ЩО ТАКЕ ЗАПАХ З ТОЧКИ ЗОРУ ХІМІЇ

Запах – це сприйняття, що виникає при взаємодії хімічних речовин із рецепторами нашого нюхового апарату. Він є одним із основних способів, за допомогою якого ми отримуємо інформацію про світ навколо.

Хімічний аналіз дозволяє визначити, які речовини спричиняють певні запахи. В основі сприйняття запахів лежать молекулярні взаємодії між речовинами та рецепторами у носовій порожнині.

Запахи можуть бути зумовлені різними хімічними сполуками, такими як ефіри, альдегіди, кетони та терпені. Кожна хімічна сполука має свою унікальну молекулярну структуру, яка визначає її запахові властивості.

Деякі речовини мають інтенсивний і легко відомий запах, такий як аміак, евкаліптова олія або рожева вода. Інші запахи можуть бути складнішими і містити суміш різних хімічних сполук.

Хімія запаху вивчає як речовини, викликають запахи, а й процеси, що відбуваються при взаємодії запахових молекул з рецепторами в носової порожнини і переробці сигналів у мозку.

Розуміння запахів з точки зору хімії дозволяє розробляти нові ароматичні сполуки, покращувати якість продуктів, створювати парфумерні композиції та навіть використовувати запахи у медицині та психології.

ЦІ запахи ПОКАЖУТЬ, що ви хворі! #запах #здоров'я

НЕПРИЙМАЛЬНИЙ ЗАПАХ З РОТА – ГАЛІТОЗ! Терміново виправи це!

Чим пахне РАК? Запам'ятайте ці ТРИ запахи! Будьте пильні! Початкові симптоми раку

ВАЖЛИВО! 5 НЕПРИЯТНИХ ЗАПАХІВ ТІЛА, що вказують на проблеми зі здоров'ям

Що таке запах та нюх? - Лекції з хімії – хімік-флейворист Сергій Бєлков - Научпоп

Як ми закохуємось? - Научпок

Питання вченому: Дмитро Перекалін — про запахи з погляду хіміка

Що визначає запах

Портал створений за підтримки Федерального агентства з друку та масових комунікацій.

СПОСІБ ЗАПАХІВ

Доктор технічних наук В. МАЙОРОВ.

В останнє десятиліття ХХ століття в науці про запахи відбулася справжня революція.

Схематичне зображення нюхового епітелію. Базальні клітини є клітинами-попередниками нюхових рецепторних нейронів.

На мембрані вій розташовані рецепторні білки, що взаємодіють з молекулами одорантів.

Модель молекули нюхового рецепторного білка миші, до якого приєднана молекула одоранта – гексанолу (пурпурового кольору).

Електроольфактограма (ЕОГ) - електричний коливальний сигнал, що реєструється спеціальним електродом із ділянки зовнішньої поверхні нюхового епітелію щура.

Трохи більше чверті століття тому в журналі "Наука і життя" (№ 1, 1978 р.) була опублікована стаття "Загадка запаху". Її автор, кандидат хімічних наук Г. Шульпін справедливо зазначав, що сучасний стан науки про запахи приблизно такий ж, як стан органічної хімії в 1835 році. Тоді один із зачинателів цієї науки, Ф. Велер, писав, що органічна хімія представляється йому дрімучим лісом, з якого неможливо вибратися.М. Бутлеров, створивши теорію хімічної будови речовини, зумів "вибратися з хащі". Шульпін висловлював упевненість, що загадку запаху буде вирішено чи не швидше, ніж у разі органічної хімії.

І він мав рацію на всі 100%! Останнім часом стався справжній прорив у розумінні молекулярних основ нюху. Розберемо основні стадії сприйняття запахів у світлі сучасних уявлень.

ЯК СПРИЙМАЄТЬСЯ ЗАПАХ

Зробимо простий досвід. Візьмемо флакон із пахучою рідиною, наприклад духами, відкриємо пробку та понюхаємо вміст у спокійному ритмі дихання. Легко виявити, що ми відчуваємо запах лише під час вдиху; починається видих – запах зникає.

При вдиху через ніс повітря разом з молекулами пахучої речовини (називається нюховим стимулом або одорантом) проходить у кожній із двох носових порожнин по щілинному каналу складної конфігурації, який утворений поздовжньою перегородкою носа і трьома носовими раковинами. Тут повітря очищається від пилу, зволожується та нагрівається. Потім частина повітря надходить у розташовану у верхній задній зоні каналу нюхову область, що має вигляд щілини, покритої нюховим епітелієм.

