Die Chemie von Geruch und Geschmack

Im Frühjahr 1991 standen in den oberen Stockwerken des Hammer Health Sciences Center der Columbia University in New York zwei Forscher vor einem Gel und starrten darauf. Linda Buck und Richard Axel hatten eine raffinierte Variante der Polymerase-Kettenreaktion durchgeführt, mit degenerierten Primern (kurzen DNA-Sonden, die bewusst mit etwas Spielraum in ihrer Sequenz gebaut wurden, damit sie sich an viele verwandte Gene gleichzeitig anlagern konnten) gegen komplementäre DNA aus Nasengewebe von Ratten. Was aus diesem Gel hervorging, war der erste Blick auf eine große, bislang unbekannte Genfamilie für olfaktorische Rezeptoren, die Proteinmaschinen, die einem Tier das Riechen ermöglichen. In diesem Augenblick hörte die Chemie des Geruchs auf, ein vages Rätsel zu sein, und wurde zu einem fassbaren Problem der Molekularbiologie.

Genau dieser Wandel ist das Thema dieses Artikels. Wir neigen dazu, Geruch, Geschmack, Sehen und das Brennen einer Chilischote als getrennte und ein wenig magische Erfahrungen zu behandeln, doch unter jeder von ihnen steckt ein Stück gut verstandener Chemie: ein Molekül, oder ein Lichtteilchen, das auf ein Protein trifft und dessen Form verändert. Die Frage, die dieser Artikel beantwortet, lautet, wie eine aus Molekülen bestehende Welt in die elektrische Sprache des Gehirns übersetzt wird, und warum die Antwort sich als im Grunde dieselbe Geschichte erweist, die auf vier verschiedene Arten erzählt wird.

Was ein Sinnesrezeptor tatsächlich tut

Jeder Ihrer Sinne hängt von einer bestimmten Art von Protein ab, das man Sinnesrezeptor nennt. Ein Sinnesrezeptor ist ein Protein, das einen physikalischen oder chemischen Reiz in ein elektrisches Signal innerhalb eines Neurons umwandelt. Der Reiz kann ein Molekül Kaffeearoma sein, das in Ihre Nase aufsteigt, ein Natriumion, das auf Ihrer Zunge landet, oder ein einzelnes Lichtteilchen, das auf die Rückseite Ihres Auges trifft. Was auch immer der Input ist, die Aufgabe des Rezeptors bleibt dieselbe, nämlich eine Spannungsänderung über die Membran einer Nervenzelle hervorzurufen, denn Spannung ist die einzige Währung, mit der das Nervensystem handelt.

Die Rezeptoren, die Chemie auslesen (jene für Geruch, für Geschmack und für die Schärfe von Capsaicin), funktionieren über Bindung. Ein Molekül, der sogenannte Ligand, passt in eine Tasche des Rezeptors und bleibt dort für einen Augenblick durch gewöhnliche zwischenmolekulare Kräfte haften, dieselben Wasserstoffbrückenbindungen und Van-der-Waals-Anziehungen, die jede molekulare Begegnung bestimmen. Das Sehen funktioniert etwas anders und liest Licht eher über Photochemie als über Bindung aus. Doch in beiden Fällen ist der nächste Schritt dem Geiste nach identisch. Das Bindungsereignis, oder die Absorption eines Photons, bewirkt, dass das Protein seine dreidimensionale Form ändert, ein Vorgang, der Konformationsänderung genannt wird. Diese Formänderung ist der Schalter. Bei manchen Rezeptoren reißt sie direkt einen Ionenkanal auf und lässt geladene Teilchen über die Membran strömen. Bei anderen löst sie eine Kette aus, die G-Protein-Kaskade genannt wird, eine Folge molekularer Boten, die das ursprünglich winzige Signal zu etwas verstärkt, das die Zelle nicht ignorieren kann. So oder so ist aus einem chemischen Ereignis ein elektrisches geworden.

