Czym to pachnie?

(1)

Czym to pachnie?

czyli kilka słów o chemii zmysłów

dr Aleksandra Szcześniak

Zakład Dydaktyki Chemii i Popularyzacji Nauki

(2)

Narządy zmysłów – struktury w organizmie

przystosowane do odbioru bodźców i przetworzenia ich w energię procesu nerwowego

mieć długi język na oko

mieć muchy w nosie

Zmysł – zdolność człowieka i zwierząt do obierania

i analizy bodźców działających na organizm

(3)

smak

5

zmysłów

wzrok węch

smak

słuch

dotyk

energia elektromagnetyczna

bodźce mechaniczne

oddziaływania

chemiczne

(4)

bodziec

narząd zmysłu

szlaki nerwowe

mózg

receptory

wrażenia zmysłowe pola

korowe

zmiana w zachowaniu

(5)

Chemorecepcja – pierwszy zmysł ?

Związki chemiczne docierają do narządu zmysłu

 Zdobywanie pożywienia

 Przedłużanie gatunku

 Ostrzeganie i alarmowanie

(6)

Richard Axel Linda Buck

Nobel 2004

Odkrycie dotyczące receptorów węchowych i funkcjonowania układu węchowego

A NOVEL MULTIGENE FAMILY MAY ENCODE ODORANT RECEPTORS:

A MOLECULAR BASIS FOR ODOR RECOGNITIONS.

Cell, 65, 1991, 175.

W jaki sposób informacja o określonym zapachu dociera do mózgu i jak jest w układzie nerwowym kodowana.

Zmysł węchu

(7)

opuszka węchowa interpretuje bodźce

komórki węchowe

(8)

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2004. Press release 4.10.2004

40 mln receptorów / 2-3 cm² U człowieka 70% genów węchu jest nieczynnych.

Aktywne geny pozwalają odróżnić 4-10 tysięcy zapachów.

(9)

Związek chemiczny

 grupy funkcyjne, podstawniki

 struktura przestrzenna

Człowiek

 receptory

 neuroprzekaźniki

 kondycja psycho-fizyczna

Od czego zależy zapach?

(10)

 Lotny

 Masa molowa < 300 g/mol

 Liczba atomów węgla w cząsteczce 5-18

 Najczęściej związek monofunkcyjny,

Cechy związku zapachowego

(11)

Grupa osmoforowa

to grupa atomów w cząsteczce związku chemicznego, która decyduje o rodzaju zapachu tego związku zapachowego. Łączy się z receptorem odpowiadając

za odczuwanie przyjemnego lub nieprzyjemnego zapachu.

O H

C O

C H O

C O O

O

NH₂

S H S

C S

(12)

SH

N

H

₃

C CH

₃

CH

₃

N

H H H

amoniak trimetyloamina

3-metylobutano-1-tiol

H S

siarkowodór

H

allicyna

Allium L.

S S O

N CH₃

H 3-metyloindol

(13)

geraniol

Rosa damascena

C O

H

O HO

wanilina

C H

O

aldehyd cynamonowy OH

(14)

C O

H C

O [O] OH

aldehyd benzoesowy (zapach słodki, migdałowy)

kwas benzoesowy (bezwonny)

C O

H

+ 2 CH₃OH

H₂SO₄ C

O

O H

H₃C CH₃

dimetylowy acetal aldehydu benzoesowego (zapach kwiatowy, orzechowy) aldehyd benzoesowy

(zapach słodki, migdałowy)

(15)

Aldehydy

Coco Chanel Ernest Beaux

(16)

karwon

Mentha spicata

O₂N NO₂ O

piżmo nitrowe

O

CH₃

H₂C CH₃

*

O O

octan izoamylu

kapronian butylu

O O

(17)

+

^H²^SO⁴

+ H

₂

O

Estry

Estryfikacja Fischera

kwas karboksylowy + alkohol

^H²^SO⁴

ester + woda

OH O

O H

O O

kwas octowy etanol octan etylu

(18)

Estry

+ OH

ZnCl₂

O O

OH O

+

O

O O

bezwodnik octowy alkohol izoamylowy (3-metylobutan-1-ol)

octan izoamylu kwas octowy

(19)

Przedmiot i jego odbicie lustrzane są jednakowe

Przedmioty symetryczne

lustro

Przedmioty niesymetryczne

Przedmiot i jego odbicie lustrzane nie są jednakowe

lustro

(20)

propan

Cząsteczka i jej odbicie lustrzane są identyczne.

lustro

C CH

₃

CH

₃

H H

C CH

₃

CH

₃

H

H H

₃

C ^C

CH

₃

H

(21)

Cząsteczka i jej odbicie lustrzane nie są identyczne

kwas mlekowy

lustro

OH C

CH

₃

H

HOOC

OH C

H

₃

C H COOH

OH

C

CH ₃ H

HOOC

OH

C

H ₃ C H

COOH

(22)

Chiralna cząsteczka kwasu mlekowego i jej odbicie lustrzane

OH C

CH

₃

H

HOOC

OH C

H

₃

C H

lustro

COOH

Cząsteczki, które nie są identyczne ze swoim odbiciem lustrzanym nazywane są chiralnymi (greckie cheir – ręka).

Jedną z przyczyn chiralności cząsteczek jest obecność w nich atomu węgla związanego z czterema różnymi podstawnikami.

