DISEÑO DE AROMAS: CUESTIÓN DE FUTURO

1. DISEÑO DE AROMAS: CUESTIÓN DE FUTURO • FRANCESC MONTEJO • I Simposium de Química Sensorial • Barcelona, Octubre 2008

2. DISEÑO DE AROMAS • Definición de aroma • Análisis de aromas • Formulación de aromas • Síntesis de moléculas aromáticas

3. ENIGMAS OLFATIVOS • ¿Por qué ciertas moléculas tienen olores distintos a diferentes concentraciones? • ¿Por qué con sólo 347 receptores olfativos los humanos podemos percibir más de 10 000 olores?

4. ENIGMAS OLFATIVOS • ¿Cuál es la relación entre estructura química y olor? • ¿Por qué ciertas parejas de enantiómeros muestran olores distintos? • ¿Cuál es el mecanismo de olfacción primario por el cual una molécula odorante se une a los receptores olfativos?

5. SISTEMA OLFATIVO • El sistema olfativo muestra una gran complejidad, a partir de la estructura química de las moléculas odorantes decodifica la información del entorno para volverla a codificar posteriormente en el córtex cerebral • El resultado de esta reconstrucción son las sensaciones olfativas

6. SISTEMA OLFATIVO • El software olfativo utiliza una vasta red de neuronas de distintas partes del cerebro ( principalmente bulbo y córtex cerebral) • El software olfativo utiliza patrones de olor almacenados en su memoria. También emplea modelos matemáticos basados en la teoría del caos en la construcción de las sensaciones olfativas (The Physiology of perception/ Walter J. Freeman)

7. SISTEMA OLFATIVO • El sistema olfativo es el resultado de miles de años de evolución • El software olfativo es un sistema emergente que a partir de la sencillez ha ido creciendo en complejidad en función de sus necesidades • El ser humano capta con el olfato sustancias que pueden ser nocivas para la salud (procedentes de alimentos en descomposición o tóxicas)

8. SISTEMA OLFATIVO • El olfato no necesita detectar los gases que se encuentran habitualmente en su entorno en grandes cantidades (oxígeno, nitrógeno) • En cambio sí detecta los que en pequeña cantidad pueden resultar peligrosos para la salud (SO2, etc.)

9. SISTEMA OLFATIVO • En el funcionamiento del sistema olfativo concurren diversas áreas del conocimiento: biología molecular, redes neuronales inteligentes, modelos matemáticos complejos, etc. • Una mejor comprensión del sistema olfativo nos permitirá predecir el olor de una sustancia a partir de su estructura química • Todo ello supondría un gran avance en el desarrollo de las ciencias aplicadas: alimentación, perfumería, medicina, etc.

10. RECEPTORES OLFATIVOS • Richard Axel y Linda Buck de la Universidad Columbia de Nueva York en 1991 publicaron en la revista Cell un artículo en el que identificaron los receptores olfativos • Clonaron y caracterizaron 18 miembros distintos de una familia de genes que codifican proteínas que actúan como receptores olfativos • Los genes de los receptores olfativos se encuentran en el cromosoma 17 • En el año 2004 recibieron el Premio Nobel de Medicina y Fisiología por este trabajo

11. CODIFICACIÓN OLFATIVA • Posteriormente Linda Buck y colaboradores mediante una técnica de visualización de calcio establecieron distintos mapas sensoriales olfativos • Los receptores olfativos se comportan como letras de un alfabeto • La codificación de olores a nivel molecular se comporta como un candado combinatorio • El número de combinaciones posibles utilizando las 347 letras del alfabeto olfativo, seleccionadas en grupos de 2, 3,4,5 o más elementos es astronómico

12. CODIFICACIÓN OLFATIVA • Una molécula odorante puede ser reconocida por varios receptores • Un receptor olfativo puede reconocer a varias moléculas odorantes distintas

13. CODIFICACIÓN OLFATIVA • El cerebro recibe una información integral para cada sensación olfativa • Cuando una neurona del epitelio olfativo es excitada por una molécula odorante la señal eléctrica viaja por el axón celular y es transferida al bulbo olfativo y de allí al córtex cerebral

