O químico tem um nariz

No artigo a seguir, veremos o problema do olfato pelos olhos de um químico - afinal, seu nariz será útil no dia a dia de seu laboratório.

1. Inervação do nariz humano - um espessamento acima da cavidade nasal é o bulbo olfatório (autor: Wikimedia/Opt1cs).

Podemos compartilhar sentimentos físico (visão, audição, tato) e seus principais químicoou seja, gosto e cheiro. Para os primeiros, já foram criados análogos artificiais (elementos sensíveis à luz, microfones, sensores de toque), mas os segundos ainda não se renderam ao “vidro e olho” dos cientistas. Eles foram criados há bilhões de anos, quando as primeiras células começaram a receber sinais químicos do ambiente.

O olfato acaba se separando do sabor, embora isso não ocorra em todos os organismos. Animais e plantas cheiram constantemente seus arredores, e as informações obtidas dessa maneira são muito mais importantes do que parecem à primeira vista. Também para alunos visuais e auditivos, incluindo humanos.

Segredos Olfativos

Quando você inala, o fluxo de ar corre para o nariz e, antes de prosseguir, entra em um tecido especializado - o epitélio olfativo com vários centímetros de tamanho.². Aqui estão as terminações das células nervosas que capturam os estímulos de odor. O sinal recebido dos receptores viaja para o bulbo olfativo no cérebro e de lá para outras partes do cérebro (1). A ponta do dedo contém padrões olfativos específicos para cada espécie. Um humano pode reconhecer cerca de 10 deles, e profissionais treinados na indústria de perfumes podem reconhecer muitos mais.

Os cheiros causam reações no corpo, tanto conscientes (por exemplo, você se assusta com um cheiro ruim) quanto subconscientes. Os profissionais de marketing usam o catálogo de associações de perfumes. A ideia é aromatizar o ar das lojas com o aroma das árvores de Natal e do pão de gengibre durante o período pré-Ano Novo, o que provoca emoções positivas em todos e aumenta o desejo de comprar presentes. Da mesma forma, o cheiro de pão fresco na seção de alimentos fará sua saliva pingar na boca e você colocará mais na cesta.

2. A cânfora é frequentemente usada em pomadas de aquecimento. Três compostos com estruturas diferentes têm seu próprio cheiro.

Mas o que faz com que uma determinada substância evoque essa e não outra sensação olfativa?

Para o paladar olfativo, foram estabelecidos cinco sabores básicos: salgado, doce, amargo, azedo, oun (carne) e o mesmo número de tipos de receptores na língua. No caso do olfato, não se sabe sequer quantos aromas básicos existem, ou se existem. A estrutura das moléculas certamente determina o cheiro, mas por que compostos com uma estrutura semelhante têm cheiros completamente diferentes (2) e completamente diferentes - o mesmo (3)?

3. O composto à esquerda cheira a almíscar (ingrediente do perfume) e à direita - quase idêntico em estrutura - não tem cheiro.

Por que a maioria dos ésteres tem um cheiro agradável, mas os compostos de enxofre são desagradáveis ​​(este fato provavelmente pode ser explicado)? Alguns são completamente insensíveis a certos cheiros e, estatisticamente, as mulheres têm um nariz mais sensível que os homens. Isto sugere condições genéticas, i.e. a presença de proteínas específicas nos receptores.

De qualquer forma, há mais perguntas do que respostas, e várias teorias foram desenvolvidas para explicar os mistérios da fragrância.

Chave e cadeado

A primeira é baseada em um mecanismo enzimático comprovado, quando uma molécula reagente entra na cavidade da molécula da enzima (centro ativo), como uma chave para uma fechadura. Assim, eles cheiram porque a forma de suas moléculas corresponde às cavidades na superfície dos receptores, e certos grupos de átomos se ligam às suas partes (da mesma forma que as enzimas ligam os reagentes).

Resumidamente, esta é uma teoria do olfato desenvolvida por um bioquímico britânico. John E. Amurea. Ele destacou sete aromas principais: cânfora-almiscarado, floral, menta, etéreo, picante e pútrido (o resto são combinações deles). Moléculas de compostos com cheiro semelhante também têm uma estrutura semelhante, por exemplo, aqueles com forma esférica cheiram a cânfora e compostos com odor desagradável incluem enxofre.

A teoria estrutural foi bem-sucedida - por exemplo, explicou por que paramos de cheirar depois de um tempo. Isso se deve ao bloqueio de todos os receptores por moléculas portadoras de um determinado odor (como no caso de enzimas ocupadas por excesso de substratos). No entanto, essa teoria nem sempre foi capaz de estabelecer uma conexão entre a estrutura química de um composto e seu cheiro. Ela foi incapaz de prever o cheiro da substância com probabilidade suficiente antes de obtê-la. Ela também não conseguiu explicar o cheiro intenso de pequenas moléculas, como amônia e sulfeto de hidrogênio. As alterações feitas por Amur e seus sucessores (incluindo um aumento no número de sabores básicos) não eliminaram todas as deficiências da teoria estrutural.

moléculas vibrantes

Os átomos nas moléculas vibram constantemente, esticando e dobrando as ligações entre si, e o movimento não para mesmo em temperaturas de zero absoluto. As moléculas absorvem energia vibracional, que se encontra principalmente na faixa de radiação infravermelha. Este fato foi utilizado na espectroscopia de IR, que é um dos principais métodos para determinar a estrutura de moléculas - não existem dois compostos diferentes com o mesmo espectro de IR (exceto os chamados isômeros ópticos).