Der Geruchssinn und der kombinatorische Code

Die Entdeckung, die Buck und Axel 1991 machten und die ihnen 2004 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin einbrachte, war wegen ihres Ausmaßes verblüffend. Sie fanden nicht einen oder zwei Geruchsrezeptoren, sondern eine ganze Familie von ihnen. Beim Menschen sind etwa 400 dieser Gene funktionsfähig, was olfaktorische Rezeptoren zu einer der größten Genfamilien im Genom macht. Jedes davon kodiert eine bestimmte Art von Protein, einen Sieben-Transmembran-G-Protein-gekoppelten Rezeptor, also eine einzelne Proteinkette, die siebenmal hin und her durch die Zellmembran fädelt und über ein G-Protein auf der Innenseite signalisiert.

Hier ist der Grund, warum ein paar hundert Rezeptoren so viel leisten können. Ein bestimmtes Geruchsmolekül hat nicht seinen eigenen, privaten Rezeptor. Stattdessen aktiviert jeder Duftstoff eine bestimmte Kombination von Rezeptoren, schaltet eine Handvoll ein und lässt den Rest stumm. Ein Geruch könnte die Rezeptoren mit den Nummern 12, 88 und 301 zum Leuchten bringen, ein anderer die Nummern 12, 88 und 412. Das Gehirn liest keinen einzelnen Rezeptor als "Rose" oder "Benzin". Es liest das Gesamtmuster, den bestimmten Akkord, der über das gesamte Feld hinweg angeschlagen wird. Das nennt man einen kombinatorischen Code, und die Kombinatorik ist genau der Grund, warum er so mächtig ist, denn die Zahl der möglichen Kombinationen wächst explosionsartig mit der Zahl der Rezeptoren. Nach aktuellen Schätzungen kann die menschliche Nase in der Größenordnung einer Billion verschiedener Gerüche unterscheiden, und das aus rund 400 Rezeptortypen. Es ist derselbe Trick, der ein paar Dutzend Buchstaben jedes Wort einer Sprache buchstabieren lässt.

Vier Chemien auf einer einzigen Seite

Eines der stillen Vergnügen dieser Ecke der Chemie ist, dass sich vier verschiedene Sinne nebeneinander in ein einziges Schaubild legen lassen, weil sie Variationen eines einzigen Themas sind. Im Riechepithel, der Auskleidung hoch oben in der Nase, sitzen die olfaktorischen Rezeptoren. Auf der Zunge sitzen die Geschmacksrezeptoren, unterteilt in zwei Familien mit den Fachbezeichnungen T1R und T2R. In der Netzhaut, an der Rückseite des Auges, sitzen die Sehpigmente, das Rhodopsin in den Stäbchenzellen und die Zapfenopsine, die für das Farbsehen zuständig sind. Und über viele Gewebe verteilt, darunter den Mund, sitzt ein Kanal namens TRPV1, der auf Capsaicin und auf Hitze reagiert.

Vier Orte, vier Klassen von Proteinen, aber eine einzige zugrunde liegende Logik. In jedem Fall trifft ein Reiz ein, ein Protein ändert seine Form, und ein Strom fließt. Alle vier gemeinsam im Blick zu behalten, ist ein nützliches Korrektiv gegenüber der Art, wie wir über die Sinne meist lernen, nämlich einen nach dem anderen und isoliert, als hätten Riechen und Sehen nichts miteinander zu tun. Chemisch haben sie sehr viel miteinander zu tun.

Geschmack: fünf Grundqualitäten, mehrere Mechanismen

Der Geschmack ist bescheidener als der Geruch. Wo der Geruchssinn mit Hunderten von Rezeptoren jongliert, erkennt der Geschmack nur fünf Grundqualitäten, nämlich süß, salzig, sauer, bitter und umami. Die letzte davon, umami, ist der herzhafte, brühige Geschmack von Glutamat, und sie ist die jüngste Ergänzung der Liste. Der japanische Chemiker Kikunae Ikeda isolierte und benannte sie 1908 und identifizierte die verantwortliche Verbindung in der Algenbrühe, die so viel der japanischen Küche würzt. Umami ist schlicht das japanische Wort für einen angenehmen herzhaften Geschmack, und es dauerte fast ein Jahrhundert, bis es im Westen vollständig anerkannt wurde.

