DISEÑO DE AROMAS: CUESTIÓN DE FUTURO FRANCESC MONTEJO I Simposium de Química Sensorial

DISEÑO DE AROMAS:
CUESTIÓN DE FUTURO

FRANCESC MONTEJO

I Simposium de Química Sensorial

Barcelona, Octubre 2008
1
DISEÑO DE AROMAS

Definición de aroma

Análisis de aromas

Formulación de aromas

Síntesis de moléculas aromáticas
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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?
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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?
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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
5
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)
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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)
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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.)
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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.
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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
10
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
11
CODIFICACIÓN OLFATIVA

Una molécula odorante puede ser reconocida por varios receptores

Un receptor olfativo puede reconocer a varias moléculas odorantes
distintas
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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
13
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
14
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
15
CODIFICACIÓN OLFATIVA

Linda Buck y colaboradores comprobaron también que ligeros cambios
la 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
16
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
17
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)
18
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
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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
20
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
21
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
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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
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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
24
TEORÍA VIBRACIONAL

Los receptores olfativos detectan las
vibracionales en las moléculas odorantes
transiciones
cuánticas
25
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-serinaglicina-leucina-leucina-alanina)

El transporte de electrones a través de proteínas es un
hecho conocido en biología. Las membranaoxidoreductasas utilizan NADH en la reducción de
oxígeno extracelular y transporte de electrones a
distancias superiores a 5 nanómetros
26
TEORÍA VIBRACIONAL

Los receptores olfativos absorben energía IR en el rango
aprox. 400-4000 cm-1
27
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
28
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
29
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
30
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
31
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
32
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
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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)
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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
35
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
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RECEPCIÓN OLFATIVA PRIMARIA
o
Las proteínas del receptor adoptan varias conformaciones moleculares
capaces de permitir el acoplamiento con una determinada molécula
odorante
o
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
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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.
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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
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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)
40
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
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CONCLUSIONES

Actualmente disponemos de muchos indicios que apuntan a que la
nueva teoría 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
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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
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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
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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)
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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)
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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
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MODELO DEL CANDADO
COMBINATORIO

Glomérulos con rangos moleculares similares están
localizados unos cerca de otros, formando clusters o
racimos
48
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
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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.
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