martes, 27 de abril de 2010

La mecanica cuántica del olfato


El olfato es el más misterioso de los sentidos y es erróneamente considerado como insignificante por la mayoría de la gente. El sentido del gusto, por ejemplo, consiste en gran parte del olfato - intente no aspirar olores nariz la próxima vez que usted come - y la reciente identificación de los receptores de feromonas putativas en humanos sugiere que el olfato afecta el comportamiento en caminos aún desconocidos .

La nariz humana, mientras no es tan sensible, como por ejemplo, la de un perro, detecta concentraciones muy bajas de moléculas odoríferas que se difunden a través del aire. El evento inicial en el proceso del olfato es el reconocimiento de una molécula de olor por los receptores olfativos, que son proteínas que se encuentran en el epitelio olfatorio. receptores olfativos son transductores -convierten la "información" en las moléculas odorantes en señales eléctricas que son enviadas al cerebro. Sólo cuando estas señales son procesadas en la corteza olfativa experimentamos el olor.

Mientras que el procesamiento de orden superior generado por receptores olfativos es relativamente bien conocido, se sabe muy poco sobre cómo los receptores traducen la información contenida en olores en señales eléctricas. Siempre se ha asumido que los receptores olfativos funcionan de la misma manera que los receptores de otros - a través de un  mecanismo'llave'-. De acuerdo con este modelo ya establecido para la interacción de un receptor con su ligadura (la molécula que se une a ella), el receptor reconoce la forma tridimensional de la ligadura y sólo puede ser activado por esa molécula específica. Por lo tanto, en la mayoría de los casos, la señal de traducción se inicia con un evento de reconocimiento molecular.

En el caso del olfato, sin embargo, hay un problema. Un número finito de receptores olfativos reconoce un número aparentemente infinito de moléculas de olor. Así, aunque la forma y el tamaño de olores se sabe que es importante, los receptores olfativos también deben poseer alguna otra propiedad de detección para las sustancias odorantes.

A mediados de la década de 1990, Luca Turín, un biofísico que estaba entonces en la Universidad College de Londres, propuso un nuevo mecanismo para la tranducción de receptores olfativos. Pocas personas saben más acerca de cómo la nariz diferencia entre uno y otro olor que Turín. Debido a su experiencia en el olfato,  la casas de perfume francés Turín lo ha consultado acerca de sus nuevas fragancias.

En la UCL, oficina de Turín que emplea como laboratorio improvisado pasa gran parte de su tiempo en la sala larga y estrecha, sus paredes forradas de suelo a techo con botellas de perfume, sin descanso investigado la relación entre las estructuras de miles de compuestos aromáticos y sus olores. Su hipótesis fue publicado en la revista Chemical Senses:

... Receptores olfativos no responden a la forma de las moléculas, sino a sus vibraciones. [La teoría proporciona] un mecanismo detallado y plausible para la transducción biológica de las vibraciones moleculares: un túnel de electrones inelástica.

En un sistema no-biológicos, un túnel de electrones inelástica es "una forma no-óptica de la espectroscopia vibracional [que] se basa en la interacción entre los electrones de un túnel a través de una estrecha abertura entre los electrodos metálicos y una molécula en el espacio". En un sistema biológico, como el sistema olfativo, se trataría de un túnel de un electrón entre una molécula donante adecuada y residuos específicos, como aminoácidos con carga eléctrica dentro de los receptores olfativos.

La hipótesis de Turín no es controvertida -él dice que fue "ignorada en lugar de críticada"-. Pero ahora, en un artículo publicado en Physical Review Letters, Stoneham Marshall y sus colegas, de la UCL Departamento de Física y Astronomía, informan que han realizado cálculos que indican que la hipótesis de Turín es factible:

Probamos la viabilidad del mecanismo de [Turín] con un modelo simple, pero en general. El uso de valores de los parámetros en línea con los de otros sistemas biomoleculares, nos encontramos con el mecanismo propuesto es coherente tanto con la física subyacente y las características observadas del olfato, siempre que el receptor tiene ciertas cualidades.

