La teoría de la vibración del olfato propone que el carácter olfativo de una molécula se debe a su frecuencia vibratoria en el rango infrarrojo. Esta controvertida teoría es una alternativa a la teoría de acoplamiento del olfato más ampliamente aceptada (anteriormente denominada teoría de la forma del olfato), que propone que el carácter olfativo de una molécula se debe a una gama de interacciones débiles no covalentes entre su receptor de olor proteico (encontrado en el epitelio nasal ), como interacciones electrostáticas y de Van der Waals , así como enlaces H , dipolo atracción, apilamiento pi , iones metálicos, interacción catión-pi y efectos hidrofóbicos , además de la conformación de la molécula. [1] [2] [3]
La teoría de la vibración actual se ha denominado recientemente modelo de "tarjeta magnética", en contraste con los modelos de "cerradura y llave" basados en la teoría de la forma. [4] Según lo propuesto por Luca Turin , la molécula odorífera debe encajar primero en el sitio de unión del receptor. [ cita requerida ] Entonces debe tener un modo de energía vibratoria compatible con la diferencia de energías entre dos niveles de energía en el receptor, para que los electrones puedan viajar a través de la molécula a través de un túnel de electrones inelásticos , lo que desencadena la vía de transducción de señales . [5] La teoría de la vibración se analiza en un libro popular pero controvertido de Chandler Burr. [6] [7]
El carácter del olor se codifica en la proporción de actividades de los receptores sintonizados con diferentes frecuencias de vibración, de la misma manera que el color se codifica en la proporción de actividades de los receptores de células cónicas sintonizados con diferentes frecuencias de luz. Sin embargo, una diferencia importante es que el odorizante debe poder volverse residente en el receptor para que se genere una respuesta. El tiempo que un odorizante permanece en un receptor depende de la fuerza con la que se une, lo que a su vez determina la fuerza de la respuesta; la intensidad del olor se rige por tanto por un mecanismo similar al modelo de "cerradura y llave". [5]Para una teoría vibracional pura, los olores diferentes de los enantiómeros, que poseen vibraciones idénticas, no se pueden explicar. Sin embargo, una vez que se reconoce el vínculo entre la respuesta del receptor y la duración de la residencia del odorizante en el receptor, se pueden entender las diferencias en el olor entre los enantiómeros: las moléculas con diferente sentido de la mano pueden pasar diferentes cantidades de tiempo en un receptor dado, y así iniciar respuestas. de diferentes intensidades.
Dado que hay algunas moléculas aromáticas de diferentes formas que huelen igual (p. Ej., Benzaldehído, que da el mismo aroma tanto a las almendras como al cianuro), el modelo de forma de "cerradura y llave" no es suficiente para explicar lo que está sucediendo. en. Los experimentos con el olfato, que tienen en cuenta la mecánica cuántica, sugieren que, en última instancia, ambas teorías podrían funcionar en armonía: primero las moléculas de olor deben encajar, como en la teoría de acoplamiento del modelo del olfato , pero luego las vibraciones moleculares de los enlaces químico / átomo se hacen cargo. . Entonces, en esencia, su sentido del olfato podría parecerse mucho más a su sentido del oído, donde su nariz podría estar 'escuchando' los enlaces acústicos / vibracionales de las moléculas de aroma.
Algunos estudios apoyan la teoría de la vibración, mientras que otros cuestionan sus hallazgos.
