Smelling reality (I) Biochemistry of smell / Bioquímica del olfato

The English biochemist John E. Amoore, manifested in the late sixties that odorant molecules were recognized by the olfactory receptors like a lock recognizes a key. Recent discoveries in this field have helped to solve this problem: the human being has three hundred and fifty functional receptors, but specificity between odorant and receptor is not as high as initially thought. Thus, an odorant can activate different types of olfactory receptors, and instead each type of receptor is activated by different molecules.

Suppose you are in a garden in spring. There are hundreds of thousands of odorant molecules that float in the air. Odorant molecules exhibit different sizes and shapes. Some of the volatile molecules are trapped in a sea viscous mucus olfactory extracellular fluid aqueous nature. Due to the nature of this fluid is not all molecules will be able to dissolve or diffuse into it. Molecules capable of moving in this environment are those that have a certain polarity and can be solubilized in the liquid.

The molecules are interacting with different types of receptors, until they find one that is activated, like a key opens a lock. The receptors have a very peculiar: these proteins are about seven cylinders next to each other to cross the cell membrane. Each of these seven cylinders comprises an amino acid sequence, forming a helical structure. We could count to three hundred and fifty different models of locks.

The receptors are embedded in the cell membrane. As a consequence, they induce certain changes in a G-protein. The protein, found in the intracellular domain of the olfactory neuron, recognizes that the receptor has changed, resulting in a series of chain reactions that send electrical impulses to the olfactory bulb glomeruli.

Molecular biologists Richard Axel and Linda Buck of Columbia University in New York published in 1991 in the journal Cell a paper on the nature of the olfactory receptors for which they were awarded the Nobel Prize for Medicine 2004. In this study cloned and characterized 18 different members of a family of genes encoding a group of proteins capable of acting as olfactory receptors.

It was also shown that an olfactory receptor can recognize several different odorant molecules, and that an odorant molecule can, in turn, be recognized by multiple receptors. The findings obtained showed that the olfactory system works so that different olfactory receptors work through a combinatorial code.

With only 26 letters of the alphabet we are able to communicate with thousands of words a different meaning. Similarly, with a limited number of receptors can perceive thousands of different odors. The different olfactory receptors behave like the letters of an alphabet, as we have seen. In our case it is an alphabet of some 350 letters. Each word in the brain represents a unique olfactory sensation. This mechanism gives an idea of the enormous power of the model described discriminatory.

It has been observed the inhibitory effect of certain molecules to compete with others for a particular junction. In pharmacology it is frequently the phenomenon of antagonism when a perfume or flavoring made a new product is very difficult sometimes to predict the sensory result minor changes in formulation. The marked inhibitory effects may be responsible, in many cases, the alterations.

Within the olfactory bulb, electric thousands of messages from neurons in the olfactory epithelium converge at points of assembly or spherical collectors called glomeruli. Each glomerulus contains information of a specific range of odorants that share similar molecular characteristics. Glomeruli with similar molecular ranges are located near each other, forming clusters or groupings in cluster form.

The three-dimensional distribution of glomeruli in the olfactory bulb is not random, but reflects a molecular logic that allows reading patterns of families of odorant substances by the olfactory software. This three-dimensional arrangement is a key factor for the brain to process this information. The electrical impulses from the same type of receptor clustering and will travel together by a neural highways called axons.

Through synaptic connections between mitral neurons  information travels to the olfactory cortex.There is handled by special computer software, made up of many neural networks that convey valuable information. In the cerebral cortex, hippocampus and other brain regions are exchanged millions of "bits" of information in milliseconds.

The inputs from each glomerulus diverge to multiple areas of the olfactory cortex, which allows parallel processing of the signals are combined or modulated in different ways before being sent to different brain regions with different functions. In this example, the final result of the sense of smell is a pleasant smell of flowers.

The olfactory perceptions are not due exclusively to chemical stimuli of odorant molecules but are the sum total of sensory perception. In this perception also converge stimuli from other senses such as vision, touch, taste and trigeminal nerves. In the future we have a map olfactory that can compare with the sensory maps of odors that have been proposed by different authors.

NOTE:  In the photo, Linda Buck and Francesc Montejo in the 17 th Congress of European Chemoreception Reaserch Organitation, celebrated in Granada ( Spain)  in 2006.

In the illustration, odorant molecules of diferent shapes activating olfactory receptors.

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El bioquímico inglésJohn E Amoore manifestaba a finales de los años sesenta que las moléculas odorantes eran reconocidas por los receptores olfativos igual que una cerradura reconoce a una llave. Los recientes descubrimientos en este campo han permitido resolver este problema: el ser humano tiene unos trescientos cincuenta receptores funcionales, pero la especificidad entre odorante y receptor no es tan elevada como inicialmente se pensaba. De esta forma, un odorante es capaz de activar distintos tipos de receptores olfativos, y por el contrario cada tipo de receptor es activado por distintas moléculas.

