Chemia zmysłówczyli o tym,

jak związki chemiczne działają na nasze zmysły

dr Aleksandra SzcześniakZakład Dydaktyki Chemii i Popularyzacji Nauki UŁ

Narządy zmysłów – struktury w organizmie

przystosowane do odbioru bodźców i przetworzenia ich

w energię procesu nerwowego

mieć długi język na oko

Zmysł – zdolność człowieka i zwierząt do obierania

i analizy bodźców działających na organizm

miećmuchy w nosie

5

wzrok węch

energia elektromagnetyczna

oddziaływaniachemiczne

smak5zmysłów smak

słuchdotyk

bodźce mechaniczne

bodziec

szlaki nerwowereceptory

wraŜeniazmysłowepola

korowe

narząd zmysłu

mózg

zmiana w zachowaniu

Chemorecepcja –pierwszy zmysł ?

Związki chemiczne docierają do narządu zmysłu

� Zdobywanie poŜywienia

� PrzedłuŜanie gatunku

� Ostrzeganie i alarmowanie

Nobel 2004Odkrycie dotyczące receptorów węchowych

i funkcjonowania układu węchowego

Zmysł węchu

Richard Axel Linda Buck

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.

opuszka węchowa interpretuje bodźce

komórki węchowe

40 mln receptorów / 2-3 cm2

U człowieka 70% genów węchu jest nieczynnych. Aktywne geny pozwalają odróŜnić 4-10 tysięcy zapachów.

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

Związek chemiczny

� grupy funkcyjne, podstawniki

� struktura przestrzenna

Człowiek

� receptory

� neuroprzekaźniki

� kondycja psycho-fizyczna

Od czego zaleŜy zapach?

� Lotny

� Masa molowa < 300 g/mol

� Liczba atomów węgla w cząsteczce 5-18

� Najczęściej związek monofunkcyjny,

Cechy związku zapachowego

Grupa osmoforowato grupa atomów w cząsteczce związku chemicznego, która decyduje o rodzaju

zapachu tego związku zapachowego. Łączy się z receptorem odpowiadającza odczuwanie przyjemnegolub nieprzyjemnegozapachu.

S

OH

C

OC

H

O

CO

O

O

NH2 SH

S

C

S

alkohole

aldehydy

estry

ketony

etery

NH3C CH3

CH3

NH H

Htrimetyloamina

HS

Hsiarkowodór

SH

Hamoniak

3-metylobutano-1-tiol

allicyna

Allium L.

SS

O

geraniol

Rosa damascena

C

O

H

OH

H

O

HO

wanilinaCH

O

aldehyd cynamonowy

C

O

HC

O

OH[O]

aldehyd benzoesowy(zapach słodki, migdałowy)

kwas benzoesowy(bezwonny)(zapach słodki, migdałowy) (bezwonny)

C

O

H

+ 2 CH3OH

H2SO4

C

OO

H

H3CCH3

dimetylowy acetal aldehydu benzoesowego

(zapach kwiatowy, orzechowy)

aldehyd benzoesowy(zapach słodki, migdałowy)

Aldehydy

Coco Chanel Ernest Beaux

O2N NO2

O

O

O

octan izoamylu

karwon

Mentha spicata

piŜmo nitrowe

O

CH3

H2C CH3

*

kapronian butylu

O

O

Estry

Estryfikacja Fischera

kwas karboksylowy + alkohol ester + wodaH2SO4

+H2SO4

+ H2OOH

O

OHO

O

kwas octowy etanol octan etylu

Estry

OH+

O

O O

bezwodnik octowy alkohol izoamylowy

bezwodnik kwasowy + alkohol ester + kwas

ZnCl2

O

O

OH

O

+

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

octan izoamylu kwas octowy

Przedmioty symetryczne Przedmioty niesymetryczne

Przedmiot i jego odbicie lustrzane są jednakowe

lustro

Przedmiot i jego odbicie lustrzane nie są jednakowe

lustro

CH3

CCH3H

Hpropan

Cząsteczka i jej odbicie lustrzane są identyczne.

lustro

kwas mlekowy

OH

CCH3

HHOOC

OH

CH3C H

COOH

Cząsteczka i jej odbicie lustrzane nie są identyczne

lustro

OH

CCH3

HHOOC

OH

CH3C H

COOH

Cząsteczki, które nie są identyczne ze swoim odbiciem lustrzanym

nazywane są chiralnymi (greckie cheir– ręka).