La teoría fue propuesta por primera vez por Malcolm Dyson en 1928 [8] y ampliada por Robert H. Wright en 1954, después de lo cual fue abandonada en gran medida a favor de la teoría de la forma competidora. Un artículo de 1996 de Luca Turin revivió la teoría al proponer un mecanismo, especulando que los receptores acoplados a proteína G descubiertos por Linda Buck y Richard Axel en realidad estaban midiendo las vibraciones moleculares utilizando un túnel de electrones inelásticos como afirmaba Turín, en lugar de responder al ajuste de claves moleculares. cerraduras moleculares, trabajando solo por la forma. [5] [9] En 2007, un artículo de Physical Review Letters de Marshall Stoneham y sus colegas enUniversity College London e Imperial College London demostraron que el mecanismo propuesto por Turín era consistente con la física conocida y acuñaron la expresión "modelo de tarjeta magnética" para describirlo. [10] Un artículo de PNAS en 2011 por Turín, Efthimios Skoulakis y sus colegas del MIT y el Centro de Investigación de Ciencias Biomédicas Alexander Fleming informaron experimentos de comportamiento de moscas consistentes con una teoría vibratoria del olfato. [11] La teoría sigue siendo controvertida. [3] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18]
Una predicción importante de la teoría de Turín es el efecto isotópico : que las versiones normal y deuterada de un compuesto deben oler diferente, aunque tengan la misma forma. Un estudio de 2001 de Haffenden et al. mostró que los humanos eran capaces de distinguir el benzaldehído de su versión deuterada. [19] [20] Sin embargo, este estudio ha sido criticado por carecer de controles doble ciego para eliminar el sesgo y porque utilizó una versión anómala de la prueba duo-trio . [21] En otro estudio, las pruebas con animales han demostrado que peces e insectos pueden distinguir isótopos por el olor. [22] [23] [24] [25]
La deuteración cambia los calores de adsorción y los puntos de ebullición y congelación de las moléculas (puntos de ebullición: 100,0 ° C para H 2 O frente a 101,42 ° C para D 2 O; puntos de fusión: 0,0 ° C para H 2 O, 3,82 ° C para D 2 O), p K a (es decir, constante de disociación : 9,71 × 10 −15 para H 2 O frente a 1,95 × 10 −15 para D 2 O, cf. Agua pesada ) y la fuerza de los enlaces de hidrógeno. Estos efectos isotópicos son muy comunes, por lo que es bien sabido que la sustitución del deuterio cambiará las constantes de unión de las moléculas a los receptores de proteínas.[26] Cualquier interacción de unión de una molécula de olor con un receptor olfativo probablemente mostrará algún efecto isotópico sobre la deuteración, y la observación de un efecto isotópico de ninguna manera aboga exclusivamente por una teoría vibracional del olfato.
Un estudio publicado en 2011 por Franco, Turín, Mershin y Skoulakis muestra que las moscas pueden oler el deuterio y que, para las moscas, un enlace carbono-deuterio huele a nitrilo , que tiene una vibración similar. El estudio informa que Drosophila melanogaster (mosca de la fruta), que normalmente se siente atraída por la acetofenona, espontáneamente no le gusta la acetofenona deuterada. Esta aversión aumenta con el número de deuterios. (Las moscas alteradas genéticamente para carecer de receptores olfativos no podían notar la diferencia). Las moscas también podrían ser entrenadas por descargas eléctricas para evitar la molécula deuterada o para preferirla a la normal. Cuando a estas moscas entrenadas se les presentó una opción completamente nueva y no relacionada de odorantes normales frente a deuterados, evitaron o prefirieron el deuterio como con el par anterior. Esto sugirió que las moscas podían oler el deuterio independientemente del resto de la molécula. Para determinar si este olor a deuterio se debía en realidad a las vibraciones del enlace carbono-deuterio (CD) oa algún efecto imprevisto de los isótopos, los investigadores buscaron nitrilos, que tienen una vibración similar al enlace CD.Las moscas entrenadas para evitar el deuterio y a las que se les pidió que eligieran entre un nitrilo y su contraparte no nitrilo evitaron el nitrilo, lo que respalda la idea de que las moscas huelen vibraciones.[25] Se están realizando más estudios sobre olores isotópicos en moscas de la fruta y perros. [27]
Carvone presentó una situación desconcertante a la teoría de la vibración. La carvona tiene dos isómeros , que tienen vibraciones idénticas, pero uno huele a menta y el otro a alcaravea (por lo que se llama el compuesto).
Un experimento de Turín filmado por el documental de 1995 de BBC Horizon "A Code in the Nose" consistió en mezclar el isómero de menta con butanona , basándose en la teoría de que la forma del receptor acoplado a proteína G impedía que el grupo carbonilo en el isómero de menta siendo detectado por el "espectroscopio biológico". El experimento tuvo éxito con los perfumistas entrenados utilizados como sujetos, quienes percibieron que una mezcla de 60% de butanona y 40% de carvona de menta olía a alcaravea.
