χημεία από τον Σταυρακαντωνάκη Γιώργο Χημικό -Λύκειο Γαζίου Ηράκλειο mailto:stayrakant@sch.gr

Τα μικρά μόρια δίνουν τις μυρωδιές

Submitted by rau on Wed, 2008-04-16 13:34.

Μετάφραση Αργυρώ Βεργανελάκη

Δραστηριότητα στην τάξη: Πείραμα 1
Χορηγία εικόνας από Angelika Börsch-Haubold

Η Angelika Börsch-Haubold αναδεικνύει τις οσφρητικές ομορφιές της Οργανικής Χημείας.

“Η Χημεία είναι γεμάτη θορύβους και μυρωδιές.” Δεν πνίγονται όλοι οι μαθητές της Χημείας από τις δυσοσμίες και στις εκρήξεις μέσα στο εργαστήριο. Ευτυχώς, υπάρχουν αρκετά οργανικά μόρια που πραγματικά μυρίζουν ωραία. Βιώνουμε καθημερινά αυτές τις ουσίες- χρησιμοποιώντας ένα αρωματισμένο αφρόλουτρο, αρωματίζοντας τα γεύματά μας με βότανα, ή μυρίζοντας ένα τριαντάφυλλο. Η διδασκαλία της οργανικής χημείας των φυσικών οσμών , θα μπορούσε να δώσει κίνητρο ακόμη και σ’ αυτούς που απεχθάνονται την τοξική και επικίνδυνη πλευρά της χημείας, να ερευνήσουν τις διαφορετικές δομές και λειτουργίες.

Προκειμένου να είναι αντιληπτά από τη μύτη μας, τα χημικά πρέπει να είναι λιπόφιλα, μικρά (Μr <300Da) και πτητικά. Τα αρωματικά μόρια δραπετεύουν από την υγρή ή ακόμη και τη στερεή τους μορφή στον αέρα.

Ο αισθητήριος ιστός, που ονομάζεται οσφρητικό επιθήλιο είναι μία βλεννώδης μεμβράνη που καλύπτει το επάνω μέρος της ρινικής κοιλότητας. Οι οσμές φθάνουν στην περιοχή (περίπου 7 cm μακριά από τα ρουθούνια) στον αέρα που αναπνέουμε ˙ αν κάτι μυρίζει απαλά, ανασαίνουμε δύο ή τρεις φορές περισσότερο, οδηγώντας πιο πολύ αέρα και άρωμα στην αισθητήρια μεμβράνη. Εκεί τα μόρια διαλύονται στη βλέννα και μετά συνδέονται στους οσφρητικούς υποδοχείς, που εκφράζονται στην πλασματική μεμβράνη των αισθητήριων κυττάρων. Τα κύτταρα στέλνουν νευρικά ερεθίσματα στον εγκέφαλό μας, που μαθαίνει να συσχετίζει τη μυρωδιά με την πηγή προέλευσης (όπως ένα τριαντάφυλλο), μας επιτρέπει να την αναγνωρίζουμε ακόμη και όταν το αντικείμενο είναι κρυμμένο ( όπως όταν μπαίνουμε σ’ ένα σπίτι και καταλαβαίνουμε ότι ψήνεται ένα κέικ) ή την καταχωρεί στις άγνωστες (όπως όταν πηγαίνουμε για πρώτη φορά σ’ ένα εξωτικό εστιατόριο).

