化学者には鼻がある
以下の記事では、化学者の目を通して匂いの問題を見ていきます.結局のところ、彼の鼻は彼の実験室で日常的に重宝します.
1. 人間の鼻の神経支配 - 鼻腔の上の肥厚は嗅球です (著者: Wikimedia/Opt1cs)。
気持ちを共有できる 物理的 （視覚、聴覚、触覚）そしてそれらよりももっと原始的なもの 化学薬品つまり、味と匂いです。 前者については、人工的な類似物（感光素子、マイク、タッチセンサー）がすでに作成されていますが、後者はまだ科学者の「ガラスと目」に屈していません。 それらは、最初の細胞が環境から化学信号を受け取り始めた数十億年前に作成されました。
すべての生物に起こるわけではありませんが、嗅覚は時間の経過とともに味覚から分離されました。 動物や植物は常に周囲の匂いを嗅いでいますが、この方法で得られる情報は一見したよりもはるかに重要です。 人間を含む視覚および聴覚の学習者にも。
嗅覚の秘密
息を吸い込むと、空気の流れが鼻に突入し、さらに進む前に、数センチメートルの大きさの特殊な組織である嗅上皮に入ります。2。 ここには、匂いの刺激を感知する神経細胞の末端があります。 受容体から受け取った信号は脳の嗅球に入り、そこから他の部分に伝わります (1)。 指先には、それぞれの種に特有の香りのサンプルが含まれています。 人間はそのうちの約 10 種類を認識でき、訓練を受けた香水の専門家はさらに多くの種類を認識できます。
匂いは、意識的（不快な匂いに怯むなど）と潜在意識の両方で身体の反応を引き起こします。 マーケティング担当者は香水協会のカタログを使用します。 彼らのアイデアは、新年期間中に店内の空気をクリスマス ツリーとジンジャーブレッドの香りで満たし、誰もがポジティブな感情を呼び起こし、ギフトを購入する意欲を高めることです。 同様に、食料品店の売り場で焼きたてのパンの香りを聞くと、食欲が湧き、カートにさらに追加することになります。
2. 樟脳は体を温める軟膏によく使用されます。 構造の異なるXNUMXつの化合物にはそれぞれ独自の匂いがあります。
しかし、特定の物質がこの特定の嗅覚を引き起こし、他の物質ではないのはなぜでしょうか?
嗅覚には、塩味、甘味、苦味、酸味、ウン（肉）の2つの基本味があり、舌には同数の受容体が存在します。 においの場合、基本的な香りがいくつ存在するか、または存在するかどうかさえわかっていません。 分子の構造は確かににおいを決定しますが、構造が似ている化合物がまったく異なるにおいがするのはなぜですか (3)、そしてまったく異なる - 同じ (XNUMX) のにおいがするのはなぜですか?
3. 左はムスク（香料成分）のような香りがする化合物で、右は構造がほぼ同じで無臭です。
なぜほとんどのエステルは心地よい香りがするのに、硫黄化合物は不快な香りがするのでしょうか (この事実はおそらく説明できるでしょう)。 特定の匂いにまったく鈍感な人もいますし、統計的には女性の方が男性よりも鼻が敏感です。 これは遺伝的条件を示唆しています。 受容体における特定のタンパク質の存在。
いずれにせよ、答えよりも疑問の方が多く、香りの謎を説明するためにいくつかの理論が開発されています。
鍵と錠前
XNUMX つ目は、反応物分子が鍵穴の鍵のように酵素分子の空洞 (活性部位) に適合するという実証済みの酵素機構に基づいています。 したがって、分子の形状が受容体の表面の空洞と一致し、特定の原子グループがその部分に結合するため、匂いがします（酵素が反応物に結合するのと同じ方法です）。
これは一言で言えば、イギリスの生化学者によって開発された匂いの理論です。 ジョナ・E・アムレア。 彼は、カンファームスク、フローラル、ミント、エーテル、スパイシー、腐敗の XNUMX つの主要な香りを特定しました (残りはこれらの組み合わせです)。 似た匂いを持つ化合物の分子は同じような構造をしており、例えば球形のものは樟脳のような匂いがしますし、不快な匂いを持つ化合物には硫黄などがあります。
構造理論は成功しました。たとえば、私たちがしばらくすると匂いを感じなくなる理由を説明しました。 これは、特定の匂いを運ぶ分子によってすべての受容体がブロックされるためです (過剰な基質によって占有される酵素の場合と同じです)。 しかし、この理論では、化合物の化学構造とその匂いとの関連性を必ずしも確立できるとは限りません。 彼女は、物質を入手する前に、その物質の匂いを妥当な確率で予測することができませんでした。 また、アンモニアや硫化水素などの小さな分子の強烈な臭いも説明できませんでした。 キューピッドと彼の後継者によって行われた修正（ベースフレーバーの数の増加を含む）は、構造理論のすべての欠点を排除したわけではありません。
振動する分子
分子内の原子は常に振動し、原子間の結合を伸ばしたり曲げたりしており、その動きは絶対零度でも止まりません。 分子は、主に赤外線範囲にある振動エネルギーを吸収します。 この事実は、分子の構造を決定するための主要な方法の XNUMX つである IR 分光法で使用されました。同じ IR スペクトルを持つ XNUMX つの異なる化合物は存在しません (いわゆる光学異性体を除く)。
