จจริงนี้ เนื่องจากตัวรับซึ่งทำหน้าที่เหมือนเอนไซม์ รับรู้ถึงความแตกต่างที่ลึกซึ้งระหว่างโมเลกุลดังกล่าว ทฤษฎีการสั่นสะเทือนไม่สามารถทำนายความแรงของกลิ่นได้ ซึ่งผู้ติดตามทฤษฎีของคิวปิดอธิบายโดยความแรงของการผูกมัดของตัวพากลิ่นกับตัวรับ
เขาพยายามกอบกู้สถานการณ์ แอล. โตริโนบ่งบอกว่าเยื่อบุผิวรับกลิ่นทำหน้าที่เหมือนกล้องจุลทรรศน์สแกนอุโมงค์ (!) ตามข้อมูลของ Turin อิเล็กตรอนจะไหลระหว่างส่วนต่าง ๆ ของตัวรับเมื่อมีชิ้นส่วนของโมเลกุลอโรมาระหว่างพวกมันด้วยความถี่ของการสั่นสะเทือนแบบสั่น การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในโครงสร้างของตัวรับทำให้เกิดการส่งกระแสประสาท อย่างไรก็ตาม การดัดแปลงของตูรินนั้นดูเหมือนว่านักวิทยาศาสตร์หลายคนจะฟุ่มเฟือยเกินไป
กับดัก
อณูชีววิทยาได้พยายามที่จะไขความลึกลับของกลิ่น และการค้นพบนี้ได้รับรางวัลโนเบลหลายครั้ง ตัวรับกลิ่นของมนุษย์เป็นตระกูลของโปรตีนประมาณพันชนิด และยีนที่รับผิดชอบในการสังเคราะห์ของพวกมันจะทำงานเฉพาะในเยื่อบุผิวรับกลิ่น (เช่น เมื่อจำเป็น) โปรตีนรีเซพเตอร์ประกอบด้วยกรดอะมิโนที่บิดเป็นเกลียวเป็นเกลียว ในภาพฝีเย็บ สายโปรตีนเจาะเยื่อหุ้มเซลล์เจ็ดครั้ง จึงเป็นที่มาของชื่อ: ตัวรับเซลล์เมมเบรนเจ็ดเกลียว ()
ชิ้นส่วนที่ยื่นออกมานอกเซลล์สร้างกับดักซึ่งโมเลกุลที่มีโครงสร้างที่สอดคล้องกันสามารถตกได้ (5) โปรตีนชนิด G จำเพาะติดอยู่ที่บริเวณของตัวรับ ฝังอยู่ภายในเซลล์ เมื่อโมเลกุลของกลิ่นถูกจับในกับดัก G-protein จะถูกกระตุ้นและปล่อย และ G-protein อีกตัวหนึ่งจะเข้ามาแทนที่ ซึ่งถูกกระตุ้นและปล่อยออกมาอีกครั้ง เป็นต้น วัฏจักรซ้ำจนกว่าโมเลกุลอโรมาที่ถูกผูกไว้จะถูกปลดปล่อยหรือสลายด้วยเอ็นไซม์ที่ทำความสะอาดพื้นผิวของเยื่อบุผิวรับกลิ่นอย่างต่อเนื่อง ตัวรับสามารถกระตุ้นโมเลกุล G-protein ได้หลายร้อยโมเลกุล และปัจจัยการขยายสัญญาณที่สูงเช่นนี้ช่วยให้ตอบสนองต่อรสชาติในปริมาณที่เท่ากัน (6) G-protein ที่ถูกกระตุ้นจะเริ่มวัฏจักรของปฏิกิริยาเคมีที่นำไปสู่การส่งแรงกระตุ้นของเส้นประสาท
5. นี่คือลักษณะของตัวรับกลิ่น - โปรตีน 7TM
คำอธิบายข้างต้นเกี่ยวกับการทำงานของตัวรับกลิ่นคล้ายกับที่นำเสนอในทฤษฎีโครงสร้าง เนื่องจากเกิดการเกาะกันของโมเลกุล จึงสามารถโต้แย้งได้ว่าทฤษฎีการสั่นสะเทือนก็มีส่วนที่ถูกต้องเช่นกัน นี่ไม่ใช่ครั้งแรกในประวัติศาสตร์ของวิทยาศาสตร์ที่ทฤษฎีก่อนหน้านี้ไม่ได้ผิดทั้งหมด แต่เพียงเข้าหาความเป็นจริง
6. จมูกมนุษย์เป็นเครื่องตรวจจับสารประกอบในการวิเคราะห์สารผสมที่แยกจากกันทางโครมาโตกราฟี
ทำไมบางสิ่งบางอย่างมีกลิ่น?
กลิ่นมีกลิ่นมากกว่าตัวรับกลิ่นประเภทหนึ่ง ซึ่งหมายความว่าโมเลกุลของกลิ่นกระตุ้นโปรตีนหลายชนิดพร้อมกัน ตามลําดับของสัญญาณทั้งหมดที่มาจากบางจุดในป่องรับกลิ่น เนื่องจากกลิ่นหอมจากธรรมชาติประกอบด้วยสารประกอบมากกว่าร้อยชนิด เราจึงสามารถจินตนาการถึงความซับซ้อนของกระบวนการสร้างความรู้สึกในการรับกลิ่นได้
โอเค แต่ทำไมของบางอย่างถึงได้หอม บางอย่างน่าขยะแขยง และบางอย่างก็ไม่เลย
คำถามนี้กึ่งปรัชญา แต่ตอบเพียงบางส่วน สมองมีหน้าที่ในการรับรู้กลิ่น ซึ่งควบคุมพฤติกรรมของมนุษย์และสัตว์ โดยมุ่งความสนใจไปที่กลิ่นที่น่าพึงใจ และเตือนให้ระวังวัตถุที่มีกลิ่นเหม็น กลิ่นที่ดึงดูดใจจะพบได้ เอสเทอร์ที่กล่าวถึงในตอนต้นของบทความจะถูกปล่อยออกมาจากผลสุก (ดังนั้นจึงควรค่าแก่การรับประทาน) และสารประกอบกำมะถันจะถูกปล่อยออกจากสารตกค้างที่เน่าเปื่อย
อากาศไม่มีกลิ่นเนื่องจากเป็นพื้นหลังของกลิ่นที่แพร่กระจาย อย่างไรก็ตาม ปริมาณของ NH3 หรือ H2S และความรู้สึกของกลิ่นของเราจะส่งเสียงเตือน ดังนั้นการรับรู้กลิ่นจึงเป็นสัญญาณของผลกระทบของปัจจัยบางอย่าง สัมพันธ์กับสปีชีส์.
วันหยุดที่กำลังจะมาถึงมีกลิ่นอย่างไร? คำตอบแสดงในรูปภาพ (7)
7. กลิ่นคริสต์มาส: ทางซ้าย กลิ่นขนมปังขิง (ซิงเจอโรนและจินเจอรอล) ทางขวา กลิ่นต้นคริสต์มาส (บอร์นิล อะซิเตต และไพนีน XNUMX ชนิด)
