Syrop glukozowo-fruktozowy: cichy zabójca czy czarna legenda?

Czytając etykiety produktów spożywczych łatwo się przekonać, jak wiele produktów zawiera syrop glukozowo-fruktozowy (high-fructose corn syrup, HFCS; syrop G-F). Dużo się mówi o jego szkodliwości; ukazywały się publikacje dowodzące, że jest głównym winowajcą epidemii otyłości, zespołu metabolicznego i cukrzycy. Ile w tym jest prawdy? Żeby odpowiedzieć na to pytanie, trzeba najpierw wyjaśnić różnice między glukozą i fruktozą.

Glukoza i fruktoza

Są to cukry proste zaliczane do heksoz (bo mają 6 atomów węgla). Glukoza jest aldozą, a fruktoza ketozą, co znaczy, że glukoza zawiera grupę aldehydową, a fruktoza ketonową (Ryc. 1).

Ryc. 1. Glukoza i fruktoza, wzory w projekcji Fishera (A) i Hawortha (B). Źródło: Wikipedia, domena publiczna.

Różnica w budowie powoduje, że fruktoza jest ok. dwukrotnie słodsza od glukozy. Wiąże się to z różną dostępnością grup hydroksylowych, które we fruktozie bardziej „wystają”, powodując lepsze oddziaływania z receptorami smaku słodkiego (pisałem o nich we wpisie o smaku).

Chyba wszyscy lubią słodki smak, ale aż do początków ery przemysłowej jedynym dostępnym słodkim pokarmem był miód. Produkcja cukru z trzciny cukrowej była wprawdzie znana już w starożytności, ale roczne spożycie takiego cukru w Europie nie było większe niż 1 łyżeczka na rok. Dopiero na początku XIX wieku rozpoczęła się przemysłowa produkcja cukru, najpierw z trzciny cukrowej, którą uprawiano głównie w Indiach Zachodnich (czyli na wyspach Morza Karaibskiego), a później z buraków cukrowych (to już w Europie). Jaki to był cukier? Sacharoza, czyli α-D-glukopiranozylo-(1→2)-β-D-fruktofuranoza. Nazwa skomplikowana, ale jest to po prostu połączenie glukozy z fruktozą w stosunku 1:1 (Ryc. 2).

Ryc. 2. Sacharoza. Źródło: Wikipedia, domena publiczna.

Sacharoza była podstawową substancją używaną do słodzenia aż do lat 70 XX wieku, kiedy opracowano technologię produkcji syropu glukozowo-fruktozowego. Dziś jego spożycie w USA zrównało się ze spożyciem sacharozy. W Europie sacharoza wciąż dominuje.

Jak powstaje syrop glukozowo-fruktozowy?

Ze skrobi, czyli polimeru glukozy (Ryc. 3). Głównym źródłem skrobi do produkcji syropu w USA, które są jego największym producentem na świecie, jest kukurydza. W Europie powstaje głównie z pszenicy. Po ok. 40-godzinnym namoczeniu zmielonych ziaren kukurydzy lub pszenicy w temperaturze 50oC następuje mechaniczne rozdzielenie skrobi od białek, a następnie jej enzymatyczna degradacja na podjednostki glukozowe. Powstaje w ten sposób syrop składający się wyłącznie z glukozy, który ma jedną wadę ( z punktu widzenia producenta): jest stosunkowo mało słodki. Dlatego w następnym kroku dodaje się enzym o nazwie izomeraza glukozowa, która przerabia glukozę na fruktozę. W pierwszym etapie procesu powstaje syrop o zawartości fruktozy 42% (HFCS-42). Dodaje się go do większości przetworzonych produktów spożywczych. Zawartość fruktozy może być dalej zwiększona do 90% (za pomocą tego samego enzymu). Taki syrop nie jest jednak stosowany bezpośrednio, ale mieszany z syropem 42%. Powstały w wyniku tego syrop o zawartości 55% (HFCS-55) jest używany do słodzenia napojów.

Ryc. 3. Podjednostka skrobi: cząsteczki glukozy połączone wiązaniami β1→4. Źródło: Wikipedia, domena publiczna.

Fruktoza czyli cukier owocowy

Tak więc syrop glukozowo-fruktozowy to mieszanina glukozy i fruktozy, przy czym fruktozy może być 42% albo 55%. Dla porównania, miód pszczeli składa się z 25 -35% glukozy, 35 – 40% fruktozy, oraz maltozy (dimer glukozy, 2%) i sacharozy (3%). Sacharoza, jak to już było wspomniane, składa się w 50% z glukozy i w 50% z fruktozy. Wszystkie te produkty zawierają glukozę i fruktozę, a różnice w ich wzajemnym stosunku są niewielkie. A jakie mogą być skutki spożywania glukozy i fruktozy? Czy jeden cukier jest „zdrowszy” od drugiego?