El documento ha generado un cierto interés en la hipótesis de Turín. Y Turín, por supuesto, siempre ha sido firme en que su teoría es correcta. Hace varios años, estableció Flexitral, una empresa que diseña las moléculas de olor para su uso por la industria del perfume. En la sede de la compañía en Chantilly, Virginia, Turín y sus colegas han estado utilizando la teoría para predecir el olor de las moléculas de olor antes de sintetizarlos. La hipótesis de Turín explica no sólo cómo un número limitado de receptores olfativos puede detectar un número mucho mayor de olores, sino también por qué olores con estructuras moleculares muy similares puede oler muy diferentes, y por el contrario, ¿por qué moléculas con estructuras diferentes pueden tener olores similares?

Con el fin de obtener una cierta comprensión de la hipótesis de Turín, primero tenemos que examinar la estructura de los receptores olfativos. Los receptores olfativos fueron clonados por primera vez por Buck y Axel en 1991. En los mamíferos, los receptores olfativos son G-receptores acoplados a proteínas (GPCR). Los GPCRs constituyen la mayor superfamilia de proteínas conocidas. Los ratones tienen alrededor de 900 genes que codifican 1.200 receptores odoríferos  y los humanos tienen unos 350 genes de los receptores. GPCRs se incrustan en la membrana de las células olfativas, y tienen un motivo distintivo estructurales: la secuencia de aminoácidos de los cuales se componen.

GPCRs se nombran así porque contactan a proteínas intracelulares llamadas proteínas G de transducción de señales sensoriales. El mecanismo exacto de acción de GPCRs es desconocida, pero muy básicamente, se presenta de la siguiente manera. Cuando el receptor está inactivo, tiene un inactiva la proteína G unida a su superficie intracelular. La unión de un ligando a la superficie extracelular del receptor provoca un cambio conformacional en el receptor, que da lugar a la proteína G se active. La proteína G activada se libera de los receptores olfativos, luego une y activa a otras moléculas de proteína dentro de la célula, iniciando una cadena de reacciones bioquímicas.

Según la hipótesis de Turín, los receptores olfatorios actúan como espectroscopios biológicos, con la transducción de estímulos olfativos en función de la detección de la actividad en la escala subatómica. Turín propone que la unión de un odorante en el túnel de electrones inelásticos, por el que un electrón se transfiere de una molécula donante al receptor. El túnel de electrones activa el receptor y hace que el olor vibre. Son estos patrones de vibraciones específicos para el olor y que son detectados por los receptores olfativos. Incluso la más mínima diferencia en su estructura molecular por lo tanto produce un espectrograma de vibración diferente. En conjunto, la serie de receptores en el epitelio olfatorio cubren todo el espectro de vibración y por lo tanto puede detectar todos los olores posibles.

Entonces, ¿qué evidencia hay de que un túnel de electrones tiene lugar en los receptores olfativos? Como se mencionó anteriormente, Turín está utilizando con éxito su modelo para predecir el olor de los productos químicos antes de que se sintetizan. Turín tiene la teoría en la hace una serie de predicciones sobre las propiedades funcionales de los receptores olfativos. En primer lugar, porque la mayoría de olores no pueden someterse a la reducción-oxidación (o intercambio de electrones), en las reacciones los receptores deben obtener los electrones para hacer un túnel de otra fuente, tal vez un portador de electrones soluble o una enzima. Y, como muchas enzimas que requieren la transferencia de electrones de enlace de los iones metálicos, los receptores olfativos también se puede esperar que tienen sitios de unión de metales.

Análisis de secuencias de ADN de los receptores olfativos demuestra que estas predicciones son correctas. Los receptores olfativos que se han secuenciado ahora se sabe contienen un sitio de unión de una molécula llamada nicotanamide fosfato dinucleótido adenina (NAD (P) H), una molécula cofactor que se une a las enzimas y los electrones de intercambio con ellos. Análisis de la secuencia también muestra que los receptores olfativos tienen secuencias que están estrechamente relacionadas con él y que funcionan como sitios de unión de zinc. El zinc es conocido por estar involucrada en el olfato, como una deficiencia de los resultados de metal en la anosmia temporal, reversible (incapacidad para oler), pero su papel exacto no está claro. Turín sugiere que los sitios de unión de zinc en los receptores olfativos están involucrados en la unión a proteínas G, y que los iones de zinc se contribuirá a una moleculares "puente" a través del cual túnel de electrones durante el proceso de transducción.

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