Загальна поверхня, займана епітелієм в обох половинках носа дорослої людини, невелика - 2 - 4 см 2 (у кролика ця величина дорівнює 7-10 см 2 у собак - 27 - 200 см 2 ). Епітелій покритий шаром нюхового слизу і містить три типи первинних клітин: нюхові рецептори, опорні та базальні клітини. Запашні повітрям пахучі молекули проникають у носову порожнину і переносяться над поверхнею епітелію. При нормальному спокійному диханні поблизу нюхового епітелію проходить 7 -10% повітря, що вдихається.Нюховий епітелій має товщину приблизно 150-300 мкм. Він покритий шаром слизу (10-50 мкм), який молекулам одоранту доведеться подолати, перш ніж вони провзаємодіють зі спеціальними сенсорними нейронами - нюховими рецепторами.

Основна функція нюхового рецептора полягає у виділенні, кодуванні та передачі інформації про інтенсивність, якість та тривалість запаху в нюхову цибулину та спеціальним центрам у головному мозку. Епітелій в обох носових порожнинах у людини містить приблизно 10 млн нюхових нейронів (у кролика – близько 100 млн, а у німецької вівчарки – до 225 млн).

Як відомо, нейрон складається з тіла та відростків: аксонів та дендритів. Нервовий імпульс з однієї нервової клітини в іншу передається з аксона на дендрит. Діаметр стовщеної центральної частини нюхового нейрона (соми) 5-10 мкм. Дендритна частина у вигляді волокнистих відростків діаметром 1-2 мкм виходить до зовнішньої поверхні епітелію. Тут дендрити закінчуються потовщенням, від якого відходить пучок з 6-12 вій (цілій) діаметром 0,2-0,3 мкм і довжиною до 200 мкм, занурений всередину шару слизу (у кролика число вій в одному рецепторному нейроні становить 30-60 а у собак сягає 100-150). Відходить від соми нервове волокно (аксон) має діаметр близько 0,2 мкм і виходить до внутрішньої поверхні епітелію. Тут аксони від сусідніх нейронів поєднуються в джгути (філи), що доходять до нюхової цибулини.

Для того, щоб нюховий сигнал був сприйнятий нейроном, молекула одоранту зв'язується зі спеціальною білковою структурою, розташованою в нейрональній клітинній мембрані. Така структура називається рецепторним білком.Використовуючи методи молекулярної біології, американські вчені Лінда Бак та Річард Аксель у 1991 році встановили, що нюхові нейрони у ссавців містять близько 1000 різних видів рецепторних білків (у людини їх менше – близько 350). Визнанням важливості цього відкриття стало присудження їм у 2004 році Нобелівської премії за дослідження у галузі фізіології та медицини (див. "Наука та життя" № 12, 2004 р).

Яким чином рецептори розподіляються по нейронах: чи є окремі представники цього сімейства у всіх нюхових нейронах чи кожен нейрон несе у своїй мембрані лише одне вид рецепторного білка? Як може мозок визначити, який із 1000 типів рецепторів подав сигнал? Наявні дані дозволяють зробити висновок про те, що на одному нейроні є тільки нюховий рецепторний білок одного виду. Нейрони з різними рецепторами мають різну функціональність, тобто в епітелії є тисячі різних типів нейронів. У цьому випадку проблема ідентифікації активованого запахом окремого рецептора зводиться до завдання виявлення нейрона, що подав сигнал.

Зважаючи на те, що загальна кількість нюхових нейронів у людини близько 10 млн, число нюхових рецепторів одного типу обчислюється в середньому десятками тисяч.

Нюхальна система використовує комбінаторну схему для ідентифікації одорантів та кодування сигналу. Відповідно до неї один тип нюхових рецепторів активується безліччю одорантів і один одорант активує безліч типів рецепторів.Різні одоранти кодуються різними комбінаціями нюхових рецепторів, причому збільшення концентрації стимулу призводить до зростання числа рецепторів, що активуються, і до ускладнення його рецепторного коду. У цій схемі кожен рецептор виступає як один із компонентів комбінаторного рецепторного коду для багатьох одорантів і як би виконує роль літери своєрідного алфавіту, із сукупності яких складаються відповідні слова-запахи.

Мінімальні структурні відмінності молекул одорантів, наприклад, за функціональною групою, за довжиною вуглецевого ланцюга, за просторовою структурою призводять до різного рецепторного коду. Для відмітної ознаки молекули одоранту, здатного змінити кодування запаху, було запропоновано термін "одотоп" (odotope), або детермінант запаху. Різні нюхові рецептори, які розпізнають той самий одорант, можуть ідентифікувати різні його ознаки-одотопи. Одиночний нюховий рецептор здатний "розрізняти" молекули, що відрізняються довжиною вуглецевого ланцюжка лише на один атом вуглецю, або молекули, що мають однакову довжину вуглецевого ланцюжка, але відрізняються функціональною групою. Враховуючи, що в епітелії ссавців є приблизно 1000 видів нюхових рецепторів, можна вважати, що така комбінаторна схема дозволяє розрізнити величезну кількість одорантів (навіть людина розрізняє до 10 000 запахів).

