REKLAMA


 

REKLAMA


 

Rosiczka poluje na muchy i inne owady wykorzystując do tego celu specjalne pułapki. VFT receptora słodkiego smaku działa podobnie. Jeśli odpowiednia, dopasowana kształtem cząsteczka znajdzie się w „pułapce”, pułapka się zamyka i receptor ulega aktywacji Rosiczka poluje na muchy i inne owady wykorzystując do tego celu specjalne pułapki. VFT receptora słodkiego smaku działa podobnie. Jeśli odpowiednia, dopasowana kształtem cząsteczka znajdzie się w „pułapce”, pułapka się zamyka i receptor ulega aktywacji Rosta Kracik/Wikimedia Commons

Badania ostatnich lat nie tylko wzbogaciły naszą wiedzę o mechanizmach słodkiego smaku, ale też o jego inhibitorach. Słodziki i inhibitory odkryte przez Polaków zostały opatentowane


NAZWISKOIMIE

Autorem tekstu jest
Piotr Krajewski

Instytut Chemii Organicznej, Polska Akademia Nauk, Warszawa
LXIV Liceum Ogólnokształcące im. St. I. Witkiewicza, Warszawa
e-mail: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.  

 

Dr Piotr Krajewski współpracuje z IChO PAN. Zajmuje się edukacją młodzieży, jego uczniowie odnoszą sukcesy na krajowych i międzynarodowych olimpiadach chemicznych. 

 


Pewnego jesiennego popołudnia 1996 roku w jednym z laboratoriów Instytutu Chemii Organicznej PAN dwóch doktorantów zamiast pilnie pracować, piło kawę. Przy okazji gawędzili o chemii. Pierwszy z nich rozprawiał o sprytnych metodach spektroskopii NMR, jakie zastosował przy określaniu struktury pewnego skomplikowanego związku naturalnego, wyodrębnionego z jakiegoś grzyba. Drugi - Piotr sławił niesłychane korzyści jakie nauka światowa odniesie już wkrótce przy zastosowaniu zaproponowanej przez niego metody ustalania struktury przestrzennej związków organicznych. Pierwszy, znudzony przydługim opowiadaniem Piotra i wiedziony skandalicznym przyzwyczajeniem, otworzył stojącą na stolę fiolkę z białą substancją. Włożył do niej pośliniony palec i zbadał smak przyklejonych do niego kryształków. Stwierdził z zaskoczeniem pomieszanym z entuzjazmem, że „badana” substancja jest bardzo słodka – wielokrotnie słodsza od zwykłego cukru. Piotr natychmiast powtórzył naganny i ryzykowny eksperyment kolegi, potwierdzając jego niespodziewaną, interesującą obserwację. „Badany” związek organiczny, oznaczony przez Piotra symbolem LacBn, był jednym z serii kilku związków otrzymanych przez niego w celu przeprowadzenia eksperymentów związanych z doktoratem. LacBn to związek znany, pierwszy raz otrzymany w 1982 roku przez dwóch Rosjan. Jak można się było spodziewać, doktoranci, pod wpływem niemożliwej do powstrzymania ciekawości, poddali gruntownemu „badaniu” pozostałe związki z serii. Stwierdzili, że niektóre z nich nie mają smaku, niektóre są gorzkie, ale słodki jest tylko LacBn. Tak oto kolejny raz powtórzyła się historia przypadkowego odkrycia nowego syntetycznego słodzika.