Glukoza jest ważnym paliwem dla naszych komórek i jedynym, z którego może korzystać nasz mózg i czerwone krwinki. Rozkład glukozy (czyli glikoliza) prowadzi do powstania pirogronianu, z którego z kolei powstają dwuwęglowe jednostki. Z nich w ramach cyklu Krebsa otrzymujemy elektrony o wysokiej energii, które służą do produkcji ATP, jedynego nośnika energii dla naszych komórek. Odbiorcą tych elektronów jest tlen; jeżeli jest dostępny, mamy do czynienia z tlenowym rozkładem glukozy. Jeżeli go nie ma (np. w pracujących mięśniach, kiedy naczynia krwionośnie nie mogą go dostarczyć), to powstaje mleczan. Tak więc glukoza może być łatwo i szybko przekształcana w energię przez wszystkie komórki naszego ciała.

Inaczej ma się rzecz z fruktozą. Jedynym narządem, który może ją efektywnie rozkładać, jest wątroba. Ze względu na to, że rozkład fruktozy omija podstawowy etap regulatorowy glikolizy (katalizowany przez fosfofruktokinazę), fruktoza jest w stanie prawie całkowicie zatrzymać rozkład glukozy w wątrobie. Inaczej mówiąc, jeżeli zjemy taką samą ilość glukozy i fruktozy, to fruktoza ulegnie rozkładowi jako pierwsza. Ponadto, fruktoza spożyta w dużej ilości powoduje „zalanie” szlaków metabolicznych w wątrobie. Skutkiem jest podwyższenie syntezy kwasów tłuszczowych, ich estryfikację (w jej wyniku powstają tłuszcze) i zwiększone wydzielanie cząstek LDL (low-density lipoprotein). Cząstki LDL rozprowadzają tłuszcze i cholesterol po naszym organizmie, ale w nadmiarze mogą odkładać się w naczyniach powodując miażdżycę. LDL to jest właśnie tzw. „zły” cholesterol. Jeżeli stężenie LDL w surowicy wynosi powyżej 135 g/100 ml, to zaleca się jego obniżenie.

Syrop glukozowo-fruktozowy, słodzone napoje i soki owocowe

Problemem nie jest więc sam skład syropu glukozowo-fruktozowego, ponieważ sacharoza, którą znamy od lat, zawiera prawie tyle samo fruktozy (czyli ok. 50%). Problem leży gdzie indziej: nasze organizmy nie są przystosowane do spożywania dużej ilości prostych węglowodanów w krótkim czasie. Najwięcej łatwo przyswajalnych prostych węglowodanów jest w słodzonych napojach, chociaż przemysł spożywczy słodzi wszystko co może, nawet ketchupy czy „serki wiejskie”. Popatrzmy na tabelę przedstawiającą zawartość glukozy i fruktozy w szklance napoju:

Jak widać, szklanka coca-coli zawiera ok 26,5 g węglowodanów (są to dwie stołowe łyżki cukru). Jeżeli jest słodzona sacharozą, to 12,5 g z tego stanowi fruktoza, a jeżeli syropem glukozowo-fruktozowym, to 13,7 g. Tak więc cola słodzona syropem G-F zawiera minimalnie więcej fruktozy niż słodzona sacharozą, ale nie tak dużo więcej: 1,1 g, czyli ok. 1/5 łyżeczki cukru. Nie zmienia to faktu, że fruktozy jest w niej dużo. Za dużo. Ta fruktoza (a także glukoza, której jest prawie tyle samo) bardzo szybko wchłania się w naszym jelicie cienkim i trafia do krwiobiegu. Jeżeli uprawiamy akurat sport, to glukoza zostanie wykorzystana przez mięśnie. Co innego fruktoza: ta w całości trafia do wątroby, która jest w stanie przetworzyć 25 g fruktozy dziennie z wytworzeniem „klasycznych” produktów glikolizy. Mogą one posłużyć do wytwarzania ATP. Każda ilość fruktozy powyżej tej wartości zostaje przetworzona na tłuszcze, rozprowadzane w organizmie przez cząstki LDL. Bardzo podobny mechanizm ma miejsce w wyniku spożywania alkoholu etylowego. Oczywiście fruktoza nie ma jego właściwości wpływających na nasz mózg, ale metabolicznie całkiem go przypomina.

Co z sokami owocowymi?

