Élet és tudomány

Szagos és illatos molekulák - Szagkémia

Megjelent az Élet és tudomány 2008. szeptemberi számában

Írta: Majer Zsuzsa

Egy virágillat, a nyár szaga – biztosan mindnyájunkban kedves emlékeket ébreszt, még ha nem is tudjuk pontosan jellemezni magát az illatot, szagot. A szaganyagok molekuláinak tulajdonsága és kölcsönhatása a szaglószervvel idézi elő a különféle szagérzeteket, melyek bonyolult biokémiai és élettani folyamatok eredményei.

Az illatok, szagok befolyásolják mindennapjainkat, hangulatunkat, és hatást gyakorolnak érzésvilágunkra. A kellemes illatokat növényi kenőcsök, balzsamok, parfümök formájában vallási szertartások alkalmából már több ezer évvel ezelőtt is használták, de később a gyógyításban is fontos szerepet játszottak, sőt hozzátartoznak az asszonyi csábítás eszköztárához is. A tudomány hosszú időn keresztül nem foglalkozott a szaglással, a szaglás mechanizmusának felderítésével, annak ellenére, hogy kétségkívül létfontosságú érzetünk.
Szagokról beszélünk, ha valamely anyagból párolgás vagy kiválás révén részecskék jutnak a levegőbe, majd a szaglószerven hatva (ideg)ingerületet okoznak, és az agyban szagérzetet keltenek. Régen jelzőket használtak a jellegzetes szag leírására, például „fojtó-, kellemetlen-, kesernyés-, édeskés illat”. A jó, kellemes érzetet okozó szaganyagokat – melyek rendszerint illóolajokból erednek – illatoknak, míg a kellemetlen érzetet okozó, tartós hatás esetén szagártalmat is okozó szaganyagokat bűzöknek nevezzük.
Az egyes szagokat, természetesen, nem csak érzékeljük, hanem mi is „árasztjuk”: testszagunk olyan, akár egy ujjlenyomat – csak ránk jellemző!

Mikor és milyen szagokat érzünk?

Az anyagok szaga és kémiai szerkezete között sokan igyekeztek törvényszerűséget megállapítani, de általános következtetéseket eddig nem sikerült levonni. Ugyanakkor a szagingert kiváltó szaganyagoknak vannak közös tulajdonságaik: kis molekulasúlyúak, szobahőmérsékleten illékonyak. Ugyancsak szükséges feltétel, hogy oldódjanak a szaglóhámot borító vékony váladékban, tehát mind zsírokban, mind vizes közegben oldhatónak kell lenniük (az érzékelő receptorsejtek körül zsírszerű anyag van).
Általában a szaganyagok (odoránsok) szerkezetében szaghordozókat, ozmofor csoportokat találunk, amelyek többnyire funkciós csoportok; tágabb értelemben véve azt mondhatjuk, ezek keltik, terjesztik a szagot, ezek teszik szagossá a vegyületeket (1. táblázat).
Az illékony anyagoknak akkor érezzük a szagát, ha a levegőben „lebegő” molekula eljut a szaglás szervéhez, az orrban található szaglóhámhoz. Az emberi szaglóhám az orr hátsó részén, a felső orrjáratban körülbelül 3-4 cm2-es területen helyezkedik el, benne 1000 különböző típusú receptorsejttel. A szaglás kifinomultsága nem csak a különböző receptorsejtek fajtájától és számától, hanem a szaglóhám nagyságától is függ: a halak kb. száz-, egerek több mint ezer különböző receptorsejttel rendelkeznek, egy átlagos kutya orrában pedig 130 cm2 szaglóhám található. Ebből látható, hogy a mi szaglásunk, bizony, elég gyenge.
A szagérzethez megfelelő számú mozgásban lévő részecske jelenléte szükséges, így a szagfelismerés többszöri szippantással erősen fokozható, mivel többször jut a felső orrjáratba a szaganyagot tartalmazó levegőmennyiség. Ennek ismeretében már érthető, hogy miért nem érez szagokat az, aki nyitott szájon keresztül lélegzik, vagy csak egyszer „szagol bele” valamilyen anyagba.
Köztudott az is, hogy a nátha csökkenti a szaglási érzékenységet. Egyrészt azért, mert a náthás ember nyálkahártyája váladékkal telítődik, a szaganyagok nem tudnak a receptorsejtek közé beoldódni, másrészt az eldugult orrnak nincs jó szellőzése, így a szagmolekulákat tartalmazó levegő nem képes megfelelő mértékben eljutni a szaglóhámhoz. De vajon hány molekulának kell jelen lennie az orrban ahhoz, hogy meg­érezzük az anyag szagát? Ha egy szagra érzékenyek vagyunk, akkor fél liternyi levegővétel esetén elegendő az érzékelhető szaganyag milliomodrésznyi (ppm) mennyiségének jelenléte, amely 0,0005 cm3 térfogatot és 1017 darab molekulát jelent. Ez ugyan még nagyon nagy mennyiség, de valójában a molekuláknak csak kis hányada lép reakcióba a szaglósejtekkel, szaglóidegrostokkal!