Παρόμοιες χημικές ιδιότητες –παρόμοιες μυρωδιές

Η κατηγοριοποίηση των οσμών σε περιορισμένο αριθμό διακριτών τάξεων δεν είναι τόσο εύκολη, όσο η αναγνώριση των βασικών γεύσεων (γλυκό, ξινό, αλμυρό και πικρό). Οι τυπικές μυρωδιές είναι το λουλουδάτο (γιασεμί), το πικάντικο (πιπερόριζα, πιπεριά), το φρουτώδες (οξικός-αιθύλ- εστέρας), το ρετσινοειδές (ρετσίνι), το αηδιαστικό (κλούβιο αυγό), και το καυτερό (πίσσα). Το musk (μόσχος), η καμφορά, το αλλοιωμένο (ισοβαλερικό, βουτυρικό οξύ) και το καυστικό (μυρμηκικό οξύ, οξικό οξύ) προστίθενται συχνά στη λίστα. Συγκεντρώνοντας όλο και περισσότερα στοιχεία για τη χημική σύσταση, οι χαρακτηριστικές ομάδες των αρωματικών μορίων μπορούν να συνδυαστούν με συγκεκριμένες οσμές. (Πίνακας 1). Οι οσμές των n-αλειφατικών αλκοολών, για παράδειγμα, ποικίλουν από τα βότανα, το τριαντάφυλλο και το ξύλο στο πορτοκάλι. Αντίθετα, τα n- αλειφατικά οξέα έχουν οσμή λιπαρών, ξινών, χαλασμένων ή ιδρωμένων τροφών. Οι μυρωδίες των φρούτων είναι εστέρες μικρών αλειφατικών οργανικών οξέων και αλκοολών. Μικρές διαφορές στη χημική σύνθεση οδηγούν σε διακριτές οσμές, όπως το άρωμα ανανά του βουτυρικού-αιθύλ- εστέρα και το άρωμα ροδάκινου του βουτυρικού-πεντύλ- εστέρα. Οι οσμές των λαχανικών συχνά εξαρτώνται από τα οργανο-θειϊκά συστατικά. Μια κυκλική δομή με άζωτο μπορεί να μυρίζει σαν τα ψητά ή ζυμωτά είδη διατροφής, ενώ οι αρωματικές αλκοόλες (φαινόλες) είναι συστατικά καπνιστών τροφών.

Τα περισσότερα από τα παραδείγματα του Πίνακα 1 έχουν επιλεγεί από διαφορετικά είδη τροφών, για να είναι πιο εύκολη η ανάδειξη των οσμών. Μπορείτε να διασκορπίσετε τυχαία, διάφορα είδη φυτών και τροφών πάνω σε μία μεγάλη επιφάνεια και να ζητήσετε από τους μαθητές να τα ομαδοποιήσουν ανάλογα με τη μυρωδιά τους (μπορείτε να βοηθήσετε, παρέχοντας τους όρους ‘λουλουδάτο’, ‘αλλοιωμένο’, φρουτώδες’, ‘φυτικό’, ‘πικάντικο’ και ‘καπνιστό’). Όταν οι μαθητές τελειώσουν, ζητήστε τους να συγκρίνουν τα αποτελέσματά τους με την χημική κατάταξη που δίνεται στον Πίνακα 1.

Φέρνοντας τα δομικά χαρακτηριστικά στο μυαλό, η επόμενη ερώτηση είναι πως μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την οσμή για να ξεχωρίσουμε τις διαφορές στις λειτουργικές ομάδες, τα μεγέθη, και το ολικό σχήμα των μορίων. Σε πολλές φυσιολογικές διαδικασίες που συμβαίνουν στις κυτταρικές μεμβράνες, ένας υποδοχέας ενεργοποιείται, όταν ένα υπόστρωμα συνδεθεί στην εξωκυτταρική του περιοχή. Αυτή η αρχή συχνά απεικονίζεται σαν ένα κλειδί που ταιριάζει σε μια κλειδαριά- μόνο το σωστό κλειδί ανοίγει την αντίστοιχη κλειδαριά- καθώς και το αγκυροβολημένο υπόστρωμα έχει μεγάλη εξειδίκευση για τη δική του θέση υποδοχής πάνω στον υποδοχέα

Πίνακας 1: Ταξινόμηση των πτητικών οργανικών συστατικών με βάση τις χαρακτηριστικές τους ομάδες και τις χαρακτηριστικές οσμές