Según el artículo original de Turín en la revista Chemical Senses , el olor bien documentado de los compuestos de borano es sulfuroso, aunque estas moléculas no contienen azufre . Propone explicar esto por la similitud de frecuencia entre la vibración del enlace BH y el enlace SH. [5] Sin embargo, se ha señalado que para el o- carborano, que tiene un estiramiento B-H muy fuerte a 2575 cm -1 , el "olor a cebolla del o- carborano comercial crudo es reemplazado por un agradable olor alcanforado en una cuidadosa purificación, reflejando el método para la preparación comercial de o-carborano de reacciones promovidas por sulfuro de dietilo con olor a cebolla, que se elimina en la purificación. " [3]
Las simulaciones biofísicas publicadas en Physical Review Letters en 2006 sugieren que la propuesta de Turín es viable desde el punto de vista de la física. [10] [28] Sin embargo, Block et al. en su artículo de 2015 en Proceedings of the National Academy of Sciences indican que su análisis teórico muestra que "el mecanismo de transferencia de electrones propuesto de las frecuencias vibratorias de los olores [10] podría ser fácilmente suprimido por los efectos cuánticos de los modos vibracionales moleculares no olorosos". [17]
Un artículo de 2004 publicado en la revista Organic Biomolecular Chemistry por Takane y Mitchell muestra que las descripciones de olores en la literatura del olfato se correlacionan con los descriptores de EVA, que corresponden libremente al espectro vibratorio, mejor que con los descriptores basados en la conectividad bidimensional de la molécula. El estudio no consideró la forma molecular. [29]
Turín señala que las interacciones tradicionales del receptor de cerradura y llave tratan con agonistas , que aumentan el tiempo que el receptor pasa en el estado activo, y antagonistas , que aumentan el tiempo que pasa en el estado inactivo. En otras palabras, algunos ligandos tienden a encender el receptor y otros tienden a apagarlo. Como argumento en contra de la teoría tradicional del olfato de candado y llave, se han encontrado muy pocos antagonistas olfativos.
En 2004, un grupo de investigación japonés publicó que un producto de oxidación del isoeugenol puede antagonizar o prevenir la respuesta del receptor olfativo de los ratones al isoeugenol. [30]
Tres predicciones de Luca Turin sobre la naturaleza del olfato, utilizando conceptos de la teoría de la vibración, fueron abordadas por pruebas experimentales publicadas en Nature Neuroscience en 2004 por Vosshall y Keller. [21] El estudio no apoyó la predicción de que los isótopos deberían oler diferente, con sujetos humanos no entrenados incapaces de distinguir la acetofenona de su contraparte deuterada. [10] [28] [34] Este estudio también señaló fallas de diseño experimental en el estudio anterior de Haffenden. [19]Además, la descripción de Turín del olor de los aldehídos de cadena larga como alternativamente (1) predominantemente ceroso y ligeramente cítrico y (2) predominantemente cítrico y ligeramente ceroso no fue respaldada por pruebas en sujetos no capacitados, a pesar del apoyo anecdótico de los profesionales de la industria de las fragancias que trabajan regularmente con estos materiales. Vosshall y Keller también presentaron una mezcla de guayacol y benzaldehído a los sujetos, para probar la teoría de Turín de que la mezcla debe oler a vainillina . Los datos de Vosshall y Keller no respaldaron la predicción de Turín. Sin embargo, Vosshall dice que estas pruebas no refutan la teoría de la vibración. [35]
En respuesta al estudio PNAS de 2011 sobre moscas, Vosshall reconoció que las moscas podían oler isótopos, pero calificó la conclusión de que el olfato se basa en vibraciones como una "sobreinterpretación" y expresó su escepticismo sobre el uso de moscas para probar un mecanismo originalmente atribuido a los receptores humanos. [27] Para que se confirme la teoría, Vosshall afirmó que deben realizarse más estudios sobre los receptores de los mamíferos. [36] Bill Hansson, un especialista en olfato de insectos , planteó la cuestión de si el deuterio podría afectar los enlaces de hidrógeno entre el odorizante y el receptor. [37]