Отримані останнім часом результати експериментальних досліджень властивостей нюхових рецепторних білків дозволили створити на молекулярному рівні структурну модель спіральної молекули нюхового білка. Нюхові рецепторні білки належать до суперсімейства мембраннозв'язаних рецепторів.Вони перетинають двошарову ліпідну мембрану вії сім разів. У молекулі рецепторного білка, що містить 300-350 амінокислот, три зовнішні петлі з'єднуються з трьома внутрішньоклітинними петлями сім'ю перетинаючими мембрану трансмембранними ділянками.

Молекули одоранта, що знаходяться в потоці повітря, перед тим як досягти нюхових рецепторних нейронів, повинні перетнути шар, що обволікає поверхню нюхового епітелію, слизу. Фізіологічні функції шару слизу досі не з'ясовані. Не викликає сумніву, що вона створює гідрофільну оболонку для чутливих та крихких нюхових рецепторів, виконуючи захисну функцію. Адже систему сприйняття сигналу потрібно захистити від впливу довкілля, тобто від молекул одорантів, серед яких можуть бути досить небезпечні та хімічно активні речовини.

Шар слизу складається з двох підшарів. Зовнішній, водний, має товщину приблизно 5 мкм, а внутрішній, більш в'язкий - близько 30 мкм. Вії-цілії спрямовані похило до зовнішньої поверхні шару слизу. Вони утворюють свого роду сітку з нерегулярними осередками, причому ця сітка розміщена біля поверхні розділу підшарів так, що основна частина поверхні вій (близько 85%) виявляється розташованою поблизу межі розділу.

Шар слизу містить різноманітні розчинні у воді білки, значну частину яких становлять так звані глікопротеїни. Завдяки розгалуженій молекулярній структурі ці білки здатні зв'язувати та утримувати молекули води, утворюючи гель.

Інші види білків, які у слизу, взаємодіють із молекулами одорантів і цим можуть впливати сприйняття і розпізнавання запахів.Ці білки поділяються на два основні класи - одорант-сполучні білки (OBP) і одорант-руйнівні ферменти.

ОВР відносяться до сімейства білків, що мають складчасту бочкоподібну структуру з внутрішньою глибокою порожниною, в яку потрапляють дрібні молекули гідрофільних (жиророзчинних) одорантів. Різні підвиди цих білків вирізняються високою вибірковістю взаємодії з одорантами різних хімічних класів.

Вважають, що OBP сприяють розчиненню одоранту та транспортують його молекули крізь шар слизу, діють як фільтр для поділу одорантів, можуть полегшувати зв'язування одоранту з рецепторним білком і навіть очищати навколорецепторний простір від непотрібних компонентів.

Крім одорант-сполучних білків у слизу нюхового епітелію поблизу рецепторних нейронів виявлено кілька видів одорант-руйнівних ферментів. Всі ці ферменти запускають реакції перетворення молекул одорантів на інші сполуки. Продукти, що утворюються в результаті цих реакцій, також роблять свій внесок у сприйняття запаху. Зрештою всі молекули одорантів, що надходять у шар слизу швидко, практично одночасно з завершенням вдиху, втрачають свою "запахову" активність. Так що нюхова система при кожному вдиху одержує нову інформацію від свіжих порцій одоранту.

ВІДНЯННЯ НА РІВНІ МОЛЕКУЛ

Багато властивостей системи сприйняття запахів можна пояснити на молекулярному рівні. Молекула одоранту зустрічає на поверхні слизу, що покриває нюховий епітелій, молекулу одорант-сполучного білка, яка зв'язує та переносить молекулу одоранта через шар слизу до поверхні вії нюхового нейрона. У віях здійснюється основний процес передачі нюхового сигналу.Його механізм досить типовий для багатьох видів взаємодій фізіологічно активних речовин із рецепторами нервових клітин.