Χαρακτηριστική ομάδα	Πηγή	Παράδειγμα	Οσμή
Αλκοόλη -OH	Φυτά	Γερανιόλη, λιναλοόλη Μενθόλη Αρωματικές αλκοόλες > c3	Φρέσκο, φρουτώδες Μέντα Γλυκό ή καυστικό
Αλδεΰδη, κετόνη -CHO; >C=O	Λίπος Γαλακτοκομικά	Διακετύλιο	Σαν βούτυρο
Οξύ (C1-C12) -COOH	Τυρί	Μυρμηκικό Καπρινικό οξυ	Καυστικό Σαν κατσικίσιο γάλαk
Εστέρας, λακτόνη -COOR	Διαλύτης ( αυτά τα χημικά χρησιμοποιούνται ως διαλύτες) Φρούτα	Οξικός αιθυλ εστέρας Βουτυρικός μεθύλ/αιθύλ εστέρας Αμυλ/βουτύλ εστέρας Βουτυρικός πεντύλ εστέρας	Κόλλα Ανανάς Μπανάνα Ροδάκινο
Πυραζόλια Αρωματικά =N-	Ψητές, μαγειρευτές, ζυμωτές τροφές	2-ισοβουτύλ-3-μεθοξυπυραζόλιο 2-ακετύλ-τετραυδρο-πυριδίνη	Καυτερά, Πράσινη πιπεριά Ποπ-κορν
Παράγωγα -S: αλειφατικά, αρωματικά	VΛαχανικά	Διαλυλδισφουλφίδια 1,2-διθειολεν-4-καρβοξυλικό οξύd	Σκόρδο Σπαράγγιs
Φαινόλες (μόνο-, πολύ-)	Καπνιστές τροφές	2-μεθοξυ-φαινόλη Κρεσόλη	Καπνός ξύλου Πίσσα

OΥποδοχείς οσμών

Μερικά από τα πιο γοητευτικά χαρακτηριστικά της φυσιολογίας των οσμών ανακαλύφθηκαν από τους Linda Buck και Richard Axel, νικητές του βραβείου Νόμπελ το 2004. Σ’ αντίθεση με το απλό αλλά εξειδικευμένο μοντέλο κλειδιού-κλειδαριάς που κυβερνάει τη γεύση, η όσφρηση διακατέχεται από ένα σύνολο αισθητήριων κυττάρων. Ένας τύπος αρωματικών μορίων αντιδρά με περισσότερους από έναν τύπο υποδοχέων, και έτσι η συνολική αίσθηση σχηματίζεται από το συνδυασμό των ενεργών υποδοχέων. Όταν δοκίμασαν μία σειρά αλειφατικών n-αλκοολών σε μεμονωμένους νευρώνες ποντικών, ο Buck και οι συνεργάτες του ανακάλυψαν ότι ομάδες οσφρητικών νευρώνων ενεργοποιήθηκαν. Για παράδειγμα, η πεντανόλη ερέθισε ελάχιστα τον υποδοχέα S3 ˙η εξανόλη ενεργοποίησε δυνατά τους S3 και S25˙ η επτανόλη τους S3, S19 και S25˙ η οκτανόλη S18, S19, S41 and S51˙ και η ενανόλη τους S18, S19, S41, S51 και S83. Επομένως, μία οσμή αναγνωρίζεται εξειδικευμένα από πολλαπλούς οσφρητικούς υποδοχείς που εργάζονται σε συνδυασμό.

Ένα τέτοιο μοντέλο ενεργοποίησης υποδοχέων δημιουργεί ένα μεγάλο ρεπερτόριο διακριτών οσμών. Επομένως, υπολογίζεται ότι μπορούμε να αναγνωρίσουμε περίπου χίλιες μυρωδιές και να διακρίνουμε περισσότερες μεταξύ μιας σειράς μεγέθους, με βάση την ηλικία μας, την εμπειρία και την φυσική ευαισθησία μας. Οι γλωσσολογική μας ικανότητα να ορίζουμε τις οσμές, όμως, βρίσκεται πολύ πίσω από την ικανότητα της μύτης μας να τις αναγνωρίζει. Για παράδειγμα, διαλυμένα αιθέρια έλαια ή απομονωμένα συστατικά που αντιπροσωπεύουν κάποιο άρωμα, εφαρμόζονται πάνω σε μια ταινία διηθητικού χαρτιού και τοποθετούνται σε ένα βιδωτό γυάλινο μπουκαλάκι (δείτε παρακάτω).

