La teoría del acoplamiento del olfato propone que el olor de una molécula odorífera se debe a una serie de interacciones débiles no covalentes entre el odorizante [un ligando] y su receptor odorífero proteico (que se encuentra en el epitelio nasal ), como la electrostática y la de Van der. Interacciones de Waals , así como enlaces de H , atracción de dipolos , apilamiento de pi , iones metálicos, interacción catión-pi y efectos hidrófobos , además de la conformación odorífera. [1] [2] Si bien este tipo de reconocimiento se ha denominado anteriormente la teoría de la forma del olfato , [3] que considera principalmente la forma y el tamaño moleculares, este último modelo está muy simplificado ya que dos moléculas de olor pueden tener formas y tamaños similares pero diferentes conjuntos de fuerzas intermoleculares débiles y, por lo tanto, activar diferentes combinaciones de receptores odorantes . Los modelos anteriores de "candado y llave" y "mano a mano" de unión proteína-ligando han sido reemplazados por imágenes más matizadas que consideran la distorsión de moléculas flexibles para formar interacciones óptimas con socios de unión como en el acoplamiento molecular de no- olfativo receptores acoplados a proteína G .
Historia
En 1949, RW Moncrieff publicó un artículo en American Perfumer titulado "Qué es el olor: una nueva teoría", que utilizó la noción de Linus Pauling de interacciones moleculares basadas en formas para proponer una teoría del olor basada en formas. [4] Esto reemplazó a la antigua teoría de vibración del olfato y, renombrada como la teoría de acoplamiento del olfato para reflejar con mayor precisión una gama de interacciones no covalentes además de la forma, sigue siendo la teoría principal, tanto en la química comercial de fragancias como en la biología molecular académica. . Tres años después de que Moncrieff propusiera la teoría, John Amoore especuló además que los más de diez mil olores distinguibles por el sistema de olfato humano eran el resultado de la combinación de siete olores primarios básicos que se correlacionan con los receptores de olor para cada uno, tanto como el espectro de colores percibidos en la luz visible. se genera mediante la activación de tres receptores de color primarios. [5] Los siete olores principales de Amoore incluían sudoroso, espermático, a pescado, maltoso, urinario y almizclado. Su trabajo más convincente lo realizó sobre el olor alcanforado, para lo cual postuló una cavidad hemisférica en la que se podían unir moléculas esféricas, como alcanfor , ciclooctano y naftaleno .
Cuando Linda Buck y Richard Axel publicaron su investigación ganadora del Premio Nobel sobre los receptores olfativos en 1991, identificaron en ratones 1,000 receptores acoplados a proteína G utilizados para el olfato. [6] Dado que todos los tipos de receptores de proteína G actualmente conocidos se activan mediante la unión (acoplamiento) de moléculas con conformaciones (formas) muy específicas e interacciones no covalentes, se supone que los receptores olfativos operan de manera similar. La investigación adicional sobre los sistemas olfativos humanos identificó 347 receptores olfativos.
Una versión reciente de la teoría de la forma anteriormente nombrada, también conocida como teoría de odótopos o teoría de la forma débil, sostiene que una combinación de receptores activados es responsable de cualquier olor, a diferencia del modelo anterior de un receptor, una forma, un olor. Los receptores en el modelo de odótopos reconocen solo pequeñas características estructurales en cada molécula, y el cerebro es responsable de procesar la señal combinada en un olor interpretado. Gran parte del trabajo actual sobre la teoría del acoplamiento se centra en el procesamiento neuronal, más que en la interacción específica entre el olor y el receptor que genera la señal original. [7]
Apoyo
Se han realizado numerosos estudios para dilucidar la compleja relación entre el acoplamiento de una molécula olorosa y su carácter olfativo percibido, y los químicos de fragancias han propuesto modelos de estructura para los olores de ámbar, sándalo y alcanfor, entre otros.
