Η χημική ένωση του μήνα

 [Απρίλιος 2007]

Επιμέλεια σελίδας:

Θανάσης Βαλαβανίδης, Καθηγητής - Κωνσταντίνος Ευσταθίου, Καθηγητής

Βενζοϊκό δενατόνιο: Η πιο πικρή γνωστή ένωση

Η ένωση βενζοϊκό δενατόνιο (ΒΔ) (denatonium benzoate) έχει την εξαιρετικά ενδιαφέρουσα ιδιότητα να είναι η ουσία με την πιο ισχυρή πικρή γεύση μεταξύ των γνωστών χημικών ουσιών. Από χημική άποψη πρόκειται για ένα άλας αποτελούμενο από ένα οργανικό κατιόν τεταρτοταγούς αμμωνίου και από ένα οργανικό ανιόν, το ανιόν του βενζοϊκού οξεός. Tο βενζοϊκό ανιόν δεν συνεισφέρει ουσιαστικά στην πικρή γεύση της ένωσης και συχνά αντικαθίσταται από το ανιόν της συνθετικής γλυκαντικής ύλης σακχαρίνης (denatonium saccharide) [Αναφ. 3-5]. Η ονομασία της ένωσης προέρχεται από τη λέξη "denaturation" (μετουσίωση) και την κατάληξη "onium" που υποδηλώνει κατιόν τεταρτοταγούς αμμωνίου (R₄N⁺).

Το ΒΔ ανακαλύφθηκε το 1958 (MacFarlan Smith, Εδιμβούργο) κατά τη διάρκεια πειραμάτων παρασκευής νέων αναισθητικών ουσιών. Η δομή του δενατονίου μοιάζει αρκετά με το τοπικό αναισθητικό λιδοκαΐνη (lidocaine) (γνωστή και ως ξυλοκαΐνη), η οποία έχει επίσης εξαιρετικά πικρή γεύση και διαθέτει ουσιαστικά την ίδια χημική δομή και υπολείπεται μόνο κατά μία βενζυλική ομάδα (-CH₂C₆H₅).

Λιδοκαΐνη (ή ξυλοκαΐνη)

Μια από τις κυριότερες χρήσεις του ΒΔ είναι η μετουσίωση της αιθανόλης. Έτσι, στην αιθανόλη η οποία χρησιμοποιείται ως διαλύτης ή καύσιμο ("φωτιστικό οινόπνευμα" ή "μπλε οινόπνευμα"), προστίθεται μεθανόλη, πυριδινικές ενώσεις, πετρέλαιο, χρώμα και άλλα συστατικά (νομοθετικώς προβλεπόμενα από κάθε κράτος) για να αποτραπεί η παράνομη χρήση της για την παρασκευή αλκοολούχων ποτών, εφόσον η αιθανόλη για τη χρήση αυτή υπόκειται σε υψηλούς φόρους. Πολλοί εθνικοί κανονισμοί προβλέπουν και την προσθήκη ΒΔ για να αποτραπεί η κατά λάθος κατάποση της μετουσιωμένης αιθανόλης.

Στο εμπόριο το ΒΔ διατίθεται ως καθαρή ένωση με την εμπορική ονομασία BITREX (από το bitter: πικρό) ή AVERSION (aversion: αποστροφή, αντιπάθεια), αλλά και ως διάλυμα 20% σε αιθανόλη ή αιθυλενογλυκόλη.

Η χρήση του ΒΔ είναι υποχρεωτική σε ορισμένα τοξικά προϊόντα για λόγους ασφαλείας, γιατί τα καθιστά τόσο πικρά και απωθητικά στη γεύση που ο άνθρωπος ή τα ζώα δεν μπορούν να τα καταπιούν. Χαρακτηριστικά αναφέρεται ότι η πικρή γεύση του ΒΔ γίνεται αντιληπτή ακόμη και σε αραίωση 1:50.000.000. Συνήθως επαρκεί μια συγκέντρωση 10 ppm (0,001%) σε ένα υγρό προϊόν για να το καταστήσει γευστικά ανυπόφορο για τον άνθρωπο, χωρίς στη συγκέντρωση αυτή να μεταβάλλει κάποια από τις υπόλοιπες χρήσιμες ιδιότητες του προϊόντος.

