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