Реклама освежающей мятной жвачки не даст соврать — все мы испытываем ощущение «холода» во рту при употреблении чего-то подобного.
Итак, мы привыкли делить объекты вокруг себя на «горячие», «холодные» и те, на которые мы просто не обратим внимания. Для начала разберёмся с тем, что именно под этим скрывается на самом деле.
Все, кто учился в средней школе знают, что тепло само по себе передаётся от более нагретого тела в менее нагретому. Именно на этом основана идея добавления льда в наши напитки — лёд постепенно их охлаждает за счёт того, что напиток имеет водную основу, а стало быть имеет температуру замерзания от ноля градусов и ниже. Добавляемый в напитки лёд же изначально имеет температуру ниже ноля, в результате нам не нужно беспокоиться, что наш коктейль быстро нагреется (сказать по правде, я ни разу не сталкивался с ситуацией, чтобы лёд в напитке успел растаять).
В современном мире никому не нужно объяснять, почему красный перчик на рисунке объят огнём. Равно как и шуточные ролики с людьми, съевшими что-то очень острое и потому изрыгающими огонь изо рта.
Исходя из этой логики самой комфортной для человека температурой окружающей среды будет 36.6 градуса, но я думаю для всех читателей очевидно, что это совсем не так. Дело в том, что в приведённых выше случаях мы имеет дело с объектами, которые сами по себе не являются источниками температуры. Зато человек очень активно выделяет тепло и если не обеспечивать организму нужного теплоотвода, то можно запросто умереть. Наглядной демонстрацией данного факта является недавняя смерть 20-летнего британского боксёра, который погиб, проводя в термокостюме сгонку веса перед боем. По сути нам жарко тогда, когда окружающая среда недостаточно быстро отводит тепло от нашего организма, поэтому нам становится жарко не тогда, когда температура окружающей среды поднимается выше 36.6 градусов, а уже при гораздо меньшей температуре.
Системный блок с продвинутым процессорным кулером. Очевидно, что площадь поверхности радиатора превосходит площадь термоинтерфейса радиатор-процессор на порядки.
При этом стоит учитывать, что различные объекты обладают разной теплопроводностью. Действительно, температура воздуха в комнате кажется нам очень комфортной, хотя мы бы уж точно не хотели бы спать на железной кровати комнатной температуры, и дело тут не только в том, что она твёрдая и неудобная. Дело в том, что металл является гораздо более эффективным проводником тепла, поэтому железяка комнатной температуры кажется нам холодной, а воздух при комнатной температуре при этом нам в самый раз. По тем же причинам мы крепим кулеры с здоровенными радиаторами на разогнанные процессоры и топовые видеокарты: воздух не в состоянии отнять достаточно тепла от пластинки площадью в несколько квадратных сантиметров. Поэтому сначала чип передаёт тепло через интерфейс небольшой площади на металлический радиатор, а уже затем имеющий колоссальную площадь радиатор кулера отдаёт энергию в атмосферы. Также не стоит забывать, что вентилятор кулера обеспечивает постоянную циркуляцию воздуха, что заметно увеличивает теплопередачу между радиатором и атмосферой. Поскольку температура радиатора (условно) постоянна, то он получает столько же энергии через интерфейс в несколько квадратных сантиметров от чипа, сколько затем отдаёт в атмосферу через гораздо большую поверхность.
Теперь разберёмся с тем, много ли общего у понятия «жарко» и «горячо». «Жарко» означает, что мы не можем отвести от себя достаточно тепла, перегреваемся и начинаем из-за этого чувствовать дискомфорт той или иной степени по всему телу. Понятие же «горячо» говорит о том, что мы принимаем слишком много тепла извне на некотором конкретном участке внешней поверхности тела, то есть понятия «горячего» и «холодного» уже напрямую связаны с нашими органами чувств на коже или языке.
Очевидно, что ощущения, которые вызываются употреблением острого перца или чего-то с содержанием ментола находится скорее в плоскости «горячего» и «холодного». Но есть ли в данных в общем-то на первый взгляд абсолютно разных по своей природе внешних возбудителях сходство на самом деле?
Трёхмерная структура трансмембранного термочувствительного рецептора TRPV1, который по сути является контролируемым температурой кальциевым каналом. Его активация происходит при температуре выше 43 градусов, а также в кислых и некоторых других условиях, о которых будет рассказано далее.
Для начала разберёмся с тем, как мы распознаём «горячее» и «холодное».
Дело в том, что во всех термочувствительных тканях есть специальные тепловые сенсоры, которые по сути являются к т.н. «механорецепторами». Термин «механорецептор» означает, что данный тип рецептора реагирует на изменения механических свойств мембраны, в которой он находится (жёсткость, вязкость, упругость, etc.). Мембрана же подчиняется привычным для нашего макромира правилам: при повышении температуры она «разжижается», а при понижении «грубеет». В свою очередь механорецептор — это трансмембранный белок, пространственная структура которого определяется жёсткостью окружающей его мембраны.