Imaginemos que estamos en un jardín en primavera. Hay cientos de miles de moléculas odorantes que flotan en el aire. Las moléculas odorantes exhiben distintos tamaños y formas. Algunas de las moléculas volátiles quedan atrapadas en un mar viscoso, el moco olfativo, un fluido extracelular de naturaleza acuosa. Debido a las características de este fluido no todas las moléculas serán capaces de disolverse o difundirse en el mismo. Las moléculas capaces de moverse en este medio son las que disfrutan de cierta polaridad y pueden solubilizarse en el líquido.

Las moléculas van interaccionando con los distintos tipos de receptores, hasta que encuentran alguno que se activa, al igual que una llave abre una cerradura. Los receptores tienen una forma muy peculiar: estas proteínas son como siete cilindros uno al lado del otro que atraviesan la membrana celular. Cada uno de estos siete cilindros está constituido por una secuencia de aminoácidos, formando una estructura helicoidal. Podríamos contar hasta unos trescientos cincuenta modelos de cerraduras distintas.

Los receptores están enclavados en la membrana celular. Como consecuencia se inducen ciertos cambios en una proteína G. Dicha proteína, que se encuentra en el dominio intracelular de la neurona olfativa, reconoce que el receptor ha cambiado de forma, lo cual ocasiona una serie de reacciones en cadena que envían impulsos eléctricos a los glomérulos del bulbo olfativo.

Los biólogos moleculares Richard Axel y Linda Buck de la universidad de Columbia de Nueva York publicaron en 1991 en la revista Cell un artículo sobre la naturaleza de los receptores olfativos por el que se les concedió el Premio Nobel de Medicina 2004. En este trabajo clonaron y caracterizaron 18 distintos miembros de una familia de genes que codificaban un grupo de proteínas capaces de actuar como receptores olfativos.

Se demostró también que un receptor olfativo puede reconocer varias moléculas odorantes distintas y que una molécula odorante puede, a su vez, ser reconocida por varios receptores. Las conclusiones obtenidas mostraban que el sistema olfativo actúa de manera que los distintos receptores olfativos funcionan por medio de un código combinatorio.

Con sólo 26 letras del alfabeto somos capaces de comunicar miles de palabras con un significado diferente. De forma parecida, con un limitado número de receptores podemos percibir miles de olores diferentes. Los diferentes receptores olfativos se comportan como las letras de un alfabeto, como hemos visto. En nuestro caso se trata de un alfabeto de unas 350 letras. Cada palabra en el cerebro representará una sensación olfativa única. Este mecanismo nos da idea de la enorme potencia discriminatoria del modelo descrito.

Se ha observado el efecto inhibidor de ciertas moléculas al competir con otras por un determinado punto de unión. En farmacología es frecuente el fenómeno del antagonismo Cuando un perfumista o un aromista formula un nuevo producto es muy difícil, a veces, prever el resultado sensorial de introducir pequeños cambios en la formulación. Los efectos inhibidores señalados pueden ser los responsables, en muchas ocasiones, de tales alteraciones.

En el interior del bulbo olfativo, miles de mensajes eléctricos procedentes de las neuronas del epitelio olfativo convergen en puntos de reunión o colectores esféricos llamados glomérulos. Cada glomérulo recoge la información de un rango concreto de odorantes que comparten características moleculares similares. Glomérulos con rangos moleculares parecidos están localizados unos cerca de otros, formando clusters o agrupaciones en forma de racimo.

La distribución tridimensional de los glomérulos en el bulbo olfativo no es aleatoria, sino que obedece a una lógica molecular que permite la lectura de patrones de familias de sustancias odorantes por parte del software olfativo. Esta disposición tridimensional es un factor clave para que el cerebro pueda procesar esta información. Los impulsos eléctricos procedentes de un mismo tipo de receptor se van agrupando y viajan juntos por unas autopistas neuronales llamadas axones.

A través de conexiones sinápticas entre las neuronas mitrales la información viaja al córtex olfativo. Allí es procesada por un computador extraordinario que utiliza el software más increíble que podamos imaginar, formado por numerosas redes neuronales que transmiten información valiosa. En el córtex cerebral, el hipocampo y otras partes del cerebro, se intercambian millones de “bits” de información en milésimas de segundo.

Los inputs procedentes de cada glomérulo divergen hacia múltiples áreas del córtex olfativo, lo cual permite un procesado en paralelo de las señales que son combinadas o moduladas de diferentes formas antes de ser enviadas a distintas regiones cerebrales con funciones diversas. En este ejemplo, el resultado de final de la percepción olfativa es un agradable olor a flores.

Las percepciones olfativas no obedecen exclusivamente a los estímulos químicos de las moléculas odorantes sino que son la suma global de una percepción sensorial. En dicha percepción también confluyen estímulos procedentes de otros sentidos como la visión, el tacto, el gusto y de los nervios trigéminos. En un futuro podremos disponer de un mapa olfativo que se podrá comparar con los mapas sensoriales de olores que han propuesto distintos autores.



NOTA: En la foto, Linda Buck y Francesc Montejo en el 17 Congreso de la Sociedad Europea de Quimiorecepción, celebrado en Granada, el año 2006.

En la ilustración, moléculas odorantes de distintas formas activando receptores olfativos.