La química del olfato y el gusto

En la primavera de 1991, en los pisos superiores del Hammer Health Sciences Center de la Universidad de Columbia, en Nueva York, dos investigadores observaban un gel. Linda Buck y Richard Axel habían realizado una variación ingeniosa de la reacción en cadena de la polimerasa, usando cebadores degenerados (sondas cortas de ADN construidas deliberadamente con cierta holgura en su secuencia para que pudieran engancharse a la vez a muchos genes emparentados) contra el ADN complementario de tejido nasal de rata. Lo que salió de aquel gel fue el primer vistazo a una familia de genes amplia y hasta entonces desconocida de receptores olfativos, las máquinas proteicas que permiten oler a un animal. En ese instante, la química del olfato dejó de ser un misterio vago y se convirtió en un problema abordable de la biología molecular.

Ese cambio es el tema de este artículo. Tendemos a tratar el olfato, el gusto, la visión y el ardor de un chile como experiencias separadas y un tanto mágicas, pero bajo cada una de ellas se asienta una porción de química bien entendida: una molécula, o una partícula de luz, que se encuentra con una proteína y cambia su forma. La pregunta que responde este artículo es cómo un mundo hecho de moléculas se traduce al lenguaje eléctrico del cerebro, y por qué la respuesta resulta ser, en esencia, la misma historia contada de cuatro maneras distintas.

Qué hace realmente un receptor sensorial

Cada uno de tus sentidos depende de un tipo concreto de proteína llamada receptor sensorial. Un receptor sensorial es una proteína que convierte un estímulo físico o químico en una señal eléctrica dentro de una neurona. El estímulo puede ser una molécula del aroma del café que sube por tu nariz, un ion de sodio que aterriza en tu lengua o una sola partícula de luz que impacta en el fondo de tu ojo. Sea cual sea la entrada, la tarea del receptor es la misma, a saber, producir un cambio de voltaje a través de la membrana de una célula nerviosa, porque el voltaje es la única moneda con la que comercia el sistema nervioso.

Los receptores que leen química (los del olfato, los del gusto y los del calor de la capsaicina) funcionan por unión. Una molécula, llamada ligando, encaja en un bolsillo del receptor y se queda pegada allí por un instante mediante fuerzas intermoleculares ordinarias, los mismos puentes de hidrógeno y atracciones de van der Waals que rigen cualquier encuentro molecular. La visión funciona de un modo algo distinto, pues lee la luz mediante fotoquímica en lugar de por unión. Pero en ambos casos el paso siguiente es idéntico en espíritu. El evento de unión, o la absorción de un fotón, hace que la proteína cambie su forma tridimensional, un proceso llamado cambio conformacional. Ese cambio de forma es el interruptor. En algunos receptores tira directamente y abre un canal iónico, dejando que partículas cargadas inunden la membrana. En otros desencadena un relevo llamado cascada de proteína G, una cadena de mensajeros moleculares que amplifica la diminuta señal original hasta convertirla en algo que la célula no puede ignorar. En cualquiera de los dos casos, un evento químico se ha convertido en uno eléctrico.

El olfato y el código combinatorio

El descubrimiento que hicieron Buck y Axel en 1991, que les valió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 2004, fue asombroso por su escala. Encontraron no uno ni dos receptores del olfato, sino toda una familia de ellos. En los humanos, unos 400 de estos genes son funcionales, lo que convierte a los receptores olfativos en una de las mayores familias de genes del genoma. Cada uno codifica un tipo concreto de proteína, un receptor acoplado a proteína G de siete dominios transmembrana, es decir, una sola cadena de proteína que atraviesa de un lado a otro la membrana celular siete veces y señaliza a través de una proteína G en el interior.

Esta es la razón por la que unos pocos cientos de receptores pueden hacer tanto. Una molécula odorante dada no tiene su propio receptor exclusivo. En cambio, cada sustancia olorosa activa cierta combinación de receptores, encendiendo unos pocos mientras deja en silencio al resto. Un olor podría iluminar los receptores número 12, 88 y 301; otro podría iluminar el 12, el 88 y el 412. El cerebro no lee ningún receptor aislado como si significara "rosa" o "gasolina". Lee el patrón global, el acorde particular que se toca a lo largo de toda la batería. A esto se le llama código combinatorio, y la combinatoria es precisamente la razón de que sea tan poderoso, porque el número de combinaciones posibles crece de forma explosiva con el número de receptores. Según las estimaciones actuales, la nariz humana puede distinguir del orden de un billón de olores distintos, todos a partir de unos 400 tipos de receptor. Es el mismo truco que permite a unas pocas decenas de letras deletrear todas las palabras de un idioma.