Mitől szagos egy molekula?

A szerves vegyületek egyik ismérve, hogy szagosak, és jellegzetes szaguk alapján sokszor megkülönböztethetők. Erre találhatók példák az 1., 2. és 3. táblázatban, valamint az 1. ábrán. Megfigyelések szerint nem a molekulák kémiai szerkezete, hanem alakja és térkitöltése a döntő az azonos, illetve hasonló szag érzeténél: mind a kámfor, mind a hexaklóretán megközelítőleg gömb alakú, kémiai szerkezetük viszont nagyon eltérő (2. ábra). A szoros szerkezeti rokonság sem biztosíték az azonos szagokra, sőt kis szerkezeti változás teljesen eltérő szagérzetet eredményezhet.
Az azonos vegyületcsaládhoz tartozó anyagok szerkezetében csak kis különbség van, egyes csoportok és/vagy funkciós csoport kapcsolódási helye (szerkezeti izoméria) vagy térbeli elhelyezkedése (sztereoizoméria) más. A kutatások szerint az emberi szagérzetben néhány alapszag uralkodik, és a szagok többsége ezeknek a keveréke. Alapszagnak tekinthető a pézsma- vagy mósuszillat; kámforszag; virágszerű illat; mentolszag; éterszag; szúrós szag; büdös, rothadó szag. Az azonos szagkategóriába tartozó molekulák alaki, térszerkezeti rokonságban vannak.

Szagok és a memória kapcsolata, emlékképek

Az ember mintegy 10 000 szagot képes megkülönböztetni, de a szaglóhámunkon csak 1000 különféle receptorsejt azonosítható, mindegyik egy adott szagra specializálódott
Tehát nem igaz az egy receptor – egy szag képlet! Hogy vagyunk képesek mégis sokkal több szagot azonosítani? Erre a kérdésre csak az utóbbi években kaptunk választ. A 2004. évi orvosi Nobel-díjat Richard Axel és Linda B. Buck kapta a szaglás mechanizmusának kutatásában, felderítésében végzett munkásságukért. Egérkísérleteik során egy egész fehérjecsaládot fedeztek fel, megközelítőleg 1000 különféle fehérjét, amelyek csak a szaglóhámon léteznek. Ezeket nevezzük szaglófehérjéknek. Minden szaglósejtben a szaglófehérje-család minimum egy, de akár több tagja is jelen van, és megszabja az adott sejt érzékenységét. A szagingert kiváltó, eltérő alkatú és térszerkezetű molekulák egyszerre több receptorsejthez tudnak kötődni, és a receptorok ingerlésének kombinációi határozzák meg a kiváltott szagérzést. Mivel a szaglási információ az agy különböző területeire jut el (a limbikus rendszerbe, a talamuszba és a hipotalamuszba), érthető, hogy a szagok tudat alatt befolyásolják viselkedésünket, hangulatunkat, érzelmeinket. Az információk kombinációjából illatmintázat keletkezik, amely bármikor előhívható, és összehasonlítható új szaginformációkkal. A különböző szagok emlékképeket idéznek fel, mint ahogy a fenyőillatról asszociálhatunk a karácsonyra, arról pedig a nagymama-édesanya ételeire. Ha pedig egy bizonyos szag jelenlétében tanulunk meg valamit, akkor könnyebben visszaidézzük, ha ugyanaz csapja meg az orrunkat. A szagok és a memória szoros kapcsolata – az úgynevezett Proust-effektus – onnan kapta a nevét, hogy Marcel Proust írta le Az eltűnt idő nyomában című könyvében, ahogy egyetlen szag hatására visszatérnek gyermekkori emlékei, látvánnyal, hanggal együtt.

Észlelés, érzékelés, szaglás

A „szagérzet” teljesen szubjektív. Ugyanazt a szagot érezheti valaki kellemesnek, míg másvalaki kellemetlennek, a nők szaglásérzékenysége pedig nagyobb, mint a férfiaké; az illatszerek egy részét a férfiak nem vagy csak alig érzik. A szagokhoz pedig hozzá is lehet szokni: az állandó szaghatásnak kitett szaglósejtek érzéketlenné válnak a szagingerrel szemben (telítődnek).
Az adott anyag koncentrációjától (mennyiségétől) nagyban függ a szagérzet: nagy töménységben a legfinomabb illatok is bántók, büdösek lehetnek, de nagyon hígan (tízezerszeres hígításban) kellemes vagy érdekes illatúak. Az acetaldehid tiszta állapotban szúrós szagú, hígítva almaillatú; a bróm-sztirol vagy a fenil-acetaldehid töményen kellemetlen szagúak, nagy hígításban jácintszagúak. Az indol és a szkatol az emberi bélsár bűzének az összetevői, de nagy hígításban virágillatuk van.
A szaglórendszernek az ízleléshez is köze van: az ételek „íze” valójában főleg azoknak a gázoknak az illata, amelyek az ivás, rágás vagy szopogatás folyamán szabadulnak fel a táplálékokból, és beszivárogva az orrlyukakba eljutnak a szaglóhámhoz. Az agy a szaglóhám által kibocsátott összetett szagjeleket összegzi a nyelv által kibocsátott egyszerű ízjelekkel, és a szájban lévő ételhez hozzárendel egy ízt. Bár az ízanyagok általában többféle illóanyagból állnak, gyakran egyetlen összetevő adja meghatározó aromájukat. A metil-2-peridil-ketontól például minden étel pattogatottkukorica-ízű lesz.