Criadores teoria vibracional do olfato (J. M. Dyson, R. H. Wright) encontraram ligações entre a frequência das vibrações e o cheiro percebido. Vibrações por ressonância provocam vibrações de moléculas receptoras no epitélio olfativo, que alteram sua estrutura e enviam um impulso nervoso ao cérebro. Supunha-se que havia cerca de vinte tipos de receptores e, portanto, o mesmo número de aromas básicos.

Nos anos 70, os proponentes de ambas as teorias (vibracional e estrutural) competiam ferozmente entre si.

Os vibrionistas explicaram o problema do cheiro de moléculas pequenas pelo fato de seus espectros serem semelhantes a fragmentos de espectros de moléculas maiores que têm cheiro semelhante. No entanto, eles não conseguiram explicar por que alguns isômeros ópticos com o mesmo espectro têm odores completamente diferentes (4).

4. Isômeros ópticos de carvona: grau S cheira a cominho, grau R cheira a menta.

Os estruturalistas explicaram facilmente esse fato - os receptores, agindo como enzimas, reconhecem até mesmo essas diferenças sutis entre as moléculas. A teoria vibracional também não conseguia prever a força do cheiro, que os seguidores da teoria de Cupido explicavam pela força da ligação dos portadores de odor aos receptores.

Ele tentou salvar a situação L. Turimsugerindo que o epitélio olfativo atua como um microscópio de tunelamento de varredura (!). Segundo Turin, os elétrons fluem entre as partes do receptor quando há um fragmento de uma molécula de aroma entre elas com certa frequência de vibrações vibracionais. As mudanças resultantes na estrutura do receptor causam a transmissão do impulso nervoso. No entanto, a modificação de Turim parece muito extravagante para muitos cientistas.

Armadilhas

A biologia molecular também tentou desvendar os mistérios dos cheiros, e essa descoberta foi premiada várias vezes com o Prêmio Nobel. Os receptores de odor humanos são uma família de cerca de mil proteínas diferentes, e os genes responsáveis ​​por sua síntese são ativos apenas no epitélio olfativo (ou seja, onde é necessário). As proteínas receptoras consistem em uma cadeia helicoidal de aminoácidos. Na imagem do ponto de costura, uma cadeia de proteínas perfura a membrana celular sete vezes, daí o nome: Receptores de células transmembranares de sete hélices ().

Fragmentos que se projetam para fora da célula criam uma armadilha na qual moléculas com a estrutura correspondente podem cair (5). Uma proteína específica do tipo G é ligada ao local do receptor, imersa dentro da célula. Quando a molécula de odor fica presa na armadilha, a proteína G é ativada e liberada, e outra proteína G é anexada em seu lugar, que é ativado e liberado novamente, etc. O ciclo se repete até que a molécula de aroma ligada seja liberada ou decomposta por enzimas que limpam constantemente a superfície do epitélio olfativo. O receptor pode ativar até várias centenas de moléculas de proteína G, e um fator de amplificação de sinal tão alto permite que ele responda até mesmo a vestígios de sabores (6). A proteína G ativada inicia um ciclo de reações químicas que levam ao envio de um impulso nervoso.

5. É assim que o receptor de odor se parece - proteína 7TM.

A descrição acima do funcionamento dos receptores olfativos é semelhante à apresentada na teoria estrutural. Como ocorre a ligação das moléculas, pode-se argumentar que a teoria vibracional também estava parcialmente correta. Esta não é a primeira vez na história da ciência que as teorias anteriores não estavam completamente erradas, mas simplesmente se aproximavam da realidade.

6. O nariz humano como detector de compostos na análise de suas misturas separadas cromatograficamente.

Por que algo cheira?

Existem muito mais odores do que tipos de receptores olfativos, o que significa que as moléculas de odor ativam várias proteínas diferentes ao mesmo tempo. com base em toda a sequência de sinais provenientes de certos lugares no bulbo olfativo. Como as fragrâncias naturais contêm mais de cem compostos, pode-se imaginar a complexidade do processo de criação de uma sensação olfativa.

Ok, mas por que algo cheira bem, algo nojento e algo não?

A pergunta é meio filosófica, mas parcialmente respondida. O cérebro é responsável pela percepção do olfato, que controla o comportamento de humanos e animais, direcionando seu interesse para cheiros agradáveis ​​e alertando contra objetos malcheirosos. Odores atraentes são encontrados, entre outras coisas, os ésteres mencionados no início do artigo são liberados por frutas maduras (portanto, vale a pena comer) e compostos de enxofre são liberados de resíduos em decomposição (melhor ficar longe deles).

O ar não cheira porque é o fundo contra o qual os odores se espalham: no entanto, vestígios de NH3 ou H₂S, e nosso olfato soará o alarme. Assim, a percepção do olfato é um sinal do impacto de um determinado fator. relação com as espécies.

Qual é o cheiro das próximas férias? A resposta é mostrada na figura (7).

7. Cheirinho de Natal: à esquerda, sabores de pão de gengibre (zingerone e gingerol), à direita, árvores de natal (acetato de bornila e duas variedades de pineno).