Cuatro químicas dibujadas en una sola página

Uno de los placeres discretos de este rincón de la química es que cuatro sentidos diferentes pueden disponerse lado a lado en un mismo diagrama, porque son variaciones de un único tema. En el epitelio nasal, el revestimiento que está en lo alto del interior de la nariz, se asientan los receptores olfativos. En la lengua se asientan los receptores del gusto, divididos en dos familias con los nombres técnicos T1R y T2R. En la retina, en el fondo del ojo, se asientan los pigmentos visuales, la rodopsina en los bastones y las opsinas de los conos que se encargan del color. Y distribuido por muchos tejidos, incluida la boca, se asienta un canal llamado TRPV1, que responde a la capsaicina y al calor.

Cuatro ubicaciones, cuatro clases de proteína, pero una sola lógica subyacente. En cada caso llega un estímulo, una proteína cambia de forma y fluye una corriente. Tener las cuatro a la vista es un correctivo útil frente al modo en que solemos aprender sobre los sentidos, uno por uno y de forma aislada, como si oler y ver no tuvieran nada que ver entre sí. Químicamente, tienen mucho que ver el uno con el otro.

El gusto: cinco modalidades básicas, varios mecanismos

El gusto es más modesto que el olfato. Donde el olfato maneja cientos de receptores, el gusto reconoce solo cinco modalidades básicas, a saber, dulce, salado, ácido, amargo y umami. La última de ellas, el umami, es el sabor sabroso y caldoso del glutamato, y es la incorporación más reciente a la lista. El químico japonés Kikunae Ikeda lo aisló y le puso nombre en 1908, identificando el compuesto responsable en el caldo de alga que da sabor a buena parte de la cocina japonesa. Umami es sencillamente la palabra japonesa para un sabor sabroso y agradable, y tardó casi un siglo en ser plenamente aceptado en Occidente.

Lo que hace del gusto un buen ejemplo didáctico es que sus cinco modalidades no usan todas la misma maquinaria. El dulce y el umami los detectan receptores de la familia T1R, que son receptores acoplados a proteína G muy parecidos a los del olfato, y que perciben moléculas enteras de azúcar o de glutamato. El amargo lo gestiona la familia T2R, un conjunto de unos veinticinco receptores acoplados a proteína G, un número que tiene sentido evolutivo, ya que el amargor a menudo señala un compuesto vegetal venenoso y conviene detectar muchas toxinas distintas. El ácido y el salado, en cambio, se saltan por completo la maquinaria de la proteína G y funcionan directamente a través de canales iónicos. El acidez es la detección de la acidez, y la perciben canales sensibles a los iones de hidrógeno, los mismos iones que definen un ácido. El salado lo perciben canales sensibles al sodio de un tipo llamado ENaC, que simplemente dejan entrar iones de sodio cuando estos abundan. Dos familias de GPCR y un par de canales iónicos dan cuenta, entre todos, de todo lo que tu lengua puede saborear.

La visión: una molécula atrapa un fotón

La visión merece un lugar en una discusión sobre los sentidos químicos aunque su estímulo sea la luz, porque el primer evento de la visión es una reacción química genuina, una de las más rápidas de la biología. Dentro de cada bastón y cada cono se asienta una pequeña molécula llamada retinal, derivada de la vitamina A, unida de forma covalente a una proteína grande llamada opsina. En su estado de reposo, el retinal está doblado en una forma llamada configuración 11-cis. Cuando un fotón lo golpea, la molécula absorbe esa energía y se endereza, pasando bruscamente a la configuración todo-trans. Esto es una isomerización, un cambio en la geometría de una molécula sin cambio alguno en sus átomos, y ocurre con una velocidad asombrosa, en unos 200 femtosegundos, donde un femtosegundo es la millonésima de una milmillonésima de segundo.

Ese diminuto chasquido de una molécula es el disparador completo de la visión. El cambio en la forma del retinal fuerza un cambio en la proteína opsina que lo rodea, lo que desencadena una cascada de proteína G que, en este caso, hiperpolariza la célula, empujando su voltaje en dirección negativa y señalando así que ha llegado luz. La visión del color proviene de tener tres versiones de la opsina de los conos, cada una sintonizada para absorber con mayor intensidad en una longitud de onda diferente, con picos en torno a los 420, 530 y 560 nanómetros, correspondientes a grandes rasgos a la luz azul, verde y roja. El bioquímico George Wald desentrañó esta química a lo largo de una larga carrera que va desde 1933, cuando halló vitamina A en la retina, hasta los años sesenta, y recibió por ello el Premio Nobel en 1967.