Если объяснять на пальцах, то «механорецептор повышения температуры» в неактивном «нулевом» положении в своего рода «стеснённом», «сжатом мембраной» состоянии. Как только нагретая мембрана теряет свою жёсткость рецептор «разжимается», а это приводит к возникновению сигнала от «рецептора тепла». Аналогично, «механорецептор понижения температуры» находится в неактивном состоянии при более «жидкой» мембране, а понижение температуры делает её более жёсткой, что приводит к изменению пространственной структуры и активации «рецептора холода».
В целом все термочувствительные рецепторы являются трансмембранными TRP-каналами, пропускающими кальций (TRP — Transient Receptor Potential). То есть в неактивном виде канал «закрыт», а его активация приводит к появлению поры, пропускающей только ионы кальция. Температурный интервал чувствительности всех рецепторов поделён между различными их типами на три промежутка.
- Терморецепторы первого типа отвечают за распознавание температур гораздо выше температуры тела. Они предупреждают нас о том, что можно обжечься: при их активации человек почувствует резкую боль и инстинктивно попытается избежать контакта с источником тепла. Таким образом, их ещё можно причислить к «рецепторам боли», хотя с точки зрения биологии это звучит чертовски глупо;
- Терморецепторы второго типа распознают околофизиологические температуры (то есть близкие к 36.6);
- Наконец, рецепторы температуры третьего типа активируются температурами ниже физиологического уровня. Возбуждаемый или сигнал мы в итоге воспринимаем, как «холод».
Теперь перейдём к рассмотрению того, что происходит тогда, когда мы едим острый перец или жуём мятную жвачку. В данной случае, естественно, всё тоже определяется некими рецепторами: какие-то компоненты перца или пасты вступают с ними во взаимодействие, рецепторы активируются и докладывают, что «что-то происходит». В итоге мы чувствуем вкус острой пищи или мятную свежесть во полости рта.
А вот теперь самое интересное: оказалось, что в распознавании температуры и в распознавании острой пищи или чего-то вроде мяты участвуют одни и те же рецепторы!
Структура молекулы алкалоида капсаицина, который входит в состав острого перца. Он является причиной его специфического острого вкуса.
Рассмотрим несколько примером. Было установлено, что причиной специфического вкуса острого красного перца или перца халапеньо является алкалоид «капсаицин» и родственные ему соединения, находящиеся в плодах данных овощей. Собственно, само слово «капсаицин» произошло от латинского названия данного вида Capsicum annuum (Перец стручковый), к которому относятся все попадающие на наши столы перцы. Попадание капсаицина на «рецептор горячего» TRPV1 приводит к его активации и мы испытываем ощущения, близкие к обжигающему воздействию горячей пищи. Но, безусловно, нельзя провести полноценную параллель между употреблением острого перца и ожогом: «горячие болевые ощущения» от перца это своего рода эволюционно возникший способ обмана нашего организма, на который перец идёт, чтобы защитить свои семена от поедания, в то время как высокие температуры представляют уже реальную угрозу нашему здоровью.
Выше я упомянул, что капсаицин является защитой семян от поедания. В действительности же оказалось, что всё не так просто: в природе существуют типы рецептора TRPV1, невосприимчивые к присутствию капсаицина. Такой TRPV1 есть, например, у птиц. И что самое удивительное — это опять на руку перцу! Дело в том, что птицы не жуют семена, как это делаем мы, а глотают целиком. Поскольку они не чувствуют острого вкуса, то они охотно их склёвывают, правда их пищеварение не в состоянии справиться с их оболочкой и в итоге они выходят из птицы наружу невредимыми. Таким вот образом происходит распространение довольно тяжёлых (по сравнению с семенами одуванчика) семян на большие расстояния.
Разнообразие вида Перец стручковый (Capsicum Annuum), который включает в себя как сладкий болгарский перец, так и перец халапеньо.
Судя по вышеизложенному, TRPV1 по сути можно назвать «рецептором боли»: действительно, его активация происходит при опасных для организма высоких температурах. Кроме того, было показано, что яд некоторых тарантулов вызывает боль также через взаимодействие компонентов яда с рецептором TRPV1. И ещё одно забавное наблюдение: поскольку TRPV1 по сути является «рецептором боли», то с точки зрения молекулярной биологии в любви к острой пище можно найти частичку мазохизма 🙂
Также важно знать, что капсаицин хорошо растворяется в неполярных растворителях и плохо растворяется в полярных. Отсюда можно сделать важный вывод: если мы хотим «отмыть» полость рта от капсаицина, то нам нужно полоскать рот чем-то, что содержит неполярные растворители. В данной роли могут выступать жиры (к примеру, они содержатся в молочных продуктах и маслах) или спирты (алкогольные напитки). Полоскать полость рта водой не очень эффективно, так как вода — полярный растворитель, стало быть в воде капсаицин малорастворим. Но на деле промывать полость рта лучше жиросодержащими продуктами, так как этанол является фактором, повышающим чувствительность TRPV1 к капсаицину и потенциально может даже усугубить неприятные ощущения.