* *

Chiralna cząsteczka kwasu mlekowego i jej odbicie lustrzane

lustro

Jedną z przyczyn chiralności cząsteczek jest obecność w nich

atomu węgla związanego z czterema róŜnymi podstawnikami.

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 niŜ jedno centrumasymetrii, Cząsteczka, która posiada więcej niŜ jedno centrumasymetrii,

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

L = 2n n – liczba centrów stereogenicznych w cząsteczce

Diastereoizomeryto stereoizomery, które nie są odbiciami lustrzanymi.

cząsteczka aktywna biologicznie

Enancjomery mają identyczne właściwości fizyczne, podobne właściwości chemiczne,róŜnią się aktywnością biologiczną i kierunkiem skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego

karwon

O

CH3

H2C CH3

*

C Cbrak zgodnościbrak zgodności

O

CH3

O

CH3

karwonO

CH3

H2C CH3

*

R-(-)-karwonlustroS-(+)-karwonMentha spicata

Carum L.

CH2H3C

H

H2C CH3

H* *

CH3

CH3

H H3C

CH3

H

* *

(R)-(+)-α-terpineol

lustro

(S)-(-)-α-terpineol

CH3

H3C OH

H H3C

CH3HO

H

OO

H

O O

H

R-γ-dekalakton1,5 ppb

S-γ-dekalakton5,6 ppb

* *

1,5 ppb

Próg wyczuwalności – minimalne stęŜenie substancji wonnej, które powoduje powstanie wraŜenia zapachu, ale nie umoŜliwia identyfikacji bodźca.

R-3-metylocyklopentadekanonmuskon

S-3-metylocyklopentadekanon

lustro

O

CH3H

O

H3C H

* *

muskon

intesywny zapach piŜma61 ppb

zapach piŜma ubogi, słaby233 ppb

lustro

Moschus moschiferus

Zmysł smaku

Nature: 2006, 444 ,288-94

kubki smakowe

Zmysł smaku

rodzaje smaków

�słodki substancje odŜywczei poŜyteczne

©2014 University of Minnesota Medical School Duluth

�słony

�kwaśny

�gorzki

�umami

i poŜyteczne

substancje toksycznelub szkodliwe

Zmysł smaku

Na+Cl-

chlorek sodu – słony(0,01 mol/dm3) HCl

kwas solny - kwaśny(0,0009 mol/dm3)

CH2OH

glutaminian sodu - umami(0,0007 mol/dm3)

O

O-Na+

NH3+

HO

O-

O

O

CH2OHOH

H

H

OH

CH2OH

H

O H

OHH

HOH

H

OH

CH2OH

H

N

O

HO N

sacharoza – słodka(0,01 mol/dm3)

chininia - gorzka(0,000008 mol/dm3)

Zmysł smaku

Słodko! Słodko!

aspartamCOOCOO

O

HN

NH3+

-OOCOCH3

O

aspartam(180 x słodszy od sacharozy) C HH3N

CH2

C NH3H

CH2

L-fenyloalaninagorzka

D-fenyloalaninasłodka

Zmysł smaku

Gorzko! Gorzko!

HN

O

N+ -O

O

benzoesan denatoniumBitrex

O

O

O

OH

O

O

OHOH

CH2OH

O

OH

OH

CH3

OH

OH

naringina

Skóra – waŜny narząd zmysłu

1 – receptory chłodu

2, 3 – receptory bólu

4 – receptory ucisku

5 – receptory dotyku

6 – receptory ciepła

OH

*

**

Istnieje w postaci 23 = 8 stereoizomerów.

mentol

Nie jest zimny a chłodzi?

OH

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

Mentha piperita

� orzeźwiający zapach

� chłodzący efekt

� słodki smak

� miętowy aromat

Uff, jak gorąco!

HO

O

O OH

gingerol(świeŜy imbir)

HO

O

O

szogaol (bardziej ostry)

(imbir wysuszony)

Uff, jak gorąco!

N

O

HO

O

NH

kapsaicyna

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

o destylacja z parą wodną – olejek eteryczny

aparat Derynga

o ekstrakcja – konkret, wyciąg, pomada

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

aparat Soxhleta

Warto przeczytaćWarto przeczytać

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

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

Eksperyment nr 1

CięŜkie baloniki

� 20% -owy roztwór CH3COOH� Na2CO3

Na2 CO3 + 2 CH3COOH

2 CH3COONa+ CO2� + H2O

Eksperyment nr 2

Pasta słonia

� 30% -owy roztwór H2O2

� roztwór wodny KI� detergent� detergent

H2O2 + 2 KI I2 2 KOH+

2 H2O2I2 2 H2O + O2