Tu jest jeszcze gorzej, ponieważ wprawdzie całkowita zawartość węglowodanów jest minimalnie niższa niż w napojach typu cola (tabela), ale zawartość fruktozy może być nawet wyższa. W szklance soku jabłkowego jest o 20-30% fruktozy więcej niż w coli (16,3 g w soku wobec 13,7 w coli). Dla porównania, 100-gramowe jabłko zawiera ok. 6 g fruktozy.

W szklance soku pomarańczowego fruktozy jest wprawdzie 10-15% mniej niż w coli, ale to jest nadal bardzo dużo. Tak czy inaczej, dwie szklanki coli (wszystko jedno, czym słodzonej) albo dwie szklanki soku to nasz dobowy limit na „zdrowy” metabolizm fruktozy. Jeżeli spożyjemy jej więcej, nie jest to nic dobrego dla naszego organizmu.

Wniosek jest następujący: jednym z winowajców w wielu problemach zdrowotnych, które trapią naszą cywilizację (otyłość, zespół metaboliczny, cukrzyca, choroba wieńcowa serca) są oczyszczone proste cukry: glukoza i fruktoza. Z tej pary fruktoza jest gorsza.

A co z syropem glukozowo-fruktozowym? To raczej czarna legenda. Słodzi się nim zamiast sacharozą, bo jest od niej tańszy. Ale wcale nie jest od niej gorszy, a w porównaniu do soków owocowych może być nawet lepszy, bo te zawierają więcej fruktozy. Ale to wszystko zależy od ilości. Nikomu nie zaszkodzi szklanka soku (czy coli) wypita od czasu do czasu. Ale jeżeli takie napoje wchodzą w skład naszej codziennej diety, to nie jest to nic dobrego dla naszego zdrowia.

Literatura dodatkowa

Czym jest, a czym nie jest syrop glukozowo-fruktozowy

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0002916523233948

Zawartość glukozy i fruktozy w napojach

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0899900714001920?via%3Dihub

Skład miodu pszczelego

https://www.jandonline.org/article/S0002-8223(06)00879-0/fulltext

Fizjologia smaku (5): mapa języka, czyli czym jest prawda w nauce?

“Mapa języka”. Według: Wikipedia, MesserWoland. Licencja CC BY-SA 3.0.

To już piąty (a zarazem ostatni) odcinek mojego cyklu o fizjologii smaku. Pisałem jak wyczuwamy różne smaki i jak złożony może być mechanizm tego zjawiska:

1. Jak wyczuwamy smak.

2. Cierpkość czyli taniny.

3. Pełność czyli kokumi.

4. Ostrość czyli kapsaicyna.

Na koniec tego cyklu coś, co do dziś budzi kontrowersje: mapa języka. Chyba każdy słyszał o  o ściśle określonym rozkładzie receptorów smaku na języku, nazywanym mapą jezyka. Zgodnie z nią smak słodki jest wyczuwany przez przednią część języka, smak słony i słodki przez jego boczne części, a smak gorzki przez tylną część. Była uznawana za obowiązującą aż do początku XXI wieku, kiedy oficjalnie stwierdzono, że nic takiego nie istnieje. Ale czy na pewno? Sprawa nie jest wcale jednoznaczna. Zacznijmy od chronologii wydarzeń.

Historia badań nad odczuwaniem smaku

Wszystko zaczęło się w 1892 r., kiedy L. E. Shore z Uniwersytetu w Cambridge opublikował pracę na temat zagadkowych właściwości liści Gymnema sylvestre, która jest rośliną z rodzaju Gymnema występującą na subkontynencie indyjskim. Ma ciekawą cechę: żucie jej liści powoduje, że przestaje się czuć słodki smak. Autor stwierdził, że faktycznie tak jest: odczuwanie słodkiego smaku znika na około godzinę. Ale przy okazji zbadał też, jak różne części języka reagują na substancje o różnym smaku. Sporządził seryjne rozcieńczenia roztworów gliceryny, chininy, kwasu siarkowego i soli kuchennej (które mają odpowiednio słodki, gorzki, kwaśny i słony smak) i  wyznaczył dla każdej z tych substancji tzw. próg pobudzenia na przedniej, bocznej i tylnej części języka. Próg pobudzenia to najniższe stężenie substancji, przy którym smak staje się wyczuwalny. I tak, glicerynę (smak słodki) wykrywał w stężeniu 0,5% na przodzie języka, 2,5% na bocznej, a 1,5% na jego tylnej części. Z chininą (smak gorzki) było odwrotnie: 0,025% na przodzie języka, 0,005 na bocznej i 0,001% na tylnej części. Kwas siarkowy wykrywał w stężeniu 0,01% na przodzie języka, 0,05% na bocznej i 0,02% na tylnej części. Tak więc próg pobudzenia dla smaku słodkiego na przedniej części języka był 3 razy niższy, niż w tylnej części. W przypadku smaku gorzkiego było odwrotnie: próg pobudzenia na tylnej części był 25 razy niższy niż na przedniej. Autor nie stwierdził żadnych różnic w wykrywaniu smaku słonego (L.E. Shore, J. Physiol. 1892).