Was den Geschmack zu einem schönen Lehrbeispiel macht, ist, dass seine fünf Qualitäten nicht alle dieselbe Maschinerie nutzen. Süß und umami werden von Rezeptoren der T1R-Familie erkannt, die G-Protein-gekoppelte Rezeptoren sind, ganz ähnlich den Geruchsrezeptoren, und ganze Moleküle von Zucker oder Glutamat erfassen. Bitter wird von der T2R-Familie verarbeitet, einem Satz von etwa fünfundzwanzig G-Protein-gekoppelten Rezeptoren, eine Zahl, die evolutionär Sinn ergibt, denn Bitterkeit signalisiert oft eine giftige Pflanzenverbindung, und es zahlt sich aus, viele verschiedene Giftstoffe zu erkennen. Sauer und salzig hingegen umgehen die G-Protein-Maschinerie vollständig und arbeiten direkt über Ionenkanäle. Sauer ist das Erkennen von Säure, und es wird von Kanälen wahrgenommen, die auf Wasserstoffionen reagieren, eben jene Ionen, die eine Säure definieren. Salzigkeit wird von natriumempfindlichen Kanälen eines Typs namens ENaC wahrgenommen, die einfach Natriumionen hereinlassen, wenn diese im Überfluss vorhanden sind. Zwei GPCR-Familien und ein paar Ionenkanäle erklären zusammen alles, was Ihre Zunge schmecken kann.

Sehen: Ein Molekül fängt ein Photon

Das Sehen gehört in eine Betrachtung der chemischen Sinne, auch wenn sein Reiz Licht ist, denn das erste Ereignis des Sehens ist eine echte chemische Reaktion, eine der schnellsten in der Biologie. In jeder Stäbchen- und Zapfenzelle sitzt ein kleines Molekül namens Retinal, abgeleitet von Vitamin A, kovalent an ein großes Protein namens Opsin gebunden. In seinem Ruhezustand ist das Retinal in eine Form gebogen, die man die 11-cis-Konfiguration nennt. Wenn ein Photon darauf trifft, absorbiert das Molekül diese Energie und streckt sich, schnappt in die all-trans-Konfiguration. Das ist eine Isomerisierung, eine Veränderung der Geometrie eines Moleküls ohne jede Veränderung seiner Atome, und sie geschieht mit erstaunlicher Geschwindigkeit, in etwa 200 Femtosekunden, wobei eine Femtosekunde ein Millionstel eines Milliardstels einer Sekunde ist.

Dieses winzige Schnipsen eines Moleküls ist der gesamte Auslöser des Sehens. Die Formänderung des Retinals erzwingt eine Änderung im umgebenden Opsin-Protein, das eine G-Protein-Kaskade auslöst, die in diesem Fall die Zelle hyperpolarisiert, ihre Spannung in die negative Richtung drückt und so signalisiert, dass Licht eingetroffen ist. Das Farbsehen entsteht dadurch, dass es drei Versionen des Zapfenopsins gibt, jede darauf abgestimmt, bei einer anderen Wellenlänge am stärksten zu absorbieren, mit Maxima bei etwa 420, 530 und 560 Nanometern, was grob blauem, grünem und rotem Licht entspricht. Der Biochemiker George Wald arbeitete diese Chemie über eine lange Laufbahn hinweg aus, von 1933, als er Vitamin A in der Netzhaut fand, bis in die 1960er Jahre, und erhielt 1967 dafür den Nobelpreis.

Wenn scharf Hitze bedeutet: Capsaicin und TRPV1

Nun zu dem Sinn, der eigentlich gar kein Sinn ist. Wenn Sie in eine Chilischote beißen, ist das Brennen, das Sie spüren, überhaupt kein Geschmack. Es gibt keinen "Schärfe"-Rezeptor unter den fünf Zungenqualitäten. Das verantwortliche Molekül, Capsaicin, aktiviert stattdessen einen Kanal namens TRPV1, einen nicht-selektiven Kationenkanal (einen, der verschiedene positive Ionen durchlässt, statt sich auf nur eines festzulegen), den der Physiologe David Julius 1997 klonierte, eine Arbeit, die 2021 mit dem Nobelpreis gewürdigt wurde.

