|  John E. Amoore manifestaba a finales de los años sesenta que las moléculas odorantes eran reconocidas por los receptores olfativos, al igual que una cerradura reconoce a una llave. John E. Amoore consideró que la especificidad entre molécula odorante y receptor era bastante elevada: cada molécula sólo sería reconocida por un receptor y, al contrario, cada receptor básicamente reconocería un tipo de molécula. El problema de esta teoría es que se ha demostrado que el ser humano puede percibir más de diez mil olores diferentes, por lo que se requeriría un número demasiado elevado de receptores. Los recientes descubrimientos en este campo han permitido resolver el problema: el ser humano tiene unos trescientos cincuenta receptores funcionales, pero la especificidad entre odorante y receptor no es tan elevada como inicialmente se pensaba. De esta forma, un odorante es capaz de activar distintos tipos de receptores olfativos y, por el contrario, cada tipo de receptor es activado por distintas moléculas.
Llaves y cerraduras
Imaginemos que estamos en un jardín en primavera. Hay cientos de miles de moléculas odorantes que flotan en el aire. Las moléculas odorantes exhiben distintos tamaños y formas. Algunas de las moléculas volátiles quedan atrapadas en un mar viscoso, el moco olfativo, un fluido extracelular de naturaleza acuosa. Debido a las características de este fluido, no todas las moléculas serán capaces de disolverse o difundirse en el mismo, lo cual es un prerrequisito para activar los receptores olfativos. Las moléculas capaces de moverse en este medio son las que disfrutan de cierta polaridad y pueden solubilizarse en el líquido. Las moléculas van interaccionando con los distintos tipos de receptores, hasta que encuentran alguno que se activa, al igual que una llave abre una cerradura. Los receptores tienen una forma muy peculiar: estas proteínas son como siete cilindros uno al lado del otro que atraviesan la membrana celular. Cada uno de estos cilindros está constituido por una secuencia de aminoácidos, formando una estructura helicoidal. Podríamos contar hasta unos trescientos cincuenta modelos de cerraduras distintas. Los receptores están enclavados en la membrana celular. Del mecanismo de reconocimiento molecular se deducen algunos de los requerimientos de las moléculas odorantes. Éstas deben ser volátiles para poder alcanzar la mucosa olfativa. También deben ser parcialmente solubles en agua para poder difundirse en la mucosa epitelial y parcialmente solubles en la membrana de lípidos, en la que está enclavada la proteína transmembrana. Además, deben ser capaces de rebajar la tensión superficial de la película de la mucosa olfativa para poder hundirse en la misma. Cuando las moléculas odorantes se unen eficazmente al centro activo de la proteína helicoidal 7-transmembrana, mediante interacciones electrostáticas, se produce un cambio conformacional en la misma que consiste en un giro relativo de las alfa-hélices. Debido a ello, se inducen ciertos cambios en una proteína G. Dicha proteína, que se encuentra en el dominio intracelular de la neurona olfativa, reconoce que el receptor ha cambiado de forma, lo cual ocasiona una serie de reacciones en cadena que envían impulsos eléctricos a los glomérulos del bulbo olfativo.
La teoría y las combinaciones
Los biólogos moleculares Richard Axel y Linda Buck de la Universidad de Columbia de Nueva York publicaron en 1991 en la revista Cell un artículo sobre la naturaleza de los receptores olfativos por el que se les concedió el premio Nobel de Medicina 2004. En este trabajo clonaron y caracterizaron 18 distintos miembros de una familia de genes que codificaban un grupo de proteínas capaces de actuar como receptores olfativos.1 En marzo de 1999 un grupo de investigadores, Linda Buck y Bettina Malnic de la Harvard Medical School y Junzo Hirono y Takaaki Sato del Life Electronics Research Center de Amagasaki en Japón descifraron el misterio de cómo el olfato es capaz de percibir miles de olores distintos. Así se demostró que un receptor olfativo puede reconocer varias moléculas odorantes distintas y que una molécula odorante puede, a su vez, ser reconocida por varios receptores. Las conclusiones obtenidas mostraban que el sistema olfativo actúa de manera que los distintos receptores olfativos funcionan por medio de un código combinatorio.
¿De cuántas formas puede el sistema olfativo clasificar las moléculas odorantes empleando los aproximadamente 350 receptores existentes?:
- Combinaciones de 350 elementos tomados de uno en uno
= 350
- Combinaciones de 350 elementos tomados de dos en dos
= 61 075
- Combinaciones de 350 elementos tomados de tres en tres
= 7 084 700
Con sólo 26 letras del alfabeto somos capaces de comunicar miles de palabras con un significado diferente. De forma parecida, con un limitado número de receptores podemos percibir miles de olores distintos. Los diferentes receptores olfativos se comportan como las letras de un alfabeto, como hemos visto. En nuestro caso, se trata de un alfabeto de unas 350 letras. Pensemos ahora cuántas palabras distintas, como se han definido anteriormente, de dos, tres, cuatro, o más letras podemos realizar con nuestro alfabeto. Cada palabra en el cerebro representará una sensación olfativa única. Este mecanismo nos da idea de la enorme potencia discriminatoria del modelo descrito. La forma de unión de un ligando –molécula odorante– con un receptor olfativo está descrita con detalle en la bibliografía disponible.2,3
En este tipo de uniones existe una energía umbral mínima, por debajo de la cual no se produce la activación del receptor olfativo.4 Se ha verificado, asimismo, que cada receptor olfativo tiene un rango de aceptación concreto para los distintos tipos de moléculas odorantes. La activación selectiva del receptor se realiza de acuerdo con las características de las moléculas odorantes, bien sea por similitud estructural o por características químicas más globales.5 También se ha observado el efecto inhibidor de ciertas moléculas al competir con otras por un determinado punto de unión. En farmacología es frecuente el fenómeno del antagonismo.6,7
Cuando un perfumista o un aromista formula un nuevo producto es muy difícil, a veces, prever el resultado sensorial de introducir pequeños cambios en la formulación. Los efectos inhibidores señalados pueden ser los responsables, en muchas ocasiones, de tales alteraciones.