 

Przypadkowe smakowe odkrycia

 

W 1879 roku Ira Remsen na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa w Baltimore przypadkowo odkrył sacharynę. W 1937 roku Michael Sveda na Uniwersytecie Illinois przypadkowo stwierdził słodki smak cyklaminianu sodu. W 1965 roku James Schlatter z firmy G. D. Searle przypadkowo odkrył słynny aspartam. Dwa lata później Karl Clauss i Harald Jensen z Hoechst AG przypadkowo odkryli acesulfam K. Sukraloza, bardzo słodka pochodna sacharozy, została odkryta w szczególnie zabawnych okolicznościach. W 1976 roku w Queen Elisabeth College w Londynie badacz pochodzący z Indii, Shashikant Phadnis, dostał od swojego szefa polecenie przetestowania kilku otrzymanych substancji. Zamiast przeprowadzić odpowiednie testy (ang. test), zrozumiał, że ma je spróbować (_ang_. test) i w skutek tego nieporozumienia językowego odkrył nowy syntetyczny słodzik. Wszystkie wymienione słodziki, może poza cyklaminianem, stosowane są powszechnie do dziś i to na olbrzymią skalę. Słodkość a struktura chemiczna

 

Receptor słodkiego smaku składa się z dwóch białek T1R2 i T1R3, a receptor smaku umami (mięsnego) T1R1 i T1R3. Oba receptory mają wspólne fragment - białko T1R3 (niebieskie). Lactisole blokuje słodki smak słodkich substancji (inhibicja), które wiążą się z fragmentem białka T1R2 (VFT). Lactisole jest też inhibitorem smaku umami - blokuje smak glutaminianu sodu (MSG). IMP powoduje nawet piętnastokrotny wzrost intensywności odczuwanego smaku MSG (synergia). Il. Andrzej DębowskiPiotr, człowiek ciekawski, postanowił zbadać w jaki sposób słodki smak pochodnych LacBn zależy od struktury chemicznej. Szczęśliwie, nowe pochodne można otrzymać w dość łatwy sposób z tanich odczynników. Związek wiodący, LacBn, zawiera fragment NHCH2C6H5. Piotr postanowił nieco zmodyfikować ten fragment zastępując jeden z atomów wodoru w grupie CH2 grupą metylową. Otrzymany tak związek jest chiralny, to znaczy może występować w postaci dwóch rodzajów cząsteczek będących wzajemnymi odbiciami lustrzanymi, których nie można na siebie nałożyć. Coś tak jak prawy i lewy but. Otrzymał tak zwaną mieszaninę racemiczną, czyli mieszaninę zawierającą taką samą liczbę cząsteczek „lewych” i „prawych”. Ku jego rozczarowaniu nowa pochodna, rac-LacFea, nie była słodka. Ostudziło to trochę jego zapał w „odkrywaniu” nowych słodzików. Ale na krótko. Wiadomo bowiem od dawna, że enancjomery mogą mieć odmienne właściwości biologiczne. Piotr otrzymał więc „lewą” pochodną, czyli (S)-LacFea, która okazała się bez smaku i „prawą”, czyli (R)-LacFea, która okazała się bardzo słodka! Skoro rac-LacFea nie jest słodki, a (R)-LacFea jest, to jego enancjomer, (S)-LacFea, musi hamować w jakiś sposób odczuwanie słodkiego smaku, a więc być inhibitorem receptora czy też receptorów słodkiego smaku. Inhibicję potwierdzono serią prostych eksperymentów, w których do roztworów różnych słodkich substancji lub ich mieszanin dodawano inhibitor. Żadna ze zbadanych do tej pory słodkich substancji nie oparła się inhibitorowi. Były to: sacharoza, glukoza, słodkie aminokwasy, miód pszczeli, kilka słodzików dostępnych handlowo, zawierających aspartam, sorbitol, cyklaminian sodu, sacharynę i wszystkie słodziki, które Piotr otrzymał sam. Słowem, wszystko co słodkie, stawało się niesłodkie. To bardzo ciekawy przypadek, chyba pierwszy taki w historii – jeden enancjomer jest słodki, a drugi jest inhibitorem słodkiego smaku.