Μπορείτε να προσφέρετε στους μαθητές σας ρίγανη (1% καρβακρόλη σε προπυλενική γλυκόλη), τριαντάφυλλο (1% αιθέριο έλαιο σε αιθανόλη), λεμόνι (10% αιθέριο έλαιο σε αιθανόλη), κανέλλα (5% σιναμαλδεΰδη σε προπυλενική γλυκόλη), άρωμα κάποιου φρούτου (5% σε προπυλενική γλυκόλη), ή πικρά αμύγδαλα (1% βενζαλδεΰδη σε προπυλενική γλυκόλη) ως πείραμα. Κάθε μαθητής πρέπει να διαλέξει από μία λίστα 20 περίπου οσμών και καλείται να περιγράψει και να ορίσει τη μυρωδιά χωρίς τη βοήθεια του πίνακα (δείτε Πείραμα 1 στην τάξη^w1).

Παρουσίαση των δειγμάτων για ένα τεστ οσμών. Τα γυάλινα μπουκαλάκια περιέχουν ταινίες διηθητικού χαρτιού εμποτισμένα με διαλυμένο αιθέριο έλαιο
Χορηγία εικόνας από Angelika Börsch-Haubold

Οι μαθητές καθώς αναγνωρίζουν τις μυρωδιές
Χορηγία εικόνων από Angelika Börsch-Haubold

Ένας ερασιτέχνης μπορεί σωστά να συνδυάσει μία οσμή με την πηγή της ή κάτι που την περιέχει, αλλά να μη μπορεί να αναγνωρίσει την επιφάνεια προέλευσης. Σε ένα μάθημα που δίδαξα πάνω στην αισθητική εκτίμηση της τροφής, μόνο οι μισοί από τους μαθητές αναγνώρισαν το άρωμα της ρίγανης ˙ το ένα τέταρτο από αυτούς το μπέρδεψαν με το θυμάρι ή τη μαντζουράνα, που είναι πολύ κοντινά βότανα ˙ και άλλοι αναγνώρισαν τη μυρωδιά ως δενδρολίβανο, βασιλικό και μαϊντανό, που είναι λιγότερο κοντινά βότανα με ξεχωριστές μυρωδιές. Παρόλα αυτά κάποιοι μαθητές σωστά συσχέτισαν την οσμή με ντοματόσουπα , την οποία μπορούμε να αρωματίσουμε με ρίγανη. Τα δύο τρίτα της τάξης αναγνώρισε την μυρωδιά των τριαντάφυλλων, μερικοί μαθητές την συσχέτισαν σωστά με παρόμοια λουλούδια όπως πασχαλιά, μελισσόχορτο ή με κολόνια, αλλά άλλοι λανθασμένα πρότειναν την μέντα, φάρμακα και καυτερά.

Σχεδόν όλοι οι μαθητές αναγνώρισαν τα πικραμύγδαλα, τη μέντα και τη κανέλλα, αλλά απέτυχαν να ταυτοποιήσουν το φασκόμηλο και τον κορίανδρο. Όταν δόθηκαν οι λύσεις , κατευθείαν όλοι αναγνώρισαν τις μυρωδιές που πριν τους διέφυγαν, δείχνοντας ότι η οσφρητική μνήμη είναι πολύ καλύτερη από την ικανότητά μας να ορίσουμε τελικά μία μυρωδιά.

Μικρές αλλαγές στη χημική δομή-ξεχωριστές οσμές

Η καλή λειτουργία των υποδοχέων μας, μας επιτρέπει να ξεχωρίζουμε παρόμοια χημικά μόρια. Πολλά αρώματα προέρχονται από φυτά, των οποίων τα προϊόντα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να δείξουν, πώς οι μικρές διαφορές στη χημική δομή ενός αρωματικού δίνουν είτε εντελώς διαφορετικές μυρωδιές είτε τουλάχιστον διακριτές οσμές (δείτε τις αναπαριστάμενες δομές). Τα παραδείγματα ταξινομούνται με βάση τα ακόλουθα χημικά κριτήρια:

Μήκος ανθρακικής αλυσίδας : προσθέτοντας δύο μεθυλ-ομάδες (‑CH₂‑CH₂‑)στο αρωματικό της καρύδας, γ-εναλακτόνη, δίνει το άρωμα του βερίκοκου ˙ εισάγοντας (‑CH=CH‑) στη βενζαλδεΰδη (πικραμύγδαλα), προκύπτει σιναμαλδεΰδη (κανέλλα).
EΑλλαγή χαρακτηριστικής ομάδας : αντικαθιστώντας την αλδεϋδομάδα της βανιλλίνης από (‑CH₂‑CH=CH₂) δίνει ευγενόλη, το άρωμα των γαρύφαλλων. Η αλκοόλη 1-βουτανόλη έχει καυστική μυρωδιά, ενώ το αντίστοιχο καρβοξυλικό οξύ (βουτυρικό οξύ) μυρίζει σαν χαλασμένο βούτυρο ή εμετός.
Προσθήκη χαρακτηριστικής ομάδας : προσθήκη μιας μέθοξυ-ομάδας στη βενζαλδεΰδη αλλάζει τη μυρωδιά της από πικραμύγδαλου σε γλυκάνισου.
Θέση της χαρακτηριστικής ομάδας : η καρβακρόλη που έχει μία ομάδα –ΟΗ δίπλα σε μια μεθυλ ομάδα, μυρίζει σαν ρίγανη, ενώ η θυμόλη, που έχει μία ομάδα –ΟΗ δίπλα σε μία ομάδα ‑CH(CH₃)₂, μυρίζει σαν θυμάρι ˙ η 1-προπανόλη μυρίζει σαν αιθανόλη, ενώ η 2-προπανόλη έχει γλυκιά μυρωδιά (τα νούμερα μπροστά στις ονομασίες δείχνουν τη θέση του –ΟΗ).
Αλλαγή αλειφατικών και αρωματικών δακτυλίων: αντικατάσταση του δακτυλίου του βενζολίου της θυμόλης από κυκλοεξάνιο παράγει μενθόλη που μυρίζει εντελώς διαφορετικά.
Διαφορές στη στερεοχημεία : συνήθως, ένα εναντιομερές ενός χειρικού αρωματικού μορίου απελευθερώνει μία δυνατή μυρωδιά, ενώ του άλλου είναι απαλή. Εξαιρέσεις είναι η (S)-(+)-καρβόνη (το αρωματικό συστατικό σπόρων του κύμινου) και η (R)-(–)-καρβόνη (δυόσμος). Το (S)-(–)-λιμονένιο μυρίζει σαν νέφτι (πεύκο) αλλά το (R)-(+)-λιμονένιο έχει την οσμή πορτοκαλιού.

Παρόμοια χημικά συστατικά μυρίζουν διαφορετικά
Χορηγία εικόνων από Angelike Börsch-Haubold

Παρόλα αυτά υπάρχουν συστατικά που είναι άσχετα δομικά αλλά μυρίζουν παρόμοια. Το κυκλοοκτάνιο, η καμφορά και η 1,8-κινεόλη έχουν και τα τρία οσμή καμφοράς, ενώ το κυκλοοκτάνιο αποτελείται από έναν ισοκυκλικό δακτύλιο (C₈H₁₆) και η καμφορά και η 1,8-κινεόλη είναι και τα δύο δικυκλικά μόρια με χαρακτηριστική ομάδα που περιέχει οξυγόνο. Η γνωστή ‘πράσινη πινελιά’ των άγουρων φρούτων και λαχανικών, που προστίθεται στα καλλυντικά για μια αίσθηση φρεσκάδας, προέρχεται από μια ομάδα στενά συνδεδεμένων C6 αλδεϋδων (cis-3-εξενάλη: φρέσκες ντομάτες ˙ cis-2-εξενάλη: πράσινα μήλα ˙ trans-2-εξενάλη: πράσινο και μαύρο τσάι, φρέσκες ντομάτες). Με τον ίδιο τρόπο, η αλκοόλη cis-3-εξενόλη (φρεσκοκομμένο γρασίδι ), the C₉ αλδεΰδη 2-trans-6-cis-εναδιενάλη (φλούδα αγγουριού), μία αλδεΰδη συνδεδεμένη σε ένα δακτύλιο (λιγούστρο) και ακόμη μερικά πυραζόλια (2-προπύλ-3-μεθοξυπυραζόλιο: ποικιλία πιπεριάς ) έχουν αυτή την πράσινη πινελιά.