El proceso de percepción olfativa
En el interior del bulbo olfativo, miles de mensajes eléctricos procedentes de las neuronas del epitelio olfativo convergen en puntos de reunión o colectores esféricos denominados glomérulos. Cada glomérulo recoge la información de un rango concreto de odorantes que comparten características moleculares similares. Glomérulos con rangos moleculares parecidos están localizados unos cerca de otros, formando clusters o agrupaciones en forma de racimo. La distribución tridimensional de los glomérulos en el bulbo olfativo no es aleatoria, sino que obedece a una lógica molecular que permite la lectura de patrones de familias de sustancias odorantes por parte del software olfativo.8
Esta disposición tridimensional es un factor clave para que el cerebro pueda procesar esta información. Los impulsos eléctricos procedentes de un mismo tipo de receptor se van agrupando y viajan juntos por unas autopistas neuronales llamadas axones. A través de conexiones sinápticas entre las neuronas mitrales la información viaja al córtex olfativo. Allí es procesada por un computador extraordinario que utiliza el software más increíble que podamos imaginar, formado por numerosas redes neuronales que transmiten información valiosa. En el córtex cerebral, el hipocampo y otras partes del cerebro, se intercambian millones de bits de información en milésimas de segundo. Los inputs procedentes de cada glomérulo divergen hacia múltiples áreas del córtex olfativo, lo cual permite un procesado en paralelo de las señales que son combinadas o moduladas de diferentes formas antes de ser enviadas a distintas regiones cerebrales con funciones diversas.9 En este ejemplo, el resultado final de la percepción olfativa es un agradable olor a flores.
Las percepciones olfativas no obedecen exclusivamente a los estímulos químicos de las moléculas odorantes sino que son la suma global de una percepción sensorial. En dicha percepción también confluyen estímulos procedentes de otros sentidos como la visión, el tacto, el gusto y de los nervios trigéminos.10 En un futuro podremos disponer de un mapa olfativo que se podrá comparar con los mapas sensoriales de olores que han propuesto distintos autores.11 Una mejor comprensión de las dimensiones del espacio perceptual olfativo desde el punto de vista sensorial, cómo el cerebro procesa la información, y fisiológico, cómo se activan los receptores y glomérulos, nos acercará al viejo sueño de poder, algún día, poseer el algoritmo predictor de olores de nuevas moléculas odorantes.
Bibliografía:
1. Buck, L.; Axel, R.: «A novel multigene family may encode odorant receptor: a molecular basis for odor recognition», Cell 1991; 65: 175-187.
2. Katada, S.; Hirokawa, T.; Oka, Y.; Suwa, M., Touhara, K.: «Structural basis for a broad but selective ligand spectrum of a mouse olfactory receptor: mapping the odorant binding site», Journal of Neuroscience 2005; 25 (7): 1806-1815.
3. Haddad, R.; Carmel, L.; Sobel, N.; Harel, D.: «Predicting the receptive range of olfactory receptors», Computational Biology 2008; 4 (2).
4. Hummel, P.; Vaidehi, N.; Floriano, W.; Hall, S.; Goddard, W.: «Test of binding threshold hypothesis for olfactory receptors: explanation of differential binding of ketones to the mouse and human orthologs of olfactory receptor 912-93», Protein Science 2005; 14: 703-710.
5. Araneda, R.; Kini, A.; Firestein, S.: «The molecular receptive range of odorant receptor», Nature Neuroscience 2000; 3 (12).
6. Oka, Y.; Nakamura, A.; Watanabe, H.; Touara, K.: «An Odorant derivate as an antagonist for an olfactory receptor», Chemical Senses 2004; 29.
7. Oka, Y.; Osmura, M.; Katoaka, H.; Touhara, K.: «Olfactory receptor antagonism between odorants», The EMBO Journal 2004; 23 (1).
8. Mori, K.; Takahashi, K.; Igarashi, K.; Yamaguchi, M.: «Maps of odorant molecular features in the mammalian olfactory bulb», Physiology Rev 2006; 86: 409-433.
9. «Unravelling the sense of smell», Nobel lecture (December 8, 2004). Linda Buck. Howard Hughes Medical Institute, Fred Hutchinson Cancer Research.
10. Sell, C.S.: «Scent through the looking glass», Perspectives in flavour and fragrance research (67-88). Kraft, P. y Swift, K.A.D. (Eds). 2005.
11. Zarzo, M.: «Understanding the underlying dimensions in perfumer’s odor perception space as a basis to develop meaningful odor maps», Attention, Perception and Psychophysics 2009; 71(2): 225-247.
|
