Le chimiste a un nez

Dans l'article ci-dessous, nous aborderons le problème de l'odorat à travers les yeux d'un chimiste - après tout, son nez lui sera utile au quotidien dans son laboratoire.

1. Innervation du nez humain - un épaississement au-dessus de la cavité nasale est le bulbe olfactif (auteur : Wikimedia/Opt1cs).

Nous pouvons partager des sentiments physique (vue, ouïe, toucher) et leurs principaux chimiquec'est-à-dire le goût et l'odorat. Pour les premiers, des analogues artificiels ont déjà été créés (éléments sensibles à la lumière, microphones, capteurs tactiles), mais les seconds ne se sont pas encore rendus au « verre et à l'œil » des scientifiques. Ils ont été créés il y a des milliards d'années lorsque les premières cellules ont commencé à recevoir des signaux chimiques de l'environnement.

L'odeur finit par se séparer du goût, bien que cela ne se produise pas dans tous les organismes. Les animaux et les plantes reniflent constamment leur environnement, et les informations ainsi obtenues sont beaucoup plus importantes qu'il n'y paraît à première vue. Également pour les apprenants visuels et auditifs, y compris les humains.

Secrets Olfactifs

Lorsque vous inspirez, le flux d'air se précipite dans le nez et, avant de continuer, pénètre dans un tissu spécialisé - l'épithélium olfactif de plusieurs centimètres.². Voici les terminaisons des cellules nerveuses qui captent les stimuli olfactifs. Le signal reçu des récepteurs se déplace vers le bulbe olfactif dans le cerveau, et de là vers d'autres parties du cerveau (1). Le bout du doigt contient des motifs olfactifs spécifiques à chaque espèce. Un être humain peut en reconnaître environ 10, et les professionnels formés dans l'industrie du parfum peuvent en reconnaître beaucoup plus.

Les odeurs provoquent des réactions dans le corps, à la fois conscientes (par exemple, vous surprenez à une mauvaise odeur) et subconscientes. Les marketeurs utilisent le catalogue des associations de parfumerie. Leur idée est de parfumer l'air des magasins avec le parfum des arbres de Noël et du pain d'épice pendant la période précédant le Nouvel An, ce qui provoque des émotions positives chez tout le monde et augmente le désir d'acheter des cadeaux. De même, l'odeur du pain frais au rayon alimentation fera couler votre salive dans votre bouche, et vous en mettrez plus dans le panier.

2. Le camphre est souvent utilisé dans les onguents chauffants. Trois composés aux structures différentes ont leur propre odeur.

Mais qu'est-ce qui fait qu'une substance donnée provoque cette sensation olfactive et pas une autre ?

Pour le goût olfactif, cinq goûts de base ont été établis : salé, sucré, amer, acide, oun (viande) et autant de types de récepteurs sur la langue. Dans le cas de l'odorat, on ne sait même pas combien d'arômes de base existent, ou s'ils existent du tout. La structure des molécules détermine certainement l'odeur, mais pourquoi est-ce que des composés avec une structure similaire ont une odeur complètement différente (2) et complètement différente - la même (3) ?

3. Le composé de gauche sent le musc (ingrédient de parfum) et celui de droite - de structure presque identique - n'a pas d'odeur.

Pourquoi la plupart des esters ont-ils une odeur agréable, mais les composés soufrés désagréables (ce fait peut probablement s'expliquer) ? Certains sont totalement insensibles à certaines odeurs, et statistiquement les femmes ont un nez plus sensible que les hommes. Cela suggère des conditions génétiques, c'est-à-dire la présence de protéines spécifiques dans les récepteurs.

En tout cas, il y a plus de questions que de réponses, et plusieurs théories ont été développées pour expliquer les mystères du parfum.

Clé et serrure

Le premier repose sur un mécanisme enzymatique éprouvé, lorsque la molécule de réactif pénètre dans la cavité de la molécule d'enzyme (site actif), comme la clé d'une serrure. Ainsi, ils sentent parce que la forme de leurs molécules correspond aux cavités à la surface des récepteurs, et certains groupes d'atomes se lient à ses parties (de la même manière que les enzymes se lient aux réactifs).

En bref, il s'agit d'une théorie de l'odorat développée par un biochimiste britannique. John E. Amurea. Il a distingué sept arômes principaux : camphré-musqué, floral, mentholé, éthéré, épicé et putride (le reste en est une combinaison). Les molécules de composés ayant une odeur similaire ont également une structure similaire, par exemple, celles ayant une forme sphérique sentent le camphre et les composés ayant une odeur désagréable comprennent le soufre.

La théorie structurale a été couronnée de succès - par exemple, elle a expliqué pourquoi nous cessons de sentir après un certain temps. Cela est dû au blocage de tous les récepteurs par des molécules porteuses d'une certaine odeur (comme dans le cas des enzymes occupées par un excès de substrats). Cependant, cette théorie n'a pas toujours été en mesure d'établir un lien entre la structure chimique d'un composé et son odeur. Elle était incapable de prédire l'odeur de la substance avec une probabilité suffisante avant de l'obtenir. Elle n'a pas non plus expliqué l'odeur intense de petites molécules telles que l'ammoniac et le sulfure d'hydrogène. Les modifications apportées par Amur et ses successeurs (notamment une augmentation du nombre de saveurs de base) n'ont pas éliminé toutes les lacunes de la théorie structurale.

molécules vibrantes

Les atomes des molécules vibrent constamment, étirant et pliant les liens entre eux, et le mouvement ne s'arrête pas même à des températures nulles absolues. Les molécules absorbent l'énergie vibratoire, qui se situe principalement dans la gamme de rayonnement infrarouge. Ce fait a été utilisé dans la spectroscopie IR, qui est l'une des principales méthodes de détermination de la structure des molécules - il n'y a pas deux composés différents avec le même spectre IR (à l'exception des soi-disant isomères optiques).