Dziewięć lat później David Pauli Hanig wyznaczył 29 miejsc na języku i badał progi pobudzenia w tych miejscach u pięciu osób (jedna z nich nazywała się Dr Moebius). Uzyskane przez niego dane były w zasadzie podobne do wyników Shore’a. Określony przez niego próg pobudzenia dla gliceryny to 0,33% na przodzie języka i 1,3% na jego tylnej części (u Shore’a 0,5% i 1,5%). Dla chininy progi te wynosiły odpowiednio 0,00045% i 0,00007% (u Shore’a 0,025% i 0,01; widać chinina Haniga była lepiej oczyszczona). Próg dla smaku kwaśnego wynosił 0.04% na przodzie i z tyłu języka, ale 0,02% z boku. Podobnie jak u Shore’a, nie było różnic w wykrywaniu smaku słonego.

Autor przedstawił wyniki w postaci wykresu zależności odwrotności progu pobudzenia (oś Y) od lokalizacji na języku (oś X). Ponieważ wartości progów były różne dla różnych substancji, przyrównał wszystkie te wielkości do wyników dla smaku gorzkiego, gdzie odwrotności były najwyższe (D.P. Hanig, Philosoph. Studien 1901, Ryc. 1A).

Jego dane zmodyfikował w 1942 r. E.G. Boring, który podzielił odwrotność progu pobudzenia uzyskaną dla każdej lokalizacji przez maksymalną odwrotność progu. Przykładowo w miejscu, gdzie próg był najniższy dla smaku słodkiego (przód języka, 0,33%) odwrotność progu była najwyższa (3,03). W ten sposób zdolność do wyczuwania czterech smaków można było przedstawić na jednym wykresie. Z wykresu Boringa wynika, że zdolność do wyczuwania smaku słodkiego jest najwyższa na przodzie języka, a smaku gorzkiego z tyłu. Nie było różnic dla smaku kwaśnego i słonego. 

Ale z wykresu tego można wyciągnąć jeszcze jeden, całkiem fałszywy wniosek: w miejscach, gdzie wartość Y wykazuje minimum (tył języka dla smaku słodkiego, przód dla smaku gorzkiego) w zasadzie nie ma żadnej wrażliwości na dany smak. Tymczasem taka wrażliwość jest najwyżej 4 razy niższa niż w miejscu maksymalnie wrażliwym (Ryc. 1B).

Ryc. 1. A. Mapa języka według Haniga i progi pobudzenia w różnych miejscach języka (kolory dodane przez mnie, Haning D.P., Philosoph. Studien 1901).

B. Dane Haniga zmodyfikowane przez Boringa (Boring E.G., Sensation and Perception in the History  of Experimental Psychology1942 r.). Według: Spence C., Curr. Res. Food Sci. 2022, 5:598-610. Licencja CC BY-SA 4.0.

Taką “mapę języka” spopularyzował A.J. Haagen-Smit, który w artykule opublikowanym  w “Scientific American” w 1952 r. pokazał różną wrażliwość fragmentów języka na słodki, gorzki i kwaśny smak. Ten sam autor stwierdził też, że wrażliwość na smak słony jest najwyższa w przednio-bocznej części języka, chociaż nie pokazał tego żaden z wymienionych autorów (Ryc. 2A).

“Mapa języka” Haagen-Smita, mimo że co najmniej w części pozbawiona jakichkolwiek podstaw doświadczalnych, została powtórzona w licznych podręcznikach fizjologii. Tam już otwartym tekstem pisano, że słodki smak czujemy przednią częścią języka, gorzki tylną, a słony i kwaśny boczną. Również polskie podręczniki do fizjologii (np. Władysław Z. Traczyk, Fizjologia Człowieka w Zarysie) pokazywały taką mapę (Ryc. 2B).

Ryc. 2. Lokalizacja regionów wrażliwych na smak słodki, gorzki, kwaśny i słony.

A. Regiony języka wrażliwe na cztery smaki (Haagen-Smit A.J., Scientific American, 1952).

B. „Mapa języka”, którą znamy z podręczników fizjologii (Schiffman P.R. The skin, Body and Chemical Senses, 1995). Według: Spence C., Curr. Res. Food Sci. 2022, 5:598-610. Licencja CC BY-SA 4.0.