14. CODIFICACIÓN OLFATIVA • En el hombre y otros primates sólo una porción de la amígdala (región del lóbulo temporal del cerebro) está implicada en el olfato, a diferencia del resto de los animales • Este hecho muestra la gran importancia que posee en los humanos otra función cerebral: la visión en color

15. CODIFICACIÓN OLFATIVA • La intensa carga emotiva de los recuerdos provocados al oler un perfume se explica por las conexiones del lóbulo temporal del cerebro con el sistema límbico, encargado de controlar la conducta emocional

16. CODIFICACIÓN OLFATIVA • Linda Buck y colaboradores comprobaron también que ligeros cambiosla estructura química activan distintas clases de receptores y por consiguiente el olor de una molécula varía considerablemente • Octanal huele a naranja • Ácido octanoico tiene olor dulce indefinido

17. CODIFICACIÓN OLFATIVA • Linda Buck y colaboradores observaron asimismo que ciertas moléculas a concentraciones elevadas se unen a un gran número de receptores distintos • Las mismas moléculas a concentraciones bajas se unen a un número menor de ellos

18. CODIFICACIÓN OLFATIVA • Este hecho explica porque algunas moléculas muestran olores distintos en función de la concentración, como por ejemplo el indol (olor a podrido, olor floral)

19. CODIFICACIÓN OLFATIVA • Linda Buck y colaboradores también observaron que mezclas de dos odorantes simples activan nuevas neuronas del córtex cerebral que no eran activadas por sus componentes individuales • Esta es la razón por la que los humanos tenemos una limitada capacidad para detectar odorantes individuales en una mezcla de los mismos

20. TEORÍA DE LA FORMA • Teoría de la forma (Moncrieff, 1949): Las moléculas se unen al receptor olfativo selectivamente en un sistema llave-cerradura • Esta teoría no explica como el ser humano con sólo 347 receptores olfativos pueda reconocer más de 10 000 olores distintos

21. TEORÍA DE LA FORMA • En 1969, Jhon E. Amoore publicó un libro titulado “ Molecular basis of odor” • Su teoría estereoquímica indicaba que la forma molecular estaba relacionada con el carácter olfativo • Estableció una clasificación de las distintas familias olfativas en función de su forma

22. TEORÍA DEL ODOTOPO • Teoría del odotopo o de la forma débil: explicaba que los receptores olfativos sólo reconocen la forma de determinadas partes de moléculas • Los receptores pueden confundir moléculas parecidas de forma y estructura química como por ejemplo oxígeno y azufre • Las teorías formistas eran incapaces de predecir el olor de una molécula basándose en su estructura

23. TEORÍA VIBRACIONAL • Luca Turín en 1996 propuso la teoría vibracional, recuperando una antigua idea de un científico llamado Dyson. • Los receptores olfativos actúan como diminutos espectroscopios inelásticos de efecto túnel localizados en el epitelio olfativo

24. TEORÍA VIBRACIONAL • Los electrones procedentes de una molécula dadora (NADPH) atraviesan la proteína receptora ocasionando la liberación de una proteína G y perdiendo energía (proceso inelástico) • Los enlaces moleculares son como muelles oscilantes • Las moléculas odorantes (dotadas de momento dipolar) absorben energía IR procedente del receptor olfativo que las excita a un estado cuántico vibracional superior

25. TEORÍA VIBRACIONAL • Los receptores olfativos detectan las transiciones cuánticas vibracionales en las moléculas odorantes

26. TEORÍA VIBRACIONAL • Según la teoría de Luca Turín el NADPH se comporta como una batería biológica (dador de energía) • Su punto de conexión es GSGLLA ( glicina-serina-glicina-leucina-leucina-alanina) • El transporte de electrones a través de proteínas es un hecho conocido en biología. Las membrana-oxidoreductasas utilizan NADH en la reducción de oxígeno extracelular y transporte de electrones a distancias superiores a 5 nanómetros