Das aufschlussreiche Detail ist, was diesen selben Kanal sonst noch öffnet. TRPV1 ist in erster Linie ein Hitzedetektor. Er öffnet sich, wenn die Temperatur über etwa 43 Grad Celsius steigt, genau in der Nähe der Schwelle, an der wirklich heiße Dinge anfangen, sich schmerzhaft anzufühlen. Capsaicin wirkt, indem es sich an diesen Kanal heftet und ihn dazu verleitet, sich bei normaler Körpertemperatur zu öffnen, sodass Ihr Gehirn genau das Signal empfängt, das es von echter Hitze und Schmerz bekäme. Das ist der Grund, warum sich eine Chilischote und ein Schluck zu heißer Kaffee unheimlich ähnlich anfühlen können, und warum wir die Empfindung in beiden Bedeutungen des Wortes als "scharf" beschreiben. Die Sprache hatte die ganze Zeit recht, denn chemisch erledigt ein einziger Kanal beide Aufgaben.

Ein Jahrhundert des Entwirrens und ein hartnäckiger Mythos

Das vollständige molekulare Bild fügte sich langsam zusammen, über das, was wir ein langes zwanzigstes Jahrhundert der Sinneschemie nennen könnten. Ikeda benannte umami 1908. Wald fand 1933 Vitamin A in der Netzhaut und entschlüsselte über die folgenden Jahrzehnte die Photochemie des Sehens. Buck und Axel klonierten 1991 die Familie der olfaktorischen Rezeptoren. Julius klonierte 1997 TRPV1. Und die Geschmacksrezeptorfamilien T1R und T2R wurden zwischen 2000 und 2002 identifiziert und vervollständigten die molekulare Aufstellung der chemischen Sinne erst vor ein paar Jahrzehnten.

Es lohnt sich, mit einer Korrektur zu schließen, denn eine der am weitesten verbreiteten "Tatsachen" über den Geschmack ist schlicht falsch. Vielleicht haben Sie die Zungenkarte gesehen, das Schaubild, das behauptet, süß werde an der Zungenspitze erkannt, salzig an den vorderen Rändern, sauer weiter hinten und bitter ganz am Ende. Es ist ein Lehrmythos. Er stammt von einer deutschen Studie aus dem Jahr 1901, deren Daten dürftig und leicht misszuverstehen waren, und er verbreitete sich durch englischsprachige Lehrbücher vor allem wegen einer Fehlübersetzung von 1942 durch den Psychologen Edwin Boring, der vorsichtige regionale Unterschiede in feste Zonen verwandelte. In Wirklichkeit lassen sich alle fünf Grundgeschmäcker über die gesamte Zunge hinweg erkennen. Die ehrliche Version ist weniger ordentlich als eine farbige Karte, aber sie ist richtig, und sie zu akzeptieren ist eine kleine Lektion darüber, wie ein sauberes Schaubild die Belege überleben kann, die es hätten zu Fall bringen sollen.

Die wichtigsten Erkenntnisse

Die chemischen Sinne laufen alle nach einer einzigen Logik ab, bei der ein Reiz auf ein Protein trifft, das Protein seine Form ändert und ein elektrisches Signal entsteht, wobei Geruch, süß, umami und bitter über G-Protein-gekoppelte Rezeptoren geleitet werden, während sauer, salzig und die Schärfe von Capsaicin über Ionenkanäle arbeiten. Der Geruch ist das Glanzstück, das mit etwa 400 olfaktorischen Rezeptoren, die Buck und Axel 1991 entdeckten (Nobelpreis 2004), rund eine Billion Gerüche durch einen kombinatorischen Code unterscheidet, statt einen Rezeptor pro Geruch zu haben. Der Geschmack erkennt fünf Grundqualitäten, süß, salzig, sauer, bitter und umami, letztere von Ikeda 1908 benannt, aufgeteilt zwischen den Rezeptorfamilien T1R und den etwa fünfundzwanzig T2R sowie einem Paar Ionenkanälen. Das Sehen wird durch die Isomerisierung von Retinal von 11-cis zu all-trans in etwa 200 Femtosekunden ausgelöst, ausgearbeitet von Wald (Nobelpreis 1967), mit drei Zapfenopsinen mit Maxima nahe 420, 530 und 560 Nanometern. Chilischärfe ist kein Geschmack, sondern der Hitze- und Schmerzkanal TRPV1 (1997 von Julius kloniert, Nobelpreis 2021), der dazu verleitet wird, sich unterhalb seiner normalen Schwelle von 43 Grad zu öffnen. Und die vertraute Zungenkarte ist ein Mythos, geboren aus einer Fehlübersetzung von 1942, denn jeder Grundgeschmack ist überall auf der Zunge nachweisbar.