En 2013, Turín y sus colaboradores confirmaron los experimentos de Vosshall y Keller que mostraban que incluso los sujetos humanos entrenados eran incapaces de distinguir la acetofenona de su contraparte deuterada. [38]Al mismo tiempo, Turín y sus colaboradores informaron que los voluntarios humanos pudieron distinguir la ciclopentadecanona de su análogo completamente deuterado. Para explicar los diferentes resultados observados con acetofenona y ciclopentadecanona, Turín y colaboradores afirman que "debe haber muchos enlaces CH antes de que sean detectables por el olfato. En contraste con la acetofenona, que contiene solo 8 hidrógenos, la ciclopentadecanona tiene 28. Esto da como resultado más de 3 veces el número de modos vibracionales que involucran hidrógenos que en acetofenona, y esto es probablemente esencial para detectar la diferencia entre isotopómeros ". [38] [39] Turín y colaboradores no proporcionan ninguna justificación mecánica cuántica para esta última afirmación.
Vosshall , al comentar el trabajo de Turín, señala que "las membranas olfativas están cargadas con enzimas que pueden metabolizar los olores, cambiando su identidad química y el olor percibido. Las moléculas deuteradas serían sustratos pobres para tales enzimas, lo que llevaría a una diferencia química en lo que los sujetos están probando. En última instancia, cualquier intento de probar la teoría vibracional del olfato debe concentrarse en los mecanismos reales a nivel del receptor, no en las pruebas psicofísicas indirectas ". [15] Richard AxelEl co-receptor del premio Nobel de fisiología 2004 por su trabajo sobre el olfato, expresa un sentimiento similar, indicando que el trabajo de Turín "no resolvería el debate - solo una mirada microscópica a los receptores en la nariz finalmente mostraría lo que está funcionando". Hasta que alguien realmente se siente y aborde seriamente el mecanismo y no las inferencias del mecanismo ... no parece un esfuerzo útil utilizar las respuestas conductuales como argumento ". [13]
En respuesta al artículo de 2013 sobre ciclopentadecanona, [38] Block et al. [17] informan que el receptor de reconocimiento de almizcle humano, OR5AN1, identificado mediante un sistema de expresión de receptor olfatorio heterólogo y que responde de manera robusta a la ciclopentadecanona y la muscona (que tiene 30 hidrógenos), 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 de ratón y humanos seleccionados, respondieron de manera similar a los isotopómeros normales, deuterados y de carbono 13 de sus respectivos ligandos, en paralelo con los resultados encontrados con el receptor de almizcle 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 ". [1] Mientras que 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 lo hace".t reconstituir adecuadamente la naturaleza compleja deolfato ... ", responde Vosshall " Las células renales embrionarias no son idénticas a las células de la nariz ... pero si estás mirando receptores, es el mejor sistema del mundo ". [40] En una carta al editor de PNAS, Turin et al. [41] plantean preocupaciones sobre Block et al. [17] y Block et al. responden. [42]
Recientemente, Saberi y Allaei han sugerido que existe una relación funcional entre el volumen molecular y la respuesta neural olfativa. El volumen molecular es un factor importante, pero no es el único factor que determina la respuesta de los ORN. La afinidad de unión de un par de receptores odorantes se ve afectada por sus tamaños relativos. La máxima afinidad se puede alcanzar cuando el volumen molecular de un odorizante coincide con el volumen de la bolsa de unión. [43] Un estudio reciente [44]describe las respuestas de las neuronas olfativas primarias en el cultivo de tejidos a los isótopos y encuentra que una pequeña fracción de la población (<1%) discrimina claramente entre los isótopos, algunos incluso dan una respuesta de todo o nada a los isotopómeros H o D de octanal. . Los autores atribuyen esto a las diferencias en la hidrofobicidad entre los odorantes normales y deuterados.