27. TEORÍA VIBRACIONAL • Los receptores olfativos absorben energía IR en el rango aprox. 400-4000 cm-1

28. TEORÍA VIBRACIONAL • La teoría de Luca Turín sostiene que se activa una proteína G, la cual permite la transducción del impulso eléctrico que llegará al bulbo olfativo a través de las neuronas

29. TEORÍA VIBRACIONAL • La teoría de Luca Turín contempla la reducción química de un puente disulfuro entre ambas proteínas • El Zn2+ actúa como cofactor de la reacción química

30. TEORÍA VIBRACIONAL • La ausencia de Zn2+ es causa de anosmia reversible en ciertas personas • El anclaje entre la molécula odorante y el receptor depende en parte de la forma de la molécula odorante

31. TEORÍA VIBRACIONAL • La R-carvona (olor a menta) y su enantiómero la S-carvona (olor a alcaravea) poseen los mismos grupos funcionales • Luca Turín interpreta que el carbonilo de la R-carvona no es alcanzado por el haz de electrones del receptor

32. TEORÍA VIBRACIONAL • Luca Turín comprobó que en una mezcla de R-carvona y Butanona (carbonilo absorbe a1 800 cm –1) a partir del 60% de Butanona el olor de menta se transforma en olor a alcaravea

33. TEORÍA VIBRACIONAL • La teoría vibracional pretende explicar también porque, por ejemplo, la acetofenona y su análoga completamente deuterada, huelen distinto, a pesar de tener la misma estructura química, debido a que sus espectros IR son distintos

34. TEORÍA VIBRACIONAL • Luca Turin ha trabajado en la obtención de un algoritmo predictor de olores que en función de la estructura molecular pueda informar de sus características olfativas • Algunos de los parámetros estudiados han sido: la frecuencia de vibración molecular, la intensidad de vibración de cada grupo funcional y la resolución del sistema • Un estudio teórico del mecanismo físico del efecto túnel propuesto por Luca Turin muestra que éste es factible y además consistente (J. Brookes, F.Hartouion, A.P. Horsfield, A.M.Stoneham/ University College London)

35. PERCEPCIÓN OLFATIVA • Las moléculas odorantes poseen las siguientes características: • Son volátiles (presión de vapor alta) • Tienen baja polaridad • Poseen momento dipolar • Poseen cierta actividad superficial • Son parcialmente solubles en agua y en grasas para penetrar en la mucosa acuosa de la membrana olfativa y en la capa de lípidos de las membranas de las células nerviosas • Poseen un peso molecular inferior a 300 daltons

36. PERCEPCIÓN OLFATIVA • En la percepción de olores cientos de moléculas odorantes están incluidas en una matriz (aire) que las pone en contacto con el epitelio olfativo • Las moléculas odorantes quedan solubilizadas en la mucosa olfativa

37. RECEPCIÓN OLFATIVA PRIMARIA • Las proteínas del receptor adoptan varias conformacionesmoleculares capaces de permitir el acoplamiento con una determinada molécula odorante • Esta puede ser una explicación por la que múltiples receptores pueden reconocer un determinado odorante y que distintos odorantes puedan ser reconocidos por distintas combinaciones de receptores

38. RECEPCIÓN OLFATIVA PRIMARIA • R.C. Araneda, A.D. Kini y S. Firestein (Universidad de Columbia) mostraron que un determinado receptor olfativo posee un rango de aceptación de distintas moléculas odorantes. • Algunos de los factores que influyen son: • El tamaño de la molécula • Presencia de grupos sustituyentes (CH, CH2, …) • Presencia de osmóferos, grupos funcionales polares (cetonas, aldehídos,…) • En algunos casos las moléculas odorantes actúan como inhibidores, debido a ciertas similitudes estructurales compiten entre sí en su unión a un determinado receptor.