Błędna interpretacja wyników Haniga wzięła się z niezrozumienia różnic pomiędzy progiem pobudzenia, czyli najniższym stężeniem substancji wywołującym reakcję, odwrotnością progu pobudzenia czyli wrażliwością i względną wrażliwością. Wrażliwość jest proporcjonalna do liczby receptorów dla danego smaku w danym regionie języka. Natomiast względna wrażliwość umożliwia porównanie względnych wrażliwości na jednym wykresie, ale nie można na jej podstawie wyciągać wniosków o ilości receptorów dla danego smaku w różnych regionach języka. Pokazuję to na Ryc. 3.

Ryc. 3. Próg pobudzenia, wrażliwość (1/próg pobudzenia) i względna wrażliwość (1/próg pobudzenia podzielony przez maksymalną wartość 1/próg pobudzenia) dla smaku słodkiego. Dane: Haning D.P., Philosoph. Studien 1901.

O manipulacji danymi przedstawianymi na wykresach pisał Wiesław Seweryn.

Mapy języka nie ma?

Wątpliwości na temat „mapy języka” narastały jednak od lat. Doświadczenia wykonywane na transgenicznych myszach pozbawionych receptorów dla poszczególnych smaków sugerowały, że komórki receptorowe dla poszczególnych smaków są rozmieszczone równomiernie na języku. Kluczowa publikacja na ten temat ukazała się w 2006 r. Stwierdzono w niej, że każdy kubek smakowy zawiera pięć rodzajów komórek receptorowych odpowiedzialnych za wykrywanie pięciu rodzajów smaków. Aktywacja tych komórek receptorów substancjami o smaku słodkim, kwaśnym, gorzkim, słonym i umami powoduje powstanie potencjałów czynnościowych przesyłanych do mózgu. Tak więc żadnej „mapy języka” nie ma. I tak wydawało się, że sprawa jest już definitywnie załatwiona.

Czy może jednak jest coś na rzeczy?

Badania nad wrażliwością na poszczególne smaki ciągle wykazywały jednak istnienie pewnych (chociaż niezbyt dużych) różnic w wyczuwaniu smaków. Dotyczyło to zwłaszcza smaku słodkiego, gorzkiego i umami. Tak jak pokazali to Shore i Hanig, większość osób wyczuwa smak słodki lepiej na przedniej części języka, a smak gorzki i umami na jego tylnej części. Jaka może być przyczyna tych różnic? Jedną z nich może być różnica w unerwieniu: przednia część języka  (ta, która zawiera brodawki grzybopodobne) jest unerwiona przez nerw o nazwie struna bębenkowa (chorda tympani). Tylna i boczna część, zawierająca brodawki liściaste i obwodowe jest unerwiona przez nerw językowo-gardłowy (nervus glossopharyngeus). Nerwy te przesyłają sygnał do różnych płatów kory mózgowej, co może skutkować różnym odczuwaniem tych smaków. Wiele badań potwierdza, że smak słodki daje silniejszą odpowiedź w strunie bębenkowej, a smak gorzki w nerwie językowo-gardłowym. W 1985 r. uczeni badający fizjologię mózgu suma (Silurus glanis) zaproponowali teorię, że są dwa systemy związane z odczuwaniem smaku: przód języka odpowiada za wybór pożywienia, a tył za wchłanianie i ochronę przed truciznami. U człowieka może mieć miejsce podobny mechanizm.

O ile smaki słodki, gorzki i umami mogą być wyczuwane w zróżnicowany sposób przez kubki smakowe rozlokowane w różnych regionach języka, to na pewno nie ma różnic w wyczuwaniu smaku słonego i kwaśnego. Co mają ze sobą wspólnego te smaki? Za ich odczuwanie odpowiadają kanały jonowe. Można spekulować, że aktywacja komórek receptorowych za pomocą takich kanałów zachodzi szybciej niż tych, które muszą związać cząsteczkę żeby aktywować białko G (tak jak to ma miejsce w przypadku smaku słodkiego, gorzkiego i umami). Może się to przekładać na różnice w progach aktywacji dla różnych miejsc języka.

Należy też brać pod uwagę ilość śliny w różnych miejscach jamy ustnej. Dzienna produkcja śliny to 0,6 – 1,5 litra, a bez niej nie jesteśmy wyczuć żadnego smaku. Uważa się, że substancje słodkie lepiej rozpuszczają się w ślinie niż substancje o smaku gorzkim i umami, co może powodować wyższą zdolność wyczuwania tych ostatnich w tylnej części języka (bo zdążyły się już rozpuścić).

