DISE

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DISEÑO DE AROMAS CUESTIÓN DE FUTURO

• FRANCESC MONTEJO
• I Simposium de Química Sensorial
• Barcelona, Octubre 2008

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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)

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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

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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

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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

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TEORÍA VIBRACIONAL

• Los receptores olfativos detectan las
  transiciones cuánticas vibracionales en las
  moléculas odorantes

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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-serina-glicina-leucina-leucina-alanina)
• El transporte de electrones a través de proteínas
  es un hecho conocido en biología. Las
  membrana-oxidoreductasas utilizan NADH en la
  reducción de oxígeno extracelular y transporte de
  electrones a distancias superiores a 5 nanómetros

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TEORÍA VIBRACIONAL

• Los receptores olfativos absorben energía IR en
  el rango
• aprox. 400-4000 cm-1

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

• Las proteínas del receptor adoptan varias
  conformaciones moleculares capaces de permitir el
  acoplamiento con una determinada molécula
  odorante
• 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)

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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

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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.