 

Dalsze badania wykazały, że jeśli w LacBn atom tlenu w pierścieniu pięcioczłonowym zastąpi się grupą CH2, otrzymuje się pochodna CpBn, która jest nawet trochę słodsza (> 250 razy słodsza od cukru) od związku wiodącego. Bardzo istotna jest obecność pierścienia fenylowego (C6H5) – pochodne nie zawierające tego pierścienia nie są słodkie. Również podstawienie któregokolwiek z atomów wodoru w pierścieniu fenylowym dowolną grupą (np. metylową, nitrową, hydroksylową, czy atomem chloru) powoduje zanik słodkiego smaku. Istotne jest, żeby pomiędzy atomem azotu a grupą fenylową znajdował się dokładnie jeden atom węgla. Gdy znajdują się tam dwa atomy węgla, pochodna nie jest słodka. Gdy ten atom węgla zostanie usunięty, słodkość również znika. Zmiana pierścienia pięcioczłonowego LacBn na pierścień sześcioczłonowy (6-LacBn) także powoduje zanik słodkiego smaku.

 

Słodkość pod lupą

 

Do 1999 roku nie udało się wyizolować i scharakteryzować receptorów słodkiego smaku. Przy projektowaniu, czy wyjaśnianiu działania słodkich substancji nie można było postępować tak jak na przykład przy projektowaniu inhibitorów enzymów o znanej strukturze przestrzennej. Z konieczności musiano opierać się więc na modelach, które pozostaną spekulacjami do momentu scharakteryzowania struktury receptora. Powstało już wiele teorii dotyczących słodkiego smaku. Pierwsza poważna teoria, oparta na założeniu istnienia specyficznego receptora na powierzchni komórek smakowych, została opublikowana w Nature w 1967 roku przez Roberta Schallenbergera i Terry’ego Acree. Według tej teorii wszystkie słodkie substancje organiczne zawierają donor (AH, zwykle grupa OH lub NH) i akceptor (B, zwykle atom tlenu grupy C=O) wiązania wodorowego w odległości od 2,5 do 4,0 Å (10-10 m), które oddziałują z komplementarną parą AH-B receptora tworząc dwa wiązania wodorowe.

 

W latach osiemdziesiątych Jean-Marie Tinti i Claude Nofre, badacze z uniwersytetu w Lyonie, sformułowali teorię strukturalną słodkiego smaku, zwaną multi-point attachment theory (MPA). Umożliwiła im ona zaprojektowanie struktury lugdunamu najsłodszej znanej substancji (220 000-300 000 razy słodszej od cukru).

 

Piotr z kolegami z IChO PAN próbował ustalić jak bardzo słodkie są otrzymane przez niego związki. Zasada takiego pomiaru jest prosta. Przygotowano 10% roztwór badanego słodzika i każdy badający porównał jego smak z referencyjnym 10% roztworem cukru. Wszyscy zgodnie stwierdzili, że słodzik jest wielokrotnie słodszy od cukru. Następnie przygotowano kilka roztworów słodzika o mniejszych stężeniach, które podano osobom badającym w losowej kolejności. Celem było znalezienie takiego stężenia słodzika, dla którego roztwór badany jest tak samo słodki jak roztwór cukru. Słodkość oblicza się następnie dzieląc stężenie roztworu cukru przez stężenie roztworu słodzika, na przykład 10%/0,05% = 200. Wyniki otrzymane w ten sposób interpretuje się bardzo ostrożnie, żeby nie zawyżyć zmierzonej słodkości. Zbadano w ten sposób kilka substancji i ustalono, że niektóre z nich są co najmniej 200-250 razy słodsze od 10-procentowego roztworu cukru. Dla porównania, popularny słodzik aspartam jest około 180 razy słodszy od cukru.

 

Receptory odkryte!

