Cebula zaczyna produkować związek łzawiący dopiero wtedy, gdy nóż zniszczy jej komórki
Nieprzekrojona cebula przechowuje prekursory siarkowe i enzymy w oddzielnych przedziałach komórki. Nóż rozrywa błony i pozwala alliinazie zetknąć się z S-alk(en)ylo-L-cysteinowymi sulfotlenkami. Powstają bardzo reaktywne kwasy sulfenowe, a specjalny enzym — lachrymatory factor synthase — przekształca odpowiedni prekursor w lotny (Z)-propanethial S-oxide. Cząsteczka dociera do powierzchni oka i wywołuje drażnienie oraz odruch łzowy. Łzy nie są więc uwalniane z gotowego „magazynu gazu”; związek powstaje enzymatycznie dopiero po mechanicznym uszkodzeniu tkanki.
Roślina przechowuje reaktywność w oddzielnych komorach
Prekursory siarkowe są stabilniejsze niż końcowe lotne produkty, a enzym alliinaza znajduje się w innym przedziale komórkowym. Dopóki błony pozostają całe, reakcja zachodzi w minimalnym stopniu.
Sulfotlenki S-alk(en)ylo-L-cysteiny są pochodnymi aminokwasów gromadzonymi w komórkach cebuli. Ich profil zależy od odmiany, warunków uprawy i dostępności siarki w glebie. Dlatego różne cebule mogą wywoływać nieco inne natężenie łzawienia i mieć odmienny smak. Nie istnieje jedna stała ilość „substancji łzawiącej” zapisana w gatunku — roślina syntetyzuje prekursory w odpowiedzi na metabolizm i środowisko.
Cięcie działa jak wymieszanie odczynników
Uszkodzenie komórek niszczy separację. Alliinaza szybko rozcina prekursory cysteinowe, tworząc kwasy sulfenowe, amoniak i pirogronian. Kwasy sulfenowe są krótkotrwałe i reagują dalej.
Cebula ma osobny enzym od łez
Przez lata sądzono, że lachrymator powstaje spontanicznie. Odkrycie lachrymatory factor synthase pokazało, że cebula enzymatycznie kieruje część 1-propenylowego kwasu sulfenowego do (Z)-propanethial S-oxide.
Alliinaza działa bardzo szybko po uszkodzeniu, dlatego pierwsze sekundy krojenia są chemicznie intensywne. Powstające kwasy sulfenowe są tak reaktywne, że nie gromadzą się w dużym stężeniu; niemal natychmiast kondensują albo są przechwytywane przez LFS. To przykład metabolitu przejściowego, którego znaczenie jest ogromne mimo krótkiego czasu życia. Wykrycie takich gatunków wymaga szybkich metod spektroskopowych lub śledzenia produktów.
Gaz musi przeżyć drogę do oka
Lachrymator jest mały i lotny, więc część opuszcza świeżo przeciętą tkankę i dyfunduje przez powietrze. Związki mniej lotne wpływają bardziej na smak niż na natychmiastowe łzawienie.
Oko uruchamia system obronny
Drażniący związek aktywuje czuciowe zakończenia nerwowe na powierzchni oka. Gruczoły łzowe zwiększają wydzielanie, by rozcieńczyć i usunąć substancję. Łzawienie jest fizjologiczną odpowiedzią na molekularny sygnał zagrożenia.
Czosnek ma pokrewny zestaw siarkowych prekursorów, ale po zniszczeniu komórek alliinaza prowadzi głównie do allicyny i dalszych związków siarkowych, nie do tego samego czynnika łzawiącego co cebula. Bliskie botanicznie rośliny używają podobnego „systemu dwóch komór”, lecz enzymatycznie kierują przepływ do innych produktów. Mała różnica enzymu zmienia sensoryczny rezultat z łez na charakterystyczny czosnkowy aromat.
Chemia siarki odpowiada także za smak cebuli
Jeśli lachrymatory factor synthase jest wyciszona genetycznie, prekursory płyną innymi drogami i zmienia się profil tiosiarczanów oraz innych związków siarkowych. Enzym łez jest częścią większej sieci obronnej, nie izolowanym „generatorem bólu”.
To chemiczny alarm uruchamiany przez uszkodzenie
Wiele roślin przechowuje enzym i substrat osobno, aby reaktywne lub toksyczne produkty powstawały dopiero po ugryzieniu czy przecięciu. Cebula jest wyjątkowo łatwym do zauważenia przykładem: użytkownik sam uruchamia jej biosyntetyczny system obronny nożem.
Biotechnologiczne wyciszenie LFS nie usuwa całej siarkowej chemii cebuli. Prekursor, który normalnie stałby się lachrymatorem, może zostać przekierowany do tiosiarczanów i innych produktów, zmieniając smak oraz profil obronny. To pokazuje, że ingerencja w jeden enzym sieci metabolicznej rzadko działa jak prosty wyłącznik jednej cechy; materiał przepływa alternatywnymi drogami reakcji.
Związek łzawiący cebuli reaguje z wodą i innymi nukleofilami, dlatego jego czas życia w wilgotnym otoczeniu jest ograniczony. To, że potrafi dolecieć do oka, wynika z kompromisu między lotnością i reaktywnością. Zbyt reaktywna cząsteczka zostałaby zużyta wewnątrz rozciętej tkanki; zbyt mało lotna nie opuściłaby powierzchni. Ewolucyjnie użyteczny sygnał obronny musi więc być chemicznie wystarczająco trwały przez sekundy potrzebne do transportu, a zarazem reaktywny wobec receptorów czuciowych i wodnej powierzchni oka.
Drażnienie oka jest również przykładem chemestezji: lotna cząsteczka uruchamia receptory czuciowe należące do rodziny kanałów TRP, a sygnał nerwowy jest interpretowany jako pieczenie. Łzy są odpowiedzią odruchową, która rozcieńcza reagent i zwiększa jego odpływ z powierzchni. Od powstania sulfotlenku w uszkodzonej komórce do łzy na policzku prowadzi więc ciąg: enzymatyczna synteza, dyfuzja gazu, molekularne rozpoznanie przez kanał jonowy i fizjologiczne sprzężenie zwrotne.