I jeszcze jedno: wyczuwanie smaku jest ściśle powiązane z wyczuwaniem zapachu. W czasie jedzenia uwolnieniu ulegają wonne substancje, które aktywują receptory węchowe w jamie nosowej. Większość doznań związanych z jedzeniem to wrażenia zapachowe, a nie smakowe. Dlatego np. jedząc budyń o smaku bananowym mamy wrażenie smaku bananów, chociaż taki budyń zawiera jedynie związek chemiczny nadający bananom charakterystyczny zapach (octan izoamylu). Smak budyniu zawierającego ten związek i budyniu, który go nie zawiera, jest dokładnie taki sam. Dlatego mówiąc o odczuwaniu smaku nie możemy skupiać się tylko na aktywacji receptorów smakowych, bo wrażenia węchowe są z nimi ściśle powiązane.

Podsumowanie

“Mapa języka” jest przykładem procesu, w którym złożony problem starano się przedstawić w uproszczony sposób, a skutkiem było zupełne wypaczenie pierwotnego odkrycia. Pierwsze doniesienia na temat różnej zdolności do wykrywania smaków w różnych miejscach języka ulegały w kolejnych publikacjach takim przekształceniom, że w końcu powstał fałszywy obraz rzeczywistości w który wszyscy uwierzyli. Dziś wiemy, że „mapa języka”, którą przedstawiały podręczniki w XX wieku, nie istnieje. Każda brodawka smakowa zawierająca kubki smakowe (liściasta, grzybopodobna i obwodowa) zawiera sześć (bo w międzyczasie doszedł smak tłusty) komórek receptorowych odpowiadających za wyczuwanie sześciu podstawowych smaków. Nie znaczy to jednak, że odczuwanie różnych smaków przez różne regiony języka jest dokładnie takie samo, bo wpływ na to ma wiele dodatkowych czynników, takich jak unerwienie języka, wytwarzanie śliny czy zróżnicowane powinowactwo receptorów wobec różnych cząsteczek. To już element psychofizyki, czyli nauki badającej zależności między fizycznymi właściwościami bodźców a psychicznymi wrażeniami, które one powodują. Sprawa jest bardzo skomplikowana i może nigdy nie dowiemy się, jak jest naprawdę. Jak powiedział Karl Popper (austriacko-brytyjski filozof i teoretyk nauki): teorię naukową można jedynie obalić, ale nigdy nie można jej udowodnić. W naukach biologicznych chyba tak właśnie jest.

Literatura

Mapa języka: współczesne poglądy

https://doi.org/10.1016/j.crfs.2022.02.004

O równym rozmieszczeniu receptorów smaku

https://www.nature.com/articles/nature05401

Dwa systemy odbierania wrażeń smakowych

https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.3969566

Rola śliny i zapachu w percepcji pokarmu

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jafc.8b01998

Fizjologia smaku (4): kapsaicyna, czyli ogień w gębie

Papryczki chili. Źródło: Wikipedia, Cliff Hutson. Licencja CC BY-SA 2.0.

To już czwarty tekst na temat odczuwania smaku. W poprzednich pisałem o receptorach smaku, substancjach powodujących cierpkość, takich jak taniny i substancjach, które powodują, że jedzenie ma doskonały smak, co nazywamy efektem kokumi.

A co z potrawami o ostrym smaku, czyli takich, po których pali w ustach i w gardle? Przeważnie zawierają owoce różnych gatunków ostrej papryki. Papryka (Capsicum) to roślina z rodziny psiankowatych (Solanaceae), a więc krewna ziemniaka i pomidora. Pochodzi z Ameryki Środkowej i Południowej. Jest wiele jej gatunków, a wśród nich chyba najbardziej znana jest papryka chili. Nazwa chili pochodzi z języka Indian Nahuatl, którzy nazywali tak gatunek papryki uprawiany przez Azteków już 3000 lat przed naszą erą. Zawiera kapsaicynę, która jest organicznym związkiem chemicznym zaliczanym do alkaloidów (Ryc. 1).

Ryc. 1. Kapsaicyna. Grupa waniloidowa w czerwonym kółku. Źródło: Wikipedia, domena publiczna.

Skala Scoville’a

Czy ostry smak potrawy da się ilościowo zmierzyć? Służy do tego skala ostrości nazywana skalą Scoville’a. Wprowadził ją amerykański chemik Wilbur Scoville w 1912 r. Podawał osobom testującym roztwory ostrych substancji o różnym rozcieńczeniu, a one raportowały, kiedy zaczynają odczuwać pieczenie. Wartość Scoville’a dla czystej kapsaicyny wyznaczono na 16 000 000 jednostek, nazywanych jednostkami Scoville’a (Scoville Heat Units, SHU). Dziś wartości Scoville’a wyznacza się za pomocą wysokociśnieniowej chromatografii cieczowej, ale skala pozostaje ta sama. W Tabeli 1 wymieniono niektóre przyprawy i związki chemiczne o piekącym działaniu i ich wartości Scoville’a. Jak widać, kapsaicyna nie jest wcale najbardziej piekącą substancją; rezynyferatoksyna, produkowana przez roślinę Euphorbia resinifera jest od niej 1000 razy mocniejsza.