 

W ciągu ostatnich kilkunastu lat dokonano przełomowych odkryć naukowych, które znakomicie wzbogaciły wiedzę na temat słodkiego smaku. W 1999 roku połączone siły naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego i Narodowych Instytutów Zdrowia zidentyfikowały trzy geny, kodujące białka receptorów słodkiego smaku i smaku umami (smaku mięsnego – piątego obok 4 znanych podstawowych smaków), który został odkryty przez profesora Kikunae Ikedę w 1908 na Cesarskim Uniwersytecie w Tokio. Ikeda wykazał także, że substancją chemiczną odpowiedzialną za odczuwanie smaku umami jest glutaminian sodu, czyli sól monosodowa kwasu L-glutaminowego, aminokwasu kodowanego przez DNA. Okazało się, że odkryte receptory należą do znanego wcześniej typu tak zwanych receptorów sprzężonych z białkiem G (GCPR, G Protein Coupled Receptors). Rodzinę tych białek oznaczono symbolem hT1R, gdzie litera h oznacza human, T taste, czyli smak, a R receptor. W toku późniejszych badań wykazano, że w pełni funkcjonalny receptor słodkiego smaku musi składać się z dwóch białek hT1R2 i hT1R3, a receptor umami z hT1R1 i hT1R3. Jak widać oba receptory mają wspólny element - białko hT1R3. Wyspecjalizowane receptory umieszczone są w błonie komórkowej komórek smakowych, które w grupach po 50 do 100 znajdują się głównie w jamie ustnej, ale także w jelitach. Receptor słodkiego smaku wiąże się z substancją pasującą do niego jak klucz do zamka, na przykład cząsteczką sacharozy, czyli zwykłego cukru, lub cząsteczką aspartamu. Prowadzi to do zmiany kształtu białka receptorowego, która uruchamia kaskadę reakcji biochemicznych, prowadzących, miedzy innymi, do uwolnienia jonów wapnia z rezerwuarów wewnątrzkomórkowych. Powoduje to depolaryzację komórki, czyli zmianę wartości różnicy potencjałów elektrycznych na granicy błona komórkowa - zewnętrze komórki. Z grupami wyspecjalizowanych komórek smakowych połączone są wyspecjalizowane neurony, które przewodzą powstały sygnał elektryczny do odpowiednich obszarów mózgu. Podobnie działa receptor smaku umami, aktywują go jednak cząsteczki o innej strukturze chemicznej niż te, które pobudzają receptor słodkiego smaku. Jest to na przykład wspomniany wyżej glutaminian sodu.

 

Inhibitory słodkiego smaku

 

W wyrobach cukierniczych zwykły cukier pełni nie tylko rolę substancji słodzącej, ale także niezbędnego składnika strukturalnego. W dżemach, galaretkach i konfiturach wysokie stężenie cukru ma funkcję przeciwbakteryjną. Niektórzy ludzie z powodu kłopotów z nerkami muszą pić silnie stężony syrop glukozowy. Sorbitol, słodki alkohol wielowodorotlenowy, dodawany jest do różnych produktów żywnościowych jako substancja utrzymująca wilgotność. Nadmierna słodkość stwarza czasami problem. Rozwiązaniem może być dodawanie inhibitorów słodkiego smaku. Inhibitory mogą też poprawiać smak syntetycznych słodzików charakteryzujących się „ciągnącym się” uporczywym smakiem lub nieprzyjemnym posmakiem. Można wyobrazić sobie zastosowanie inhibitorów słodkiego smaku w dietach odchudzających. Osoba „uzależniona” od słodyczy, w chwili nieodpartej potrzeby zjedzenia czegoś słodkiego, sięgałaby po inhibitor i smak upragnionego ciastka czy czekolady nie byłby już tak atrakcyjny.