* *

(23)

Cząsteczka, która posiada jedno centrum asymetrii,

istnieje w postaci dwóch stereoizomerów, które są enancjomerami

Enancjomery to stereoizomery,

pozostające w relacji – przedmiot i jego odbicie lustrzane.

Cząsteczka, która posiada więcej niż jedno centrum asymetrii,

istnieje w postaci większej liczby stereoizomerów, która wyrażona jest wzorem:

L = 2 ⁿ

n – liczba centrów stereogenicznych w cząsteczce

Diastereoizomery to stereoizomery, które nie są odbiciami lustrzanymi.

(24)

C brak zgodności C brak zgodności

cząsteczka aktywna biologicznie

Enancjomery mają identyczne właściwości fizyczne, podobne właściwości chemiczne,

różnią się aktywnością biologiczną i kierunkiem skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego

karwon

O

CH₃

H₂C CH₃

*

(25)

R-(-)-karwon

lustro

S-(+)-karwon

Mentha spicata Carum L.

O CH

₃

CH

₂

H

₃

C

H

O

CH

₃

H

₂

C CH

₃

* * H

karwon O

CH₃

H₂C CH₃

*

(26)

(R)-(+)-a-terpineol

lustro

(S)-(-)-a-terpineol

CH

₃

H

₃

C OH

CH

₃

H H

₃

C

CH

₃

HO

CH

₃

H

* *

(27)

O O

H

O O

H

R-g-dekalakton 1,5 ppb

S-g-dekalakton 5,6 ppb

* *

Próg wyczuwalności – minimalne stężenie substancji wonnej, które powoduje powstanie wrażenia zapachu, ale nie umożliwia identyfikacji bodźca.

(28)

R-3-metylocyklopentadekanon muskon

intesywny zapach piżma 61 ppb

S-3-metylocyklopentadekanon

zapach piżma ubogi, słaby 233 ppb

lustro

O CH

₃

H

O

H

₃

C H

* *

(29)

Zmysł smaku

Nature: 2006, 444 ,288-94

kubki smakowe

(30)

Zmysł smaku

rodzaje smaków

słodki

słony

kwaśny

gorzki

umami

substancje odżywcze i pożyteczne

substancje toksyczne lub szkodliwe

(31)

Zmysł smaku

Na⁺Cl^-

chlorek sodu – słony

(0,01 mol/dm³) HCl

kwas solny - kwaśny

(0,0009 mol/dm³)

O

CH₂OH OH

H H

OH CH₂OH H

O H

OH H

H OH

CH₂OH H

N O

HO N

sacharoza – słodka

(0,01 mol/dm³)

chininia - gorzka

(0,000008 mol/dm³)

glutaminian sodu - umami

(0,0007 mol/dm³)

O

O^-Na⁺

NH₃⁺ H O

O^-

(32)

Zmysł smaku

Słodko! Słodko!

aspartam

(180 x słodszy od sacharozy)

COO C H H₃N

CH₂ COO

C NH₃ H

CH₂

L-fenyloalanina gorzka D-fenyloalanina

słodka

O HN NH₃⁺

-OOC OCH₃

O

H C Cl

Cl Cl

chloroform

(33)

Zmysł smaku

Gorzko! Gorzko!

HN O

N⁺ ^-O O

benzoesan denatonium Bitrex

O

O O

OH O

O OH

OH

CH₂OH

OH O

CH₃

OH

naringina

(34)

Skóra – ważny narząd zmysłu

1 – receptory chłodu

2, 3 – receptory bólu

4 – receptory ucisku

5 – receptory dotyku

6 – receptory ciepła

(35)

OH

1R, 2S, 5R- (-)-mentol

Mentha piperita

*

* *

Istnieje w postaci 2

³

= 8 stereoizomerów.

mentol

 orzeźwiający zapach

 chłodzący efekt

 słodki smak

 miętowy aromat

Nie jest zimny a chłodzi?

(36)

Uff, jak gorąco!

HO

O

O OH

gingerol (świeży imbir)

HO

O

szogaol (bardziej ostry)

(imbir wysuszony)

(37)

Uff, jak gorąco!

HO

O

N H

O

kapsaicyna

(38)

Naturalne związki chemiczne biologicznie aktywne pozyskiwane są z surowców roślinnych lub zwierzęcych metodami fizycznymi:

o destylacja z parą wodną – olejek eteryczny

aparat Derynga

(39)

o ekstrakcja – konkret, wyciąg, pomada

aparat Soxhleta

Naturalne związki chemiczne biologicznie aktywne pozyskiwane

są z surowców roślinnych lub zwierzęcych metodami fizycznymi:

(40)

Warto przeczytać Warto przeczytać

 A. Jabłońska-Trypuć, R. Farbiszewski, „ Sensoryka i podstawy perfumerii”, MedPharm Polska 2008

 W. S. Brud, I. Konopacka-Brud „Podstawy perfumerii” OW MA 2009

 J. Chandrashekar, M. A. Hoon, N. J. P. Ryba, Ch. S. Zuker; Nature, 2006, 444, 288-294.

 R. Axel, L. Buck; Cell, 1991, 65, 175.

 D. A. Jackson, A. P. Dicks; J. Chem. Educ. 2012, 89, 1267-1273.

(41)

Dziękuję za uwagę.

(42)

Eksperyment nr 1

Pasta słonia

 30% -owy roztwór H

₂

O

₂