Tabela 1. Wartości Scoville’a dla różnych substancji i przypraw. Źródło: Wikipedia.

Jak działa kapsaicyna?

Wiąże się do białka o nazwie TRPV1 (waniloidowy receptor przejściowego potencjału 1; transient receptor potential vanilloid 1). Jest to jeden z dwóch receptorów smaku słonego.

Ale TRPV1 występuje nie tylko w receptorach kubków smakowych, ale także (a raczej przede wszystkim) na obwodowych zakończeniach włókien nerwowych. Receptory te biorą udział w powstawaniu i przewodzeniu uczucia bólu, a także sygnalizują, kiedy temperatura wzrasta powyżej 43oC (co też jest bolesne).

Białko TRPV1 składa się z sześciu fragmentów przebijających błonę komórkową (czyli transmembranowych). We fragmencie N-końcowym znajduje się domena wiążąca ankyrinę, która jest białkiem szkieletu komórkowego. We fragmencie C-końcowym jest domena TRP, która reaguje na podwyższenie temperatury (Ryc. 2).

Ryc. 2. Schemat budowy receptora TRPV1, fragmenty transmembranowe S1-S6 pokazano w postaci walców. ARD: domena wiążąca ankyrinę, TRP: domena wyczuwająca przejściowe zmiany potencjału, np. w podwyższonej temperaturze.  Źródło: Tang F., Zheng J., Protein Cell 2017, 8:169–177. Licencja CC BY-SA 4.0.

Kanał sodowo-wapniowy w białku TRPV1 jest zazwyczaj zamknięty, ale może otworzyć się pod wpływem kilku czynników. Może to być temperatura wyższa niż 43oC, a także czynniki powstające w wyniku uszkodzenia tkanki, takie jak bradykinina. Do agonistów TRPV1, czyli substancji łączących się z receptorem i powodujących jego aktywację zalicza się też neurotoksyczne peptydy wchodzące w skład jadu niektórych pająków (np. ptasznika trynidadzkiego czyli Psalmopoeus cambridgei). Toksyny te noszą nazwę wanilotoksyn, ponieważ w ich skład wchodzi grupa waniloidowa. Grupa ta jest obecna w wanilinie, jednym ze składników zapachowych wanilii. Kapsaicyna też ją zawiera (Ryc. 1). Zarówno wanilotoksyny, jak kapsaicyna i jej pochodne wiążą się do transmembranowego fragmentu S4, co powoduje przemieszczenie fragmentu S6 i otwarcie kanału dla jonów Na+ i Ca2+ (Ryc. 3).

Ryc. 3. A: Struktura TRPV1 (błona lipidowa pokazana w postaci jasnoniebieskich dysków). B: Miejsce wiązania kapsaicyny (CAP) do transmembranowego fragmentu S4. C: Związanie kapsaicyny (CAP) do fragmentu S4 powoduje przemieszczenie (fioletowa strzałka) transmembranowego fragmentu S6 (pokazane w postaci czerwonych walców) i otwarcie kanału dla jonów (niebieska strzałka). Źródło: Tang F., Zheng J., Protein Cell 2017, 8:169–177. Licencja CC BY-SA 4.0.

Otwarcie kanału powoduje, że jony Na+ i Ca2+ wpływają do wnętrza komórki, powodując powstanie potencjału czynnościowego, który przemieszcza się do mózgu powodując odczucie bólu oraz gorąca. Takie receptory nazywane są nocyceptorami, bo po łacinie „nocere” to szkodzić (Ryc. 4).

Ryc. 4. Aktywacja TRPV1 przez różne czynniki powoduje przesłanie sygnału do mózgu. Źródło: Anand P., Bley K., Br. J. Anaesthesia 2011, 107: 490–502. Licencja CC BY-SA 4.0.

Tak więc obecność kapsaicyny powoduje aktywację receptorów bólowych. Pojawia się też nieprzyjemne odczucie gorąca, o czym może zaświadczyć każdy, kto jadł naprawdę ostre danie (po angielsku na takie dania mówi się „hot”).