Η τοξικότητα του ΒΔ είναι περιορισμένη και δεδομένου ότι οι απαιτούμενες συγκεντρώσεις του για να καταστήσουν ένα υγρό απωθητικά πικρό είναι ελάχιστες, θα πρέπει να θεωρηθεί ότι η χρήση του είναι ουσιαστικά ακίνδυνη για τον άνθρωπο. Έτσι, κατά τις τελευταίες δεκαετίες προστίθεται σε διάφορα υγρά προϊόντα όπως στη μετουσιωμένη αλκοόλη, στο αντιψυκτικό υγρό, σε υγρά σαπούνια και σαμπουάν, χρώματα για να εμποδίσει την κατά λάθος κατάποσή τους, αλλά ακόμη και σε βερνίκια επίπλων για να μην τα γλύφουν νήπια και να μην τα δαγκώνουν κατοικίδια ζώα. Ακόμη χρησιμοποιείται σε λοσιόν και σε βερνίκια νυχιών ως μέσο απαλλαγής νηπίων από συνήθειες όπως το πιπίλισμα των δακτύλων και το "νευρικό" δάγκωμα των νυχιών.

Από το 1995 διάφορες πολιτείες των ΗΠΑ απαίτησαν νομοθετικά την υποχρεωτική προσθήκη του ΒΔ σε διάφορα προϊόντα και ιδιαίτερα στο αντιψυκτικό αυτοκινήτων, τα υγρά των καθαριστήρων τζαμιών και σε αλκοόλες (μεθυλική, ισοπροπυλική) οι οποίες είναι ισχυρά δηλητήρια. Τα αντιψυκτικά των αυτοκινήτων θεωρούνται ως υπεύθυνα για πολλούς θανάτους (ατυχήματα, αλλά και δολοφονίες), επειδή ως κύριο συστατικό περιέχουν τη γλυκιά σε γεύση αιθυλενογλυκόλη (HOCH₂CH₂OH), η οποία ωστόσο είναι εξαιρετικά τοξική. 'Ετσι, θεωρείται ότι το ΒΔ έχει σώσει τη ζωή πολλών παιδιών και ζώων που θα μπορούσαν να καταπιούν τέτοια υγρά από απροσεξία ή λόγω της γλυκιάς τους γεύσης ή της ευχάριστης οσμής τους.

Βασικές γεύσεις - Στοιχεία φυσιολογίας της γεύσης

Ο άνθρωπος μέσω των αισθητηρίων οργάνων του αναγνωρίζει τις εξής πέντε βασικές γεύσεις: 1) Πικρή (biter), 2) αλμυρή (salty), 3) όξινη (sour), 4) γλυκεία (sweet) και 5) γεύση ουμάμι (umami) ή πικάντικη.