Créateurs théorie vibrationnelle de l'odorat (J.M. Dyson, R.H. Wright) trouvé des liens entre la fréquence des vibrations et l'odeur perçue. Les vibrations par résonance provoquent des vibrations des molécules réceptrices de l'épithélium olfactif, qui modifient leur structure et envoient un influx nerveux au cerveau. On a supposé qu'il existait une vingtaine de types de récepteurs et donc le même nombre d'arômes de base.

Dans les années 70, les tenants des deux théories (vibrationnelle et structurelle) s'affrontent férocement.

Les vibrionistes ont expliqué le problème de l'odeur des petites molécules par le fait que leurs spectres sont similaires à des fragments des spectres de molécules plus grosses qui ont une odeur similaire. Cependant, ils n'ont pas été en mesure d'expliquer pourquoi certains isomères optiques avec les mêmes spectres ont des odeurs complètement différentes (4).

4. Isomères optiques de la carvone : le grade S sent le cumin, le grade R sent la menthe.

Les structuralistes n'ont aucune difficulté à expliquer ce fait - les récepteurs, agissant comme des enzymes, reconnaissent même des différences aussi subtiles entre les molécules. La théorie vibrationnelle ne pouvait pas non plus prédire la force de l'odeur, ce que les adeptes de la théorie de Cupidon expliquaient par la force de la liaison des porteurs d'odeurs aux récepteurs.

Il a essayé de sauver la situation L. Torinosuggérant que l'épithélium olfactif agit comme un microscope à effet tunnel (!). Selon Turin, les électrons circulent entre les parties du récepteur lorsqu'il y a un fragment d'une molécule d'arôme entre elles avec une certaine fréquence de vibrations vibratoires. Les changements qui en résultent dans la structure du récepteur provoquent la transmission de l'influx nerveux. Cependant, la modification de Turin semble à de nombreux scientifiques trop extravagante.

Pièges

La biologie moléculaire a également tenté de percer les mystères des odeurs, et cette découverte a été plusieurs fois récompensée par le prix Nobel. Les récepteurs olfactifs humains sont une famille d'environ un millier de protéines différentes, et les gènes responsables de leur synthèse ne sont actifs que dans l'épithélium olfactif (c'est-à-dire là où c'est nécessaire). Les protéines réceptrices consistent en une chaîne hélicoïdale d'acides aminés. Dans l'image de point de suture, une chaîne de protéines perce la membrane cellulaire sept fois, d'où le nom : récepteurs cellulaires transmembranaires à sept hélices ()

Les fragments faisant saillie à l'extérieur de la cellule créent un piège dans lequel les molécules de structure correspondante peuvent tomber (5). Une protéine spécifique de type G est attachée au site du récepteur, immergé à l'intérieur de la cellule.Lorsque la molécule odorante est piégée dans le piège, la protéine G est activée et libérée, et une autre protéine G est attachée à sa place, qui est activé et libéré à nouveau, etc. Le cycle se répète jusqu'à ce que la molécule d'arôme liée soit libérée ou décomposée par des enzymes qui nettoient constamment la surface de l'épithélium olfactif. Le récepteur peut même activer plusieurs centaines de molécules de protéine G, et un facteur d'amplification du signal aussi élevé lui permet de répondre même à des traces d'arômes (6). La protéine G activée déclenche un cycle de réactions chimiques qui conduisent à l'envoi d'un influx nerveux.

5. Voici à quoi ressemble le récepteur d'odeurs - la protéine 7TM.

La description ci-dessus du fonctionnement des récepteurs olfactifs est similaire à celle présentée dans la théorie structurale. Étant donné que la liaison des molécules se produit, on peut affirmer que la théorie vibrationnelle était également en partie correcte. Ce n'est pas la première fois dans l'histoire des sciences que les théories antérieures n'étaient pas complètement fausses, mais se rapprochaient simplement de la réalité.

6. Le nez humain comme détecteur de composés dans l'analyse de leurs mélanges séparés par chromatographie.

Pourquoi quelque chose sent-il ?

Il existe beaucoup plus d'odeurs que de types de récepteurs olfactifs, ce qui signifie que les molécules odorantes activent plusieurs protéines différentes en même temps. basée sur l'ensemble de la séquence de signaux provenant de certains endroits du bulbe olfactif. Puisque les parfums naturels contiennent même plus d'une centaine de composés, on peut imaginer la complexité du processus de création d'une sensation olfactive.

D'accord, mais pourquoi quelque chose sent bon, quelque chose de dégoûtant et quelque chose pas du tout ?

La question est à moitié philosophique, mais partiellement résolue. Le cerveau est responsable de la perception de l'odorat, qui contrôle le comportement des humains et des animaux, orientant leur intérêt vers les odeurs agréables et les mettant en garde contre les objets malodorants. On trouve des odeurs alléchantes, entre autres, les esters mentionnés au début de l'article sont libérés par les fruits mûrs (ils valent donc la peine d'être mangés), et les composés soufrés sont libérés des résidus en décomposition (mieux vaut s'en éloigner).

L'air n'a pas d'odeur car c'est le fond sur lequel se propagent les odeurs : cependant, des traces de NH3 ou H₂S, et notre odorat sonnera l'alarme. Ainsi, la perception de l'odorat est un signal de l'impact d'un certain facteur. rapport aux espèces.

Comment sentent les vacances à venir ? La réponse est montrée dans l'image (7).

7. L'odeur de Noël : à gauche, des parfums de pain d'épice (zingérone et gingérol), à droite, des sapins de Noël (acétate de bornyle et deux variétés de pinène).