 

Jednym z często stosowanych inhibitorów słodkiego smaku jest lactisole, sól sodowa pochodnej kwasu propionowego, który został odkryty przez Michaela Lindleya z Tate and Lyle na początku lat osiemdziesiątych. Niewielki dodatek lactisolu obniża słodkość cukru i innych słodkich substancji o ponad 80%, jednocześnie poprawia walory potraw „wydobywając” z nich różne smaki. Co ciekawe, enancjomer (S) lactisolu jest inhibitorem, a enacjomer (R) jest nieaktywny. Innym znanym inhibitorem słodkiego smaku jest gymnemic acid, substancja wyizolowana z liści Gymnema Sylvester, krzewu występującego w lasach tropikalnych subkontynentu indyjskiego. Żucie liści tej rośliny powoduje, że posłodzone napoje smakują jak woda.

 

Badanie inhibitorów słodkiego smaku przyczynia się do lepszego zrozumienia oddziaływania różnych cząsteczek z receptorem słodkiego smaku. Udowodniono, że lactisole i jego analogi strukturalne wiążą się z białkiem hT1R3 ludzkiego receptora.

 

Zielone szczypce

 

Lactisole blokuje słodki smak słodkich substancji, które wiążą się z fragmentem białka hT1R2 nazywanym Venus Fly Trap (VFT, zielone „szczypce”). Swoją nazwę fragment ten zawdzięcza owadożernej roślinie zwanej po polsku rosiczką. Roślina ta poluje na muchy i inne owady wykorzystując do tego celu specjalne pułapki. VFT receptora słodkiego smaku działa podobnie. Jeśli odpowiednia, dopasowana kształtem cząsteczka znajdzie się w „pułapce”, ta się zamyka i receptor ulega aktywacji. Przyłączenie lactisolu powoduje, że nie mogą złapać się nowe cząsteczki-muchy. Lactisole jest również inhibitorem smaku umami, to znaczy blokuje smak glutaminianu sodu, za co odpowiada analogiczny mechanizm. Inhibitory odkryte w IChO PAN prawdopodobnie wiążą się z obydwoma receptorami w podobny sposób.

 

Wzmacniacze słodkiego smaku

 

Jeśli substancja A wykazuje słodkość X, a substancja B słodkość Y, to spodziewamy się, że mieszanina tych substancji będzie wykazywać słodkość X+Y. Często jednak słodkość mieszaniny jest większa. Takie zjawisko nazywamy efektem synergicznym. Jest on wykorzystywany w praktyce w przemyśle spożywczym, bo prowadzi do zmniejszenia kosztów na jednostkę słodkości. Mieszaniny słodzików mogą mieć smak o wiele przyjemniejszy niż każdy ze słodzików osobno. Taki efekt wykorzystano np. w Coca-Coli Zero, gdzie aspartam zmieszany jest z innym słodzikiem. Podobne zjawisko występuje w przypadku smaku umami. Niedawno zaproponowano wyjaśnienie efektu synergicznego na poziomie molekularnym. Cząsteczki aktywujące receptor umami wiążą się z fragmentem VFT, a IMP i GMP wiążą się z cząsteczką tego samego białka, bardzo blisko VFT, stabilizując zamkniętą konformację. Dzięki osiągnięciom biologii molekularnej odkryto cząsteczki zdolne do wzmocnienia słodkiego smaku cukru, podobnie jak IMP i GMP wzmacniają smak glutaminianu. Substancja oznaczona symbolem S6419 wzmacnia smak zwykłego cukru około czterokrotnie, pozwala więc osiągnąć ten sam efekt smakowy przy tylko 25 procentowej zawartości cukru, a więc na zmniejszenie kosztów produkcji i co ważniejsze powinno mieć bardzo korzystny wpływ na zdrowie konsumentów. Na początku 2009 roku zostało złożone zgłoszenie w Urzędzie Patentowym RP. Ochronę patentową udało się rozszerzyć na kraje europejskie, USA i Chiny.

 

 

Struktury chemiczne cząsteczek niskokalorycznych słodzików syntetycznych są zaskakująco różnorodne. Obok nazwy słodzika w nawiasie rok odkrycia i słodkość względem cukru

 

 

Chcesz wiedzieć więcej?