Un estudio de Leslie B. Vosshall y Andreas Keller, publicado en Nature Neuroscience en 2004, probó varias predicciones clave de la teoría de la vibración en competencia y no encontró apoyo experimental para ella. [8] [9] Los datos fueron descritos por Vosshall como "consistentes con la teoría de la forma", aunque agregó que "no prueban la teoría de la forma". [10]
Otro estudio también mostró que el volumen molecular de los olores puede determinar los límites superiores de las respuestas neurales de los receptores olfativos en Drosophila . [11]
Un artículo de Chemical & Engineering News de 2015 sobre el debate de "forma" versus "vibración" señala que en la "enconada controversia de casi dos décadas ... por un lado están la mayoría de los científicos sensoriales que argumentan que nuestros receptores odorantes detectan moléculas de olor específicas sobre la base de sus formas y propiedades químicas. Por otro lado, hay un puñado de científicos que postulan que un receptor de olor detecta las frecuencias vibratorias de una molécula de olor ". [12] El artículo indica que un nuevo estudio, dirigido por Block et al., Apunta a la teoría vibracional del olfato, sin encontrar evidencia de que los receptores olfativos distingan los estados vibracionales de las moléculas. Específicamente, Block et al. [13] informan de que el receptor de reconocimiento de almizcle humano, OR5AN1, identificado mediante un sistema de expresión de receptor olfatorio heterólogo y que responde con firmeza a la ciclopentadecanona y la muscona , no distingue los isotopómeros de estos compuestos in vitro. Además, el receptor de reconocimiento de (metiltio) metanotiol de ratón, MOR244-3, así como otros receptores olfativos humanos y de ratón seleccionados , respondieron de manera similar a los isotopómeros normales, deuterados y de carbono 13 de sus respectivos ligandos, lo que coincide con los resultados encontrados con el almizcle. receptor OR5AN1. Con base en estos hallazgos, los autores concluyen que la teoría de la vibración propuesta no se aplica al receptor de almizcle humano OR5AN1, al receptor de tiol de ratón MOR244-3 u otros receptores olfativos examinados. Además, el análisis teórico de los autores muestra que el mecanismo de transferencia de electrones propuesto de las frecuencias vibratorias de los olores podría ser fácilmente suprimido por los efectos cuánticos de los modos vibracionales moleculares no olores. Los autores concluyen: "Estas y otras preocupaciones sobre la transferencia de electrones en los receptores olfativos , junto con nuestros extensos datos experimentales, argumentan en contra de la plausibilidad de la teoría de la vibración".
Al comentar este trabajo, Vosshall escribe: "En PNAS, Block et al ... desplazan el debate" forma versus vibración "de la psicofísica olfativa a la biofísica de los propios quirófanos. Los autores montan un sofisticado ataque multidisciplinario sobre los principios centrales de la teoría de la vibración utilizando química orgánica sintética, expresión heteróloga de receptores olfativos y consideraciones teóricas para no encontrar evidencia que apoye la teoría de la vibración del olfato ". [3] Aunque Turín comenta que Block usó "células en un plato en lugar de dentro de organismos completos" y que "expresar un receptor olfativo en células renales embrionarias humanas no reconstituye adecuadamente la naturaleza compleja del olfato ..." Vosshall responde "Embryonic las células del riñón no son idénticas a las células de la nariz ... pero si está buscando receptores, es el mejor sistema del mundo ". [12]
Desafíos
- A pesar de numerosos estudios, la teoría del acoplamiento aún tiene que descubrir relaciones estructura-olor con gran poder predictivo. [14]
- Las moléculas de formas similares con diferentes vibraciones moleculares tienen diferentes olores ( experimento de metaloceno y reemplazo de deuterio del hidrógeno molecular ). [15] En el experimento del metaloceno , Turín observa que mientras que el ferroceno y el níquelceno tienen casi las mismas estructuras moleculares en sándwich, poseen olores distintos. Sugiere que "debido al cambio de tamaño y masa, diferentes átomos de metal dan diferentes frecuencias para las vibraciones que involucran a los átomos de metal", [15] una observación que es compatible con la teoría de la vibración. Sin embargo, se ha observado que, en contraste con el ferroceno, el níquelloceno se descompone rápidamente en el aire y el olor a cicloalqueno observado para el níquelceno, pero no para el ferroceno, podría simplemente reflejar la descomposición del níquelceno dando trazas de hidrocarburos como el ciclopentadieno. [2] El desafío con respecto al olor de moléculas con estructuras similares es contrario a los resultados obtenidos con los análogos de silicio de bourgeonal y lilial , que a pesar de sus diferencias en vibraciones moleculares tienen olores similares y de manera similar activan el receptor humano más sensible, hOR17-4, [ 16] con estudios que muestran que los humanos almizcle OR5AN1 receptor responde de forma idéntica a deuterados y nondeuterated almizcles [13] y con la comparación de una sola neurona de la respuesta del receptor olfativo a odorantes deuterados y nondeuterated. [17]
- Las moléculas de formas diferentes con vibraciones moleculares similares tienen olores similares (reemplazo de dobles enlaces de carbono por átomos de azufre y los olores ambarinos de formas dispares).
- Ocultar grupos funcionales no oculta el olor característico del grupo. Sin embargo, este no es siempre el caso, ya que los arilisonitrilos sustituidos en orto [18] y los tiofenoles [19] tienen olores mucho menos desagradables que los compuestos originales.
- Las moléculas muy pequeñas de forma similar, que parecen confundirse con un sistema basado en la forma, tienen olores extremadamente distintivos, como el sulfuro de hidrógeno . Sin embargo, se ha sugerido que metales tales como Cu (I) pueden estar asociados con un sitio metaloreceptor en el olfato de volátiles de olor fuerte que también son buenos ligandos de coordinación de metales, tales como tioles. [20] [21] Esta hipótesis se confirmó en los casos específicos de receptores olfativos humanos y de ratón sensibles al tiol. [22] [23]
- Se afirma que las descripciones de olores en la literatura del olfato se correlacionan más fuertemente con sus frecuencias vibratorias que con su forma molecular. [24]
Ver también
- Teoría de los odótopos
- Teoría de la vibración del olfato
Referencias
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