39. RECEPCIÓN OLFATIVA PRIMARIA • La frecuencia de los impulsos de cada molécula odorante produce variaciones significativas en los mapas sensoriales olfativos que se originan en cada instante en los glomérulos del bulbo olfativo

40. MAPAS OLFATIVOS • Una mejor capacidad molecular para activar un mayor número de receptores de una misma clase por unidad de tiempo, dará como resultado una mayor intensidad olfativa, pues el cerebro captará más impulsos en una determinada fracción de tiempo (The physiology of perception / Walter J. Freeman)

41. CONCLUSIONES • La Rockefeller University realizó una falsación de ambas teorías, sin obtener resultados concluyentes • Recientemente Thomas Hettinger ha publicado en la revista Chemical Senses un artículo titulado Scent and Alchemy en el que refuta totalmente la teoría de Luca Turin con argumentos muy contundentes • Luca Turin a respondido inmediatamente a las críticas recibidas mediante una carta dirigida al editor de Chemical Senses

42. CONCLUSIONES • Actualmente disponemos de muchos indicios que apuntan a que la nuevateoría estereoquímica (modelo del candado combinatorio) puede ser la más acertada • Con ella se puede explicar razonadamente como funciona el sistema olfativo sin recurrir a la teoría vibracional

43. MODELO DEL CANDADO COMBINATORIO • La molécula odorante se une a la proteína por atracción electrostática (fuerzas de Van der Vals, etc.) • Se forma un complejo molécula odorante – proteína del tipo : • A + B = AB • Existe una energía umbral por debajo de la cual no se produce el enlace

44. MODELO DEL CANDADO COMBINATORIO • La constante de equilibrio nos define la extensión en que se produce la reacción • El valor de la constante de equilibrio es un indicador de la afinidad de la molécula odorante por el sustrato

45. MODELO DEL CANDADO COMBINATORIO • A mayor valor numérico de la constante de equilibrio, mayor eficiencia de la reacción y por lo tanto el umbral de percepción de la molécula odorante será menor • Es probable que intervenga un catión metálico (Zn 2+) ligado a una proteína (metaloproteína) ( Manuel Zarzo, UPV)

46. MODELO DEL CANDADO COMBINATORIO • El odorante interacciona con la proteína provocando un cambio de conformación que produce la liberación de una proteína G • Este mecanismo muestra como algunas moléculas actúan como inhibidores, bloqueando los centros activos de los receptores olfativos • Está documentado que ciertas especias poseen propiedades inhibidoras del olor frente a olores indeseados, actuando como bloqueadoras de los centros activos de los receptores olfativos (inhibición directa)

47. MODELO DEL CANDADO COMBINATORIO • En mapas topográficos del bulbo olfativo, aceites esenciales de hinojo y de clavo activan clusters de glomérulos localizados cerca de otros activados por alquilamidas responsables del mal olor del pescado no demasiado fresco, inhibiendo estos olores indeseados (inhibición indirecta) • Cada glomérulo recoge la información de un rango de odorantes que comparten características moleculares similares

48. MODELO DEL CANDADO COMBINATORIO • Glomérulos con rangos moleculares similares están localizados unos cerca de otros, formando clusters o racimos

49. MODELO DEL CANDADO COMBINATORIO • En este proceso biológico intervienen cientos de miles de anclajes entre odorantes y receptores olfativos. Por lo tanto, incluso si se produjeran algunos fallos de reconocimiento, a nivel estadístico este hecho no tendría relevancia, dado que la robustez del sistema está garantizada • Es necesario establecer mapas del bulbo olfativo en los que se pueda comprobar el rango de moléculas olfativas aceptadas por cada glomérulo • Es posible establecer bases de datos, bibliotecas, que nos permitan realizar abstracciones de cuales podamos obtener las reglas de juego del sistema olfativo

50. DISEÑO SENSORIAL DE MÓLECULAS • La elucidación completa y definitiva de los mecanismos de recepción olfativa primaria permitirá conocer mejor como tiene lugar la percepción olfativa y así poder predecir el olor a partir de la estructura molecular de los odorantes • A partir de datos iniciales (matrices de características de los odorantes, proteínas receptoras, tipo de reacción de enlace, descriptores sensoriales de olores, etc.) mediante técnicas de química computacional se podrá obtener el algoritmo predictor del olor de una estructura química o de la mezcla de varias de ellas.