Τα φυτά είναι η αρωματοποιία της φύσης

Χρησιμοποιώντας την μεγάλη ποικιλία μυρωδικών που περιέχονται στα φυτά, μπορείς να συνδυάσεις την οργανική χημεία με την φυσιολογία της μυρωδιάς, για να δείξεις πόσο καλά μαθαίνουμε το περιβάλλον μας χωρίς να είμαστε τέλειοι γνώστες αυτού. Αν θελήσετε να εστιάσετε στην εξάσκηση για την αναγνώριση των οσμών, μπορείτε να ζητήσετε από τους μαθητές σας να ταξινομήσουν διαφορετικές αραιώσεις ενός μυρωδικού κατά αυξανόμενη ένταση (δείτε Πείραμα 2 στην τάξη^w2. Αυτές οι δύο δραστηριότητες ^{w1,
w2} μπορούν να κινητοποιήσουν τους μαθητές να συνδέσουν την καθημερινότητα με τη χημεία και να προσπαθήσουν να περιγράψουν τον κόσμο μας με βάση τα χημικά συστατικά.

Λεβάντα
Χορηγία εικόνας από Angelika Börsch-Haubold

Ευχαριστίες

Θα ήθελα να ευχαριστήσω τους μαθητές από το μάθημα εξάσκησης των αισθήσεων (Fachhochschule Weihenstephan, Χειμερινό εξάμηνο 2006/07) για την προετοιμασία των υλικών και την εποικοδομητική συζήτηση.

Αναφορές στο διαδίκτυο

w1 – Πείραμα 1: Έλεγξε την αίσθηση της οσμής σου. Το πειραματικό πρωτόκολλο, συμπεριλαμβανόμενων των απαραίτητων φύλλων εργασιών, μπορούν να αποκτηθούν από : www.scienceinschool.org/2007/issue6/scent/

w2 – Πείραμα 2 : Κατάταξη μιας σειράς αραιώσεων ενός αιθέριου ελαίου. Το πειραματικό πρωτόκολλο, συμπεριλαμβανόμενων των απαραίτητων φύλλων εργασιών, μπορούν να αποκτηθούν από : www.scienceinschool.org/2007/issue6/scent/

Πηγές

Buck LB (2004) Unraveling the Sense of Smell. Nobel Lecture, 8 Dec, Stockholm, Sweden.

Busch-Stockfisch M (ed; 2005) Praxishandbuch Sensorik in der Produktentwicklung und Qualitätssicherung. Hamburg, Germany: Behr’s Verlag

Malnic B, Godfrey PA, Buck LB (2004) The human olfactory receptor gene family. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 101: 2584-2589

Malnic B, Hirono J, Sato T, Buck LB (1999) Combinatorial receptor codes for odors. Cell 96: 713-723

Steinegger E, Hänsel R (1988) Lehrbuch der Pharmakognosie und Phytopharmazie. 4th Ed. Berlin, Germany: Springer-Verlag

Ανασκόπηση

Οι μαθητές μπορεί να εκπλαγούν ευχάριστα, όταν ανακαλύψουν ότι τα χημικά δεν είναι υπεύθυνα μόνο για ενδεχόμενα επικίνδυνα ή/ και δυσάρεστα αποτελέσματα, αλλά επίσης δίνουν ευχάριστες μυρωδιές και γεύσεις. Οι δραστηριότητες που παρουσιάζει στο παρόν κείμενο η Angelika Börsch-Haubold, μπορεί να χρησιμοποιηθούν για να δείξουν ότι το βασίλειο της οσμής βρίσκεται στη χημεία και ότι οι μύτες μας είναι άριστα αισθητήρια όργανα, ικανά να διακρίνουν ανεπαίσθητες διαφορές στη χημική δομή.

Το άρθρο είναι εφαρμογή της οργανικής χημείας γενικά, με συγκεκριμένη αναφορά στην τεχνολογία τροφίμων. Θα μπορούσε να συνδεθεί σε μία συζήτηση για τα πρόσθετα στα τρόφιμα ή για τη γενετική τροποποίηση των τροφών. Θα μπορούσε, επίσης, να αποτελέσει χρήσιμο θεωρητικό υπόβαθρο για εκπαιδευτικά μαθήματα πάνω στις αισθήσεις.
Matthew Fletcher, Ηνωμένο Βασίλειο