クリエイター 匂いの振動理論 (J.M. ダイソン、R.H. ライト) 振動周波数と知覚される臭気の間に関連性が発見されています。 共鳴を伴う振動は嗅上皮の受容体分子の振動を引き起こし、その構造を変化させて神経インパルスを脳に送ります。 約XNUMX種類の受容体があり、したがって基本的な香りの数も同じであると想定されました。
70 年代には、両方の理論 (振動理論と構造理論) の支持者が互いに激しく競争しました。
ビブリオの科学者は、小分子の匂いの問題を、そのスペクトルが同様の匂いを持つ大きな分子のスペクトルの断片に似ているという事実によって説明しました。 しかし、同じスペクトルを持つ一部の光学異性体がまったく異なる匂いを発する理由を説明できませんでした (4)。
4. カルボンの光学異性体: グレード S はクミンのような香り、グレード R はミントのような香り。
構造学者はこの事実を簡単に説明しました - 受容体は酵素のように作用し、分子間のそのような微妙な違いさえも認識します。 振動理論でも匂いの強さを予測することはできませんでしたが、キューピッドの理論の信奉者たちは匂いの伝達物質と受容体との結合の強さによって説明しました。
彼は状況を救おうとした L.トリノこれは、嗅上皮が走査型トンネル顕微鏡(!)として機能していることを示唆しています。 トリノ氏によると、受容体の部分の間に特定の振動周波数を持つ芳香分子の断片がある場合、受容体の部分間を電子が流れるという。 その結果生じる受容体の構造の変化により、神経インパルスの伝達が引き起こされます。 しかし、多くの科学者にとって、トリノの改造はあまりにも贅沢すぎるように思えます。
トラップ
分子生物学も匂いの謎の解明に挑戦しており、この発見は何度もノーベル賞を受賞しています。 人間の匂い受容体は約 XNUMX 種類の異なるタンパク質からなるファミリーであり、その合成に関与する遺伝子は嗅上皮 (つまり、匂いが必要な場所) でのみ活性化されます。 受容体タンパク質はアミノ酸のらせん鎖で構成されています。 架橋ステッチのイメージでは、タンパク質の鎖が細胞膜を XNUMX 回貫通するため、次の名前が付けられました。 XNUMXヘリックス膜貫通細胞受容体 （）。
細胞の外に突き出た断片は、適切な構造を持つ分子が侵入できるトラップを作成します (5)。 細胞内に浸漬された受容体部位には特定のG型タンパク質が結合しており、匂い分子がトラップに捕捉されるとGタンパク質が活性化されて放出され、代わりに別のGタンパク質が結合して活性化され、このサイクルは、結合した香り分子が放出されるか、嗅上皮の表面を継続的に洗浄する酵素によって破壊されるまで繰り返されます。 受容体は数百の G タンパク質分子さえも活性化することができ、そのような高いシグナル増幅率により、微量の香味料にも反応することができます (6)。 活性化された G タンパク質は、神経インパルスの送信につながる化学反応のサイクルを開始します。
5. これは匂い受容体がどのようなものであるか、プロテイン 7TM です。
嗅覚受容体の機能に関する上記の説明は、構造理論で提示されたものと類似しています。 分子の結合が起こるので、振動理論も部分的には正しかったと言えるでしょう。 以前の理論が完全に間違っていたわけではなく、単に現実に近かったということは、科学史上初めてではありません。
6. クロマトグラフィーで分離された混合物の分析における化合物の検出器としての人間の鼻。
なぜ臭いがするのでしょうか？
嗅覚受容体の種類よりもはるかに多くの匂いが存在します。これは、匂い分子が複数の異なるタンパク質を同時に活性化することを意味します。 嗅球の特定の場所から来る一連の信号全体に基づいています。 天然香料には XNUMX を超える化合物が含まれているため、嗅覚を生み出すプロセスの複雑さが想像できます。
さて、しかし、なぜ良い匂いがするのか、何かが嫌な匂いがするのか、そして何かがまったく匂いがしないのでしょうか?
この質問は半分哲学的ですが、部分的には答えることができます。 脳は匂いの知覚を担当し、人間や動物の行動を制御し、心地よい匂いに興味を向けたり、悪臭のある物体に対して警告したりします。 魅力的な香りは、特に、記事の冒頭で述べた熟した果実から放出されるエステル（食べる価値あり）や、腐乱した残骸から放出される硫黄化合物（果物には近づかないほうが良い）などに見られます。
空気は臭いが広がる背景であるため臭いがありませんが、微量の NH3 または H が存在します。2S、そして私たちの嗅覚器官が警報を鳴らします。 したがって、匂いの知覚は、特定の要因の影響を示す信号です。 種に対する態度.
今度の休日はどんな香りがするでしょうか？ 答えは写真(7)にあります。
7. クリスマスの香り: 左はジンジャーブレッド味 (ジンゲロンとジンゲロール)、右はクリスマスツリー (酢酸ボルニルと XNUMX 種類のピネン)。