Li X., Staszewski L., Xu H., Durick K., Zoller M., Adler E. (2002). Human receptors for sweet and umami taste. PNAS, 99, 4692-4696.
Zhang F., Klebansky B., Fine R. M., Xu H., Pronin A., Liu H., Tachdjian C., Li H. (2008). Molecular mechanism for the umami taste synergism. PNAS, 105, 20930-20934.
Zhang F., Klebansky B., Fine R. M., Liu H., Xu H., Servant G., Zoller M., Tachdjian C., Li H. (2010). Molecular mechanism of the sweet taste enhancers. PNAS, 107, 4752-4757.

 

 

 

© Academia nr 1 (29) 2012

 

 

 

 

 

 

 

Oceń artykuł
(0 głosujących)

Artykuły powiązane

Tematy

agrofizyka antropologia jedzenia antropologia kultury antropologia społeczna archeologia archeometalurgia architektura Arctowski arteterapia astrofizyka astronomia badania interdyscyplinarne behawioryzm biochemia biologia biologia antaktyki biologia płci biotechnologia roślin borelioza botanika chemia chemia bioorganiczna chemia fizyczna chemia spożywcza cywilizacja demografia edukacja ekologia ekologia morza ekonomia energia odnawialna etnolingwistyka etnomuzykologia etyka ewolucja fale grawitacyjne farmakologia filozofia finanse finansowanie nauki fizyka fizyka jądrowa gender genetyka geochemia środowiska geoekologia geofizyka geografia geologia geologia planetarna geoturystyka grafen historia historia idei historia literatury historia nauki historia sztuki humanistyka hydrogeologia hydrologia informatyka informatyka teoretyczna internet inżynieria inżynieria materiałowa inżynieria żywności język językoznawstwo kardiochirurgia klimatologia kobieta w nauce komentarz komunikacja kooperatyzm kosmologia kryptografia kryptologia kulinaria kultoznawstwo kultura lingwistyka literatura literaturoznawstwo matematyka medycyna migracje mikrobiologia mineralogia mniejszości etniczne mniejszości narodowe modelowanie procesów geologicznych muzykologia mykologia na czasie nauka obywatelska neurobiologia neuropsychologia nowe członkinie PAN 2017 oceanografia ochrona przyrody orientalistyka ornitologia paleobiologia paleogeografia paleontologia palinologia parazytologia PIASt politologia polityka społeczna polska na biegunach prawo protonoterapia psychologia psychologia zwierząt punktoza Puszcza Białowieska robotyka rozmowa „Academii” seksualność smog socjologia szczepienia sztuka technologia wieś w obiektywie wulkanologia zastosowania zdrowie zoologia zwierzęta źródła energii żywienie

Komentarze

O serwisie

Serwis naukowy prowadzony przez zespół magazynu Academia PAN.Academia Zapraszamy do przysyłania informacji o badaniach, aktualnie realizowanych projektach naukowych oraz imprezach popularyzujących naukę.

 

Dla użytkowników: Regulamin

Pliki cookies

Informujemy, że używamy ciasteczek (plików cookies) w celu gromadzenia danych statystycznych, emisji reklam oraz prawidłowego funkcjonowania niektórych elementów serwisu. Pliki te mogą być umieszczane na Państwa urządzeniach służących do odczytu stron, a korzystając z naszego serwisu wyrażacie Państwo zgodę na używanie cookies, zgodnie z aktualnymi ustawieniami przeglądarki.

Więcej informacji o celu używania i zmianie ustawień ciasteczek w przeglądarce: TUTAJ

Wydanie elektroniczne

Kontakt

  • pisz:

    Redakcja serwisu online
    Academia. Magazyn Polskiej Akademii Nauk
    PKiN, pl. Defilad 1, pok. 2110
    (XXI piętro)
    00-901 Warszawa

  • dzwoń:

    tel./fax (+48 22) 182 66 61 (62)

  • ślij:

    e-mail: academia@pan.pl