REUK & SMAAK: Wat gebeurt er in een geurreceptor?
Wat er precies gebeurt in een geurreceptor weten we niet. Maar we kunnen wel proberen om uit de effecten van een interactie van een geurstof met zo'n receptor enkele veronderstellingen af te leiden over wat er mogelijk gebeurd is.
Sinds de fundamentele onderzoekingen van Buck en Harper (Nobelprijswinnaars in 2004) omtrent het primaire mechanisme van de geurwaarneming in 1991 en enkele tientallen publicaties daarna weten we meer over de identiteit, de plaats en de vorm van geur-receptoren.
Geurreceptor zijn zogenaamde G(uanine)-proteïnes, die zich bevinden in de wanden van de uitlopers (cilia) van geurcellen op het reukepithelium in de neus. Deze G-proteines zijn lange eitwitten gevormd uit 300-350 aminozuren. Deze eiwitten slingeren zich zeven-maal in een spiraalvorm door de celwanden en heten daarom zeven-trans-membraan-domein proteïnes. Het ene eindstuk van de aminozuurketen bevindt zich met een vrije aminogroep buiten de cel en het andere met een carboxyl (zuur) groep er binnen. Het is niet alleen de identiteit maar ook de vorm van de eiwitten die een rol spelen bij de geurwaarneming.
Schematische voorstelling van een zeven transmembraan domein proteine
De mens heeft ongeveer duizend verschillende genen, die G-proteïnes zouden kunnen vormen. Van deze genen zijn er bij de mens echter maar circa 350 actief, met andere woorden we bezitten ongeveer 350 verschillende G-proteïnes.
Onderzoek, eveneens door Buck en medewerkers, heeft aangetoond, dat er bij een interactie van een enkelvoudige vluchtige verbinding of geurstof, slechts een beperkt aantal (5-10) verschillende proteïnes een rol spelen. Bij deze interactie is dus sprake van een combinatoriëel effect. Dat is de reden dat met de 350 verschillende eiwitten duizenden verschillende geuren kunnen worden waargenomen.
De interactie van een geurstofmolecuul en een receptoreiwit is unimoleculair, d.w.z. per receptormolecuul is slecht één geurstofmolecuul betrokken. Een molecuul is het kleinste deeltje van een stof, waarin nog alle eigenschappen van die stof aanwezig zijn. Onder die eigenschappen vallen uiteraard de geurende (olfactische) en geurende & smakende (organoleptische). Nu heeft elk molecuul twee fundamentele fysisch-chemische eigenschappen, te weten het heeft een bepaalde ruimtelijke vorm (grootte, volume, profiel) en een bepaalde polariteit (electrische ladingsverdeling).
Men veronderstelt dat de interactie van de geurstof met de receptor plaats vindt in de spiralen van het eiwit in de celwand. Deze spiralen zouden wel eens enigszins flexibel kunnen zijn, waardoor ze als het ware de vorm en de polariteit van het geurstofmolecuul kunnen aftasten. Na deze aftasting of palpatie vindt een snelle opeenvolging van handelingen in de cel plaats waardoor deze zich ontlaadt, het zogenaamde 'vuren' van de cel. Dit 'vuren' is het afgeven van snelle elektrische stroompjes naar hoger gelegen hersendelen.
De aftasting door een stukje eiwit van een geurstof kan men vergelijken met de palpatie van een blinde van het brailleschrift, waarna ook een zeer snelle respons (verbale uiting) volgt. Als het stukje receptoreiwit dan de ruimtelijkheid en de ladingsverdeling van een geurstof molecuul kan aftasten en een geurwaarnemende (verbale) respons geven, dan zouden bepaalde verschillende geurstoffen met identieke ruimtelijke en electronische eigenschappen ook enigszins identieke geuren moeten hebben. Dit is ook het geval.
We hebben gevonden dat men in verschillende geurstofmoleculen ruimtelijke (volume en vorm) en electronische (functionele groepen) delen kan vervangen, zonder dat de geur aanmerkelijk verandert. Zo kan men in vluchtige reukstoffen methyl uitwisselen met chloor, isobutenyl met fenyl, isoamyl met cyclohexyl, ethenyl met zwavel, aldehyde met nitril, acetyl met nitro etc, waarbij de geuren niet erg sterk veranderen. Verschillende producten met isostere (= ruimtelijk overeenkomende) en/of isoelektronische (= elektrische lading overeen-komende) moleculaire structuren kunnen overeenkomstige geuren hebben.