Mérjük meg a szagokat!

A szaganyagkeverékek együttes szaghatásának klasszikus mérési módszere az olfaktometria, e mérés során a szagkoncentráció meghatározása emberi érzékszervi (orr) vizsgálattal történik. A szagkoncentráció mértékétől függően megkülönböztetünk szagészlelési (éppen érezzük), szagazonosítási (felismerjük) és kellemetlenségi küszöböt. (A felismerési küszöbérték többszöröse a szagészlelési küszöbnek – a lakossági panaszok általában akkor érkeznek, amikor a szag koncentrációja elég magas ahhoz, hogy felismerjék a szagot.) A szag meghatározásához a tiszta szagtalan levegőhöz keverik a szagos mintákat a szag­észlelési küszöbig, az érzékelést végző emberi orrok kiválasztása pedig szabvány szerint történik (MSZ EN 13725:2003.); a referencia anyag az n-butanol.
A szagok vizsgálatára kiterjedten használnak analitikai módszereket, ilyenkor komponensenkénti elemzés történik. Így a szag kémiai összetétele ismert lesz, viszont a bűz jellegére és koncentrációjára vonatkozóan nem nyerhető adat. A különböző analitikai mérések információi alapján a bűzforrásra jellemző ujjlenyomat-kromatogramok segítségével térségi, országos vagy akár világméretű bűztérképek is készíthetők.
Izraeli kutatók készítették el elsőként a „szagok térképét”, amely 250 szagminta több száz kémiai tulajdonságát veszi alapul, és megmutatja a szaganyagok egymástól való távolságát egy több dimenziós térképen. Redukálva a szaganyagok jellemző kémiai tulajdonságainak számát azt is bebizonyították, hogy minél közelebb van két szagminta egymáshoz a térképen, annál hasonlóbb az idegi reakció az agyban. A szaganyagok kö­rében is törvényszerűségek működnek, tehát, és elképzelhető, hogy a jövőben a szagok digitalizálhatók lesznek!

Illatok, kölnik, illóolajok

A mai illatszeripar nyersanyagait két, egyaránt fontos csoportra oszthatjuk: a természetes (illatos növényi drogok, illatos állati drogok, illóolajok és virágolajok), valamint a szintetikus illatanyagok csoportjára. Az illóolajokat főleg kellemes illatuk és aromájuk miatt használják parfümökben, füstölőkben és ételek ízesítésére, de gyógyhatásuk is ismert. A kereskedelmileg fontos illóolajok listáján mintegy 200 féle anyag szerepel. Ezeket sokféle növényből vagy növényi részből vonják ki, leggyakrabban a magvakban vagy a virágokban koncentrálódnak. A jellegzetes illatért vagy zamatért felelős illóolaj-komponensek között észterek, szénhidrogének, alkoholok és oxovegyületek találhatók. Ezek általában terpének, terpenoid vagy fenil-propanoid származékok. Néhány példa: szegfűbors, mandula, ánizs, bazsalikom, babér, kömény, fahéj, szegfűszeg, kapor, eukaliptusz, fokhagyma, jázmin, boróka, narancs, borsmenta, rózsa, szantál, menta, kakukkfű, ibolya, télizöld. Az illóolajokat oldószeres extrakció, vízgőzdesztilláció vagy préselés segítségével izolálják.A kölnik (2,5% illatanyag, illattartósság 4 óra) és a parfümök (illatanyag-tartalma 10%, illattartósság 4 óra) különböző szerkezetű anyagok keverékei, valóságos illatkompozíciók, amelyekben a jellegzetes alkotóelemekre (mósusz, virágillat stb.) könnyen ráismerünk. Igaz viszont, hogy ezek érvényesülése nagyban függ az ember bőrének egyedi illatától is.  A  szintetikus illat–molekulaszerkezet kapcsolat kutatásának egyre nagyobb a szerepe az illatszeriparban, mely segítségével bizonyos molekulaszerkezethez illatokat tudnak rendelni, és az adatok alapján új illatokat tudnak tervezni.