Dlaczego papryka wytwarza kapsaicynę? Żeby odstraszyć potencjalnych amatorów jej owoców, takich jak roślinożerne zwierzęta, a także grzyby pasożytnicze. Większość zwierząt (w tym owady) jest wrażliwa na kapsaicynę, z tym że u ptaków ta wrażliwość jest stosunkowo niska ze względu na trochę odmienną w stosunku do ssaków budowę TRPV1. Dlatego ptaki chętnie jedzą papryczki chili, przyczyniając się to ich rozsiewania. Wśród ssaków ciekawy jest przypadek wiewiórecznika o nazwie tupaja północna (Tupaia belangeri). Jej TRPV1 ma punktową mutację, przez wrażliwość na kapsaicynę jest podobna jak u ptaków. Okazało się, że tupaje jedzą jeden z gatunków pieprzu, Piper boehmeriaefolium, który zawiera dużo związków spokrewnionych z kapsaicyną.

Nagroda Nobla 2021 r.

Piekące właściwości papryki znane były już Aztekom, a od lat 70. XX wieku postulowano, że kapsaicyna musi się wiązać do jakiegoś receptora (tylko wtedy go jeszcze nie znano). W 1997 r. zespół Davida Juliusa z Uniwersytetu Kalifornijskiegotworzy kompleks z receptorem w San Francisco sklonował i scharakteryzował taki receptor z neuronów szczura i wykazał, że jest to jonowy kanał reagujący na podwyższoną temperaturę, a także obecność kapsaicyny. Ponieważ jego sekwencja była podobna do innych białek z rodziny TRP (transient receptor potential), nazwano go TRPV1. W 2002 r. ten sam zespół oraz niezależnie od niego grupa  Ardema Patapoutiana z centrum badawczego Scripps w Kalifornii scharakteryzowały receptor TRPM8, który jest kanałem jonowym otwierającym się w niskiej temperaturze. Aktywatorem TRPM8 jest mentol, substancja nadająca smak i zapach mięcie. Dlatego jedząc miętówki albo żując gumę o smaku peppermint odczuwamy zimno: zawarty w nich mentol aktywuje receptory zimna (w tym TRPM8) na podobnej zasadzie, na której kapsaicyna aktywuje receptory ciepła. Rok później zespół Davida Juliusa scharakteryzował receptor TRPA1, który podobnie jak TRPV1 jest przekaźnikiem bólu, a ponadto ulega aktywacji przez izotiocyjanian allilu, który jest substancją odpowiedzialną za ostry smak musztardy i chrzanu. Dlatego TRPA1 nazywa się też receptorem Wasabi (Ryc. 5).

Ryc. 5. Izotiocyjanian allilu. Źródło: Wikipedia, domena publiczna.

Artem Patapoutian z zespołem odkryli jeszcze jeden receptor o nazwie Piezo 2, który jest kanałem jonowym aktywowanym przez siłę mechaniczną i wchodzi w skład komórek odpowiadających za dotyk, takich jak komórki Merkla. David Julius i Artem Patapoutian otrzymali Nagrodę Nobla z fizjologii lub medycyny w r. 2021 (Ryc. 6).

Ryc. 6. Mechanizm działania receptorów bólu i temperatury (TRPV1) oraz dotyku (Piezo2). Według: Wikipedia, Guido 4. Licencja CC BY-SA 4.0.

Kapsaicyna jako lek?

Kapsaicyna wchodzi w skład wielu maści i plastrów rozgrzewających o lokalnym działaniu przeciwbólowym. Uważa się, że jej mechanizm działania polega na „odczuleniu” receptorów bólowych. Ale jej potencjalne zastosowanie to także leczenie bólów przewlekłych, ponieważ  białko TRPV1 tworzy kompleks z receptorem opioidowym µ, znanym też jako MOR1. Jest to główny receptor opioidowy: związanie morfiny przez ten receptor powoduje zniesienie odczuwania bólu. Oba białka kooperują ze sobą w przesyłaniu sygnału. Długotrwałe stosowanie morfiny powoduje jednak internalizację (czyli wciągnięcie do wnętrza komórki) receptorów MOR1. Pojawia się wtedy tolerancja wobec tej substancji, a skutkiem jest konieczność stosowania coraz większych dawek morfiny dla uzyskania tego samego efektu. Wydaje się więc, że połączenie morfiny i kapsaicyny może dać dobre wyniki terapeutyczne.

Literatura dodatkowa

Odczuwanie ostrego smaku

https://www.mdpi.com/2304-8158/12/12/2317

Budowa i funkcja TRPV1

https://phmd.pl/api/files/view/1453758.pdf

Nagroda Nobla z fizjologii lub medycyny 2021

https://link.springer.com/article/10.1007/s00424-022-02667-x