Το τελευταίο είδος γεύσης, η γεύση ουμάμι, έχει προστεθεί πρόσφατα και αναφέρεται σε ένα είδος γεύσης που παρέχουν ορισμένα αμινοξέα και άλατά τους και κυρίως το γλουταμικό και το ασπαρτικό οξύ, όπως και κάποια νουκλεοτίδια. Περιγράφεται ως γεύση πικάντικη (savoury), κρεατώδης (meaty) και ως γεύση ζωμού κρέατος (brothy) και αυτό περίπου είναι το νόημα της λέξης ουμάμι στην Ιαπωνική γλώσσα. Η γεύση ουμάμι θεωρείτο ανέκαθεν ως ξεχωριστή γεύση στην Ασιατική κουζίνα, όχι όμως και στη Δυτική. Ωστόσο, η γεύση ουμάμι όχι μόνο είναι σημαντική, αλλά αποδείχθηκε ότι ως γευστική αίσθηση διαθέτει ξεχωριστούς γευστικούς υποδοχείς, όπως και οι άλλες βασικές γεύσεις, γεγονός το οποίο δικαιωματικά πλέον την εντάσσει στις βασικές γεύσεις. Η γεύση ουμάμι συνδέεται με την περιεκτικότητα μιας τροφής σε πρωτεΐνες και τυπικό παράδειγμα γεύσης ουμάμι αποτελεί η γεύση του ψητού μπέικον και των ωριμασμένων τυριών (π.χ. παρμεζάνα, ροκφόρ). Το πλέον κοινό ενισχυτικό γεύσης που προστίθεται σε διάφορα τρόφιμα, το όξινο γλουταμικό (ή γλουταμινικό) νάτριο (monosodium glutamate, MSG) βασίζεται στην ενίσχυση της γεύσης ουμάμι. Περισσότερα για τη γεύση ουμάμι,  μπορούν να αναζητηθούν στην αναφορά 6 [αναφ. 6,7].

Το βασικό αισθητήριο όργανο της γεύσης είναι η γλώσσα, η οποία είναι καλυμμένη κυρίως κατά την άνω τραχεία επιφάνειά της με τις θηλές (papillae), οι οποίες είναι μικροσκοπικές προεξοχές ή μικροσκοπικές κόκκινες κηλίδες και διακρίνονται στις μυκητοειδείς θηλές (fungiform papillae) [που αποτελούν και την πλειονότητα των θηλών και βρίσκονται στο πρόσθιο τμήμα της γλώσσας], στις φυλλώδεις θηλές (filiform papillae) και στις περιχαρακωμένες θηλές (circumvallate papilae). Μεγάλο τμήμα της επιφάνειας των θηλών καλύπτονται από τους γευστικούς κάλυκες (taste buds ή gustatory calyculi). Εκτός από τη γλώσσα, γευστικοί κάλυκες βρίσκονται στην υπερώα (ουρανίσκο), στην επιγλωττίδα και σε τμήματα του λάρυγγα και του φάρυγγα.

Οι γευστικοί κάλυκες καταλαμβάνουν το επιθήλιο των θηλών και εκβάλλουν στην επιφάνειά του με ένα μικρό στόμιο, τον γευστικό πόρο (taste pore). Οι γευστικοί κάλυκες έχουν ωοειδές σχήμα (ύψους 50-60 μm και πλάτους 30-70 μm) και συνίστανται δύο είδη επιμηκυμένων κυττάρων: τα γευστικά κύτταρα (gustatory ή taste cells), τα υποστηρικτικά κύτταρα (sustenacular cells) και τα βασικά κύτταρα (basal cells), που αν και αισθητήρια κύτταρα δεν συνεισφέρουν στην αίσθηση της γεύσης.

Τα γευστικά κύτταρα καταλήγουν κατά το ένα άκρο σε δενδριτικές προεκβολές που ονομάζονται γευστικά τριχίδια (gustatory hair, microvilli). Στην επιφάνεια αυτών των τριχιδίων βρίσκονται οι χημειοϋποδοχείς (chemoreceptors), όπου γίνεται η "χημική πρόσδεση" των ουσιών διαφόρων γεύσεων. Στο άλλο άκρο των γευστικών κυττάρων βρίσκονται οι συνάψεις με τα γευστικά νεύρα [Αναφ. 7].