Cuando "caliente" significa calor: la capsaicina y el TRPV1

Ahora, el sentido que en realidad no es un sentido. Cuando muerdes un chile, el ardor que sientes no es un sabor en absoluto. No hay un receptor del "picante" entre las cinco modalidades de la lengua. La molécula responsable, la capsaicina, activa en cambio un canal llamado TRPV1, un canal catiónico no selectivo (uno que deja pasar diversos iones positivos en lugar de seleccionar solo uno) que el fisiólogo David Julius clonó en 1997, un trabajo reconocido con el Premio Nobel en 2021.

El detalle revelador es qué otra cosa abre ese mismo canal. El TRPV1 es, ante todo, un detector de calor. Se abre cuando la temperatura sube por encima de unos 43 grados Celsius, justo alrededor del umbral en que las cosas genuinamente calientes empiezan a resultar dolorosas. La capsaicina funciona enganchándose a este canal y engañándolo para que se abra a la temperatura corporal normal, de modo que tu cerebro recibe exactamente la misma señal que recibiría del calor y el dolor reales. Por eso un chile y un sorbo de café demasiado caliente pueden sentirse asombrosamente parecidos, y por eso describimos la sensación como "caliente" en ambos sentidos de la palabra. El lenguaje tenía razón desde el principio, porque químicamente hay un solo canal haciendo ambos trabajos.

Un siglo de desenredos, y un mito persistente

El cuadro molecular completo se fue armando despacio, a lo largo de lo que podríamos llamar un largo siglo veinte de la química sensorial. Ikeda dio nombre al umami en 1908. Wald halló vitamina A en la retina en 1933 y desbrozó la fotoquímica de la visión a lo largo de las décadas siguientes. Buck y Axel clonaron la familia de receptores olfativos en 1991. Julius clonó el TRPV1 en 1997. Y las familias de receptores del gusto T1R y T2R se identificaron entre 2000 y 2002, completando la nómina molecular de los sentidos químicos apenas un par de décadas atrás.

Vale la pena terminar con una corrección, porque uno de los "hechos" sobre el gusto que más se enseña es sencillamente falso. Puede que hayas visto el mapa de la lengua, el diagrama que afirma que el dulce se detecta en la punta de la lengua, el salado a lo largo de los bordes delanteros, el ácido más atrás y el amargo en la parte más posterior. Es un mito didáctico. Desciende de un estudio alemán de 1901 cuyos datos eran modestos y fáciles de malinterpretar, y se propagó por los libros de texto en inglés en buena medida a causa de una mala traducción de 1942 hecha por el psicólogo Edwin Boring, que convirtió diferencias regionales tentativas en zonas rígidas. En realidad, los cinco sabores básicos pueden detectarse en toda la lengua. La versión honesta es menos pulcra que un mapa de colores, pero es correcta, y aceptarla es una pequeña lección sobre cómo un diagrama limpio puede sobrevivir a la evidencia que debería haberlo eliminado.

Ideas clave

Todos los sentidos químicos funcionan con una sola lógica, en la que un estímulo se encuentra con una proteína, la proteína cambia de forma y resulta una señal eléctrica, con el olfato, el dulce, el umami y el amargo encaminados a través de receptores acoplados a proteína G, mientras que el ácido, el salado y el calor de la capsaicina actúan a través de canales iónicos. El olfato es la pieza estrella, pues usa unos 400 receptores olfativos descubiertos por Buck y Axel en 1991 (Nobel 2004) para distinguir aproximadamente un billón de olores mediante un código combinatorio, en lugar de un receptor por olor. El gusto reconoce cinco modalidades básicas, dulce, salado, ácido, amargo y umami, el último bautizado por Ikeda en 1908, repartidas entre las familias de receptores T1R y las aproximadamente veinticinco de T2R, y un par de canales iónicos. La visión se activa con la isomerización de 11-cis a todo-trans del retinal en unos 200 femtosegundos, desentrañada por Wald (Nobel 1967), con tres opsinas de conos cuyos picos rondan los 420, 530 y 560 nanómetros. El ardor del chile no es un sabor, sino el canal del calor y el dolor TRPV1 (clonado por Julius en 1997, Nobel 2021) engañado para que se abra por debajo de su umbral normal de 43 grados. Y el conocido mapa de la lengua es un mito nacido de una mala traducción de 1942, ya que cada sabor básico es detectable en cualquier parte de la lengua.