Короче говоря, все те, кто в сериалах и фильмах запивает острую пищу холодной водой действуют не самым правильным образом.
Структурная формула аллилизотиоцианата — «острого» компонента горчицы, васаби и хрена.
Другим примером острой пищи является горчица, которую мы рассмотрим уже на примере воздействия на кожу. Как, наверно, всем известно, горчица — главный компонент горчичника. Дело в том, что смачивание горчичника запускает ферментативную реакцию в порошке горчицы, продуктом которой является в том числе соединение под названием «аллилизотиоцианат». Оно в свою очередь проникает через кожу, где взаимодействует с рецепторами TRPA1 и TRPV1 и тем самым вызывает лёгкое локальное воспаление и, как следствие, локальный рост температуры тела. Кстати, на основании капсаицина тоже есть прогревающая мазь. Показаниями к её применению являются невралгии, связанные с опоясывающим лишаем-острым болезненным состоянием, вызываемым вирусом Varicella zoster (ветряная оспа, она же ветрянка). Также содержащие капсаицин мази применяются для лечения слабо или умеренно выраженных артритов, диабетической невропатии и послеоперационных болей.
Кристаллы ментола — освежающего компонента мяты. В левом верхнем углу приведена его структурная формула.
Теперь рассмотрим «освежающие» соединения. Ключевым компонентом мяты в данном случае является ментол, который взаимодействует с рецептором TRPM8 (TRPM8 — холодовой рецептор, реагирующий на температуры ниже 25 градусов). Попадая в полость рта он активирует «холодовые рецепторы», а взаимодействие ментола с обонятельными в носу заметно облегчает понимание. Так же, как и получаемый из горчичников аллилизотиоцианат, ментол может использоваться далеко не только в пище или в качестве ароматизатора. Дело в том, что ментол обладает противоположным аллилизотиоцианату эффектом. Именно поэтому в препаратах, снижающих симптомы простуды часто присутствует ментол: он способен снижать уровень воспаления в горле, по сути являясь при этом местным анестетиком. В продаже даже имеются охлаждающие гели, содержащие ментол. Производителями утверждается, что подобные препараты облегчает боли в мышцах и суставах, а также уменьшают отёки и гематомы, но я затрудняюсь дать оценку их эффективности, так как никогда с ними не сталкивался.
Этанол воздействует на чувствительность не только рецепторов капсаицина, но и на чувствительность TRPM8, хотя если в случае с TRPV1 имеет место повышение чувствительности, то в случае с рецептором ментола алкоголь наоборот подавляет его активность.
Думаю, все помнят причину, по которой прославилось это фото. Как мы видим платье в разных цветах, так, в теории, мы могли бы совершенно по разному воспринимать вкус острого перца, лука и чеснока. Тут вообще можно привести аналогию с различиями цветового зрения: объективно не существует ни красного, ни синего цветов, вопрос лишь в том, как мы воспринимает те или иные длины волн электромагнитного излучения.
Но постойте, получается, что одни и те же рецепторы капсаицина (ментола, аллилизотиоцианата) есть как на языке, так и на коже. Тем не менее, при контакте с капсаицином в разных местах возникают пусть и схожие, но всё таки различные эффекты: на языке капсаицин вызывает ощущение остроты, на коже он вызывает локальное воспаление, а при попадании в глаза так вообще является мощным слезоточивым раздражителем. Как же так, ведь везде одни и те же рецепторы? Тут всё дело в том, что между рецептором и мозгом существует очень много промежуточных стадий, и как раз эти самые промежуточные стадии сильно различаются в каждом из приведённых выше случаем. Вообще говоря, в теории с помощью генной инженерии можно всё в этой системе перепутать: к примеру, изменив некоторые стадии передачи сигнала от рецептора капсаицина в мозг вполне возможно превратить острый перец, лук и чеснок из жгучих приправ в освежители дыхания.
Рассказ о связи температуры и вкусовых ощущениях можно продолжать и продолжать. Например:
- Контакт кончика языка с объектом, температура которого равна 35 градусов вызывает слабый сладкий привкус;
- Контакт языка с объектом, температура которого около 5 градусов вызывает солоноватый привкус. Поэтому когда мы пьём холодную воду нам может казаться, что в неё добавлена соль;
- И так далее, и так далее…
Важно другое. Благодаря успехам в понимании молекулярной природы вкусовых и температурных ощущений медики могут создавать всё новые и новые лекарства, а повара будут создавать и совершенствовать свои кулинарные шедевры.
Источник