Όλοι οι γευστικοί κάλυκες δεν παρουσιάζουν την ίδια ευαισθησία προς τις διάφορες γεύσεις. Έτσι, π.χ. ιδιαίτερη ευαισθησία προς τη γλυκιά και αλμυρή γεύση έχουν οι γευστικοί κάλυκες στο πρόσθιο τμήμα της γλώσσας, ενώ πιο ευαίσθητοι στη πικρή γεύση είναι οι γευστικοί κάλυκες στο οπίσθιο τμήμα της γλώσσας (βλέπε σχήμα). Ο άνθρωπος διαθέτει περίπου 10.000 γευστικούς κάλυκες και κάθε ένας από αυτούς περιλαμβάνει 50 έως 150 γευστικά κύτταρα. Ο αριθμός των γευστικών καλύκων μειώνεται κατά τη γήρανση με αποτέλεσμα τη μείωση της αντίληψης των διάφορων γεύσεων στα ηλικιωμένα άτομα.

Ορισμένα άτομα χαρακτηρίζονται από μεγάλη πυκνότητα θηλών και έτσι διαθέτουν εξαιρετικά ευαίσθητη γεύση (υπεργευστικά άτομα, supertasters). Η πυκνότητα των γευστικών θηλών μπορεί εύκολα να διαπιστωθεί οπτικά χρησιμοποιώντας μια κυανή χρωστική τροφίμων που διευκολύνει τη διάκρισή τους, όπως δείχνεται στην παραπλεύρως εικόνα [Αναφ. 8].

Γευστικοί υποδοχείς

Στο επόμενο σχήμα (με βάση την αναφορά 7) δείχνεται ο βασικός μηχανισμός της χημείας της γεύσης. Πρόκειται για ένα συνδυασμό πολλών και ιδιαίτερα πολύπλοκων αλληλουχιών βιοχημικών αντιδράσεων στις οποίες εμπλέκονται απλά ανόργανα ιόντα, όπως και μια ποικιλία από μόρια πρωτεϊνών.

Γευστικό κύτταρο (αριστερά) και γευστικοί υποδοχείς (με κόκκινο χρώμα) στην κυτταρική μεμβράνη.

Στην ακραία μεμβράνη (apical membrane) του γευστικού κυττάρου και κυρίως στην περιοχή των γευστικών τριχιδίων βρίσκονται οι διάφοροι χημειοϋποδοχείς (με κόκκινο χρώμα στο σχήμα), που στην περίπτωση αυτή δρουν ως γευστικοί υποδοχείς (taste receptors, TR). Οι γευστικοί υποδοχείς είναι πρωτεΐνες με περιοχές υποδοχής και πρόσδεσης με τα διάφορα γευσιγόνα (tastants), δηλαδή τα μόρια ή τα ιόντα που δημιουργούν τις διάφορες γεύσεις, και έτσι παρέχουν τη μοριακή εξειδίκευση (molecular specificity) για τη γευστική αντίληψη. Οι προσδέσεις γευστικών υποδοχέων - γευσιγόνων πρέπει να είναι "χαλαρές", έτσι ώστε μια συγκεκριμένη γεύση να παρέρχεται μόλις απομακρυνθούν τα γευσιγόνα από την περιοχή των γευστικών τριχιδίων.

Αν και ο αριθμός των γευσιγόνων είναι τεράστιος, ο αριθμός των γευστικών υποδοχέων είναι σχετικά μικρός. Μόλις το γευσιγόνο προσδεθεί με ένα γευστικό υποδοχέα, επάγει μια αλληλουχία βιοχημικών διεργασιών στο εσωτερικό του γευστικού κυττάρου. Οι διεργασίες αυτές εξαρτώνται από το είδος του γευστικού υποδοχέα. Σε κάθε περίπτωση καταλήγουν σε αύξηση της συγκέντρωσης ιόντων Ca²⁺ (είτε με εισροή από τα εξωκυτταρικά υγρά, είτε από την εσωτερική παρακαταθήκη ασβεστίου του κυττάρου), γεγονός που "πυροδοτεί" τη δημιουργία "ηλεκτρικού σήματος" το οποίο μέσω του αντίστοιχου νευρώνα (νευρικού