Молекула одоранту прикріплюється до певного нюхового рецептора (R). Між процесом зв'язування молекули одоранта з рецептором і передачі нюхового сигналу в нервову систему лежить складний каскад біохімічних реакцій, що проходять у нейроні. Зв'язування молекули одоранту з рецепторним білком активує так званий G-білок, розташований на внутрішній стороні клітинної мембрани. G-білок у свою чергу активує аденілатциклазу (AC) - фермент, що перетворює внутрішньоклітинний аденозинтрифосфат (ATP) на циклічний аденозинмонофосфат (cAMP). А вже cAMP активує інший мембраннозв'язаний білок, який називається іонним каналом, оскільки відкриває та закриває вхід зарядженим частинкам усередину клітини. Коли іонний канал відкритий, у клітину проникають катіони металів. У такий спосіб змінюється електричний потенціал клітинної мембрани та генерується електричний імпульс, що передає сигнал з одного нейрона на інший.

Декілька молекулярних стадій передачі внутрішньоклітинного сигналу забезпечують його посилення, внаслідок чого невеликого числа молекул одоранту стає достатньо для генерування нейроном електричного імпульсу. Такі підсилювальні каскади забезпечують більшу чутливість системи сприйняття запахів.

Отже, активація рецепторного білка молекулою одоранту зрештою призводить до генерування електричного струму в нюховому рецепторному нейроні. Струм поширюється по дендриту нейрона у його соматическую частину, де збуджує вихідний електричний імпульс. Цей імпульс передається по нейрональному аксону в нюхову цибулину.

Одиночний електричний сигнал-імпульс на виході має тривалість трохи більше 5 мс і пікову амплітуду близько 100 мкВ. Майже всі нейрони генерують імпульси і за відсутності впливу одоранту, тобто мають спонтанну активність, яка називається біологічним шумом. Частота цих імпульсів змінюється від 0,07 до 1,8 імпульсу в секунду.

Нюхові рецепторні нейрони розпізнають величезну кількість різноманітних молекул пахучих речовин і посилають інформацію про них через аксони в нюхову цибулину, що є першим центром обробки нюхової інформації в головному мозку. Парні нюхові цибулини є довгасті утворення "на ніжках". Звідси починається шлях нюхового сигналу до півкуль мозку. Аксони нюхових нейронів закінчуються в нюхової цибулини розгалуженнями у сферичних концентраторах (діаметром 100-200 мкм), які називаються гломерулами. У гломерулах здійснюється контакт між закінченнями аксонів нюхових нейронів та дендритами нейронів другого порядку, якими є мітральні та пучкові клітини.

Мітральні клітини - найбільші нервові клітини, що виходять із нюхової цибулини. Пучкові клітини менші за мітральні, але функціонально з ними схожі. Уявлення про кількість нервових клітин у ссавців можуть надати характеристики нюхової системи кролика. У ній є по 50 мільйонів нюхових рецепторних нейронів праворуч і ліворуч (рівно вдесятеро більше, ніж у людини). Аксони нюхових рецепторів розподілені між 1900 гломерулами нюхової цибулини - приблизно 26 000 аксонів на гломерулу.Дендритні закінчення 45 000 мітральних і 130 000 пучкових клітин отримують сигнали від аксонів у гломерулах і передають їх із нюхової цибулини до центрів нюху в головному мозку. Близько 24 мітральних та 70 пучкових клітин отримують інформацію від аксонів у кожній гломерулі. Людина близько 10 млн аксонів нюхових нейронів розподіляються по 2000 гломерул нюхової цибулини.

Всі аксони однієї популяції нюхових нейронів сходяться на дві гломерули, що дзеркально розташовані по різні боки двовимірного поверхневого шару нюхової цибулини. Залежно від змісту сигналу, що передається, гломерули активуються по-різному. Сукупність активованих гломерул називається картою запаху і представляє свого роду "зліпок" запаху, тобто вона показує, з яких пахучих речовин складається нюховий об'єкт, що сприймається.

Механізм активації гломерулу досі не з'ясований. Зусилля дослідників спрямовані на те, щоб з'ясувати, яким чином різноманітність одорантів відтворюється у двовимірному шарі гломерулу на поверхні нюхової цибулини. До речі, ці відображення мають динамічний характер - вони постійно змінюються під час сприйняття запаху, ускладнюючи наукове завдання.

Нюхова цибулина - це велика багатошарова нейромережа для просторово-часової обробки відображення запаху в гломерулах. Її можна розглядати як сукупність безлічі мікросхем з великою кількістю зв'язків, із взаємною активацією та інгібуванням активності нейронів. Операції, що виконуються нейронами, виділяють характерні властивості карти запаху.

Від нюхової цибулини аксони мітральних і пучкових клітин передають інформацію до первинних нюхових ділянок кори головного мозку, а потім у вищі її ділянки, де формується усвідомлене відчуття запаху, і в лімбічну систему, яка породжує емоційну та мотиваційну реакцію на нюховий сигнал.

Властивості нюхових зон кори мозку дозволяють формувати асоціативну пам'ять, яка встановлює зв'язок нового аромату з відбитками сприйнятих раніше нюхових стимулів. Вважають, що процес ідентифікації одоранта включає порівняння відображення, що виходить з його описом в семантичній пам'яті. У разі збігу відбитка та пам'яті про запах відбувається будь-яка відповідь (емоційна, рухова) організму. Процес цей здійснюється дуже швидко, протягом секунди, і інформація про збіг після відповіді відразу скидається, оскільки мозок готує себе до вирішення наступного завдання сприйняття запаху.

Те, про що йшлося в попередніх розділах, відноситься нехай до найскладнішого, основного, але початкового розділу науки про запахи - до їхнього сприйняття. Не розкрито механізм взаємодії нюху з іншими системами сприйняття, наприклад, зі смаком (див. "Наука і життя" № 8, 2003, с. 16-20). Адже відомо, що якщо людині затиснути ніздрі, то при дегустації навіть добре відомих смакових харчових продуктів (наприклад - кави) вона не може точно визначити, що вона пробувала. Досить розтиснути ніздрі – і смакові відчуття відновлюються.

З молекулярної точки зору поки незрозуміло, в яких одиницях вимірювати інтенсивність запаху і від чого вона залежить, що така якість запаху, його "букет", чим відрізняється один запах від іншого і як охарактеризувати цю відмінність, що відбувається із запахом при змішуванні різних одорантів. Виявляється, що незалежно від виду одорантів та рівня підготовленості навіть досвідчений експерт не може визначити всі складові суміші компоненти, якщо їх більше трьох. Якщо ж суміш містить більше десяти одорантів, то людина не може ідентифікувати жодного з них.

Залишається ще безліч питань, що стосуються механізмів та видів впливу запахів на емоційний, психічний та фізичний стан людини. Останнім часом на цю тему з'явилося чимало спекуляцій, чому посприяв роман П. Зюскінда "Парфумер", що вийшов у 1985 році, понад вісім років міцно займав місце в першій десятці бестселерів на західному книжковому ринку. Фантазії на тему надзвичайної сили підсвідомої дії ароматів на емоційний стан людини забезпечили цьому твору величезний успіх.

Проте художня вигадка поступово отримує обґрунтування. Нещодавно в періодичній пресі з'явилися повідомлення про те, що американські військові "парфумери" розробили на рідкість погано пахнучу бомбу, здатну не тільки викликати огиду, але й розігнати солдатів противника або агресивно налаштований натовп.

Суспільні алюзії на парфумерні теми спонукали загальний інтерес до мистецтва ароматерапії. Розширилося використання ароматів у громадських місцях, таких як офіси, торгові зали, холи готелів. З'явилися навіть спеціальним чином ароматизовані товари, які покращують настрій.Виникла така галузь ринкової економіки, як аромамаркетинг – "наука" про залучення клієнтів за допомогою приємних запахів. Так, запах шкіри навіває покупцю думки про дорогий якісний товар, аромат кави спонукає до покупок домашньої вечері і т.д. Яким чином запахи формують у головному мозку сигнали, що спонукають людину робити покупки? Вченим належить зробити ще чимало відкриттів, перш ніж відповісти на це та багато інших питань та відокремити міфи про запахи від реальності.

Лозовська Є., канд. фіз.-мат. наук. Штрих-код запаху // Наука життя й, 2004, № 12.

Майоров Ст. А. Запахи: їхнє сприйняття, вплив, усунення. - М: Світ, 2006.

Марголіна А., канд. біол. наук. Солодка влада феромонів // Наука життя й, 2005, № 7.

Шульпін Р., канд. хім. наук. Загадка запаху // Наука життя й, 1978, № 1.

У чому таємниця сприйняття запахів

Грецький Центр біомедичних досліджень оприлюднив результати експерименту, який перевертає всі раніше відомі теорії в області нюху та запахів.

За відомою теорією, запах залежить від розміру та ваги молекули, яку ми вдихаємо. Маленькі та легкі молекули долітають до наших рецепторів швидше, але запах через їхню легку вагу триває не довго.

Відповідно, важкі молекули пахнуть довше.

А вчені із Греції заявляють, що справа не у вазі, а у швидкості вібрацій молекул.

У програмі "БібіСєва" парфумер Жана Гладкова пояснила Севі Новгородцеву, як пояснити таємницю сприйняття запахів.

© 2024 ВВС. Бі-Бі-Сі не несе відповідальності за зміст інших сайтів. Ознайомтеся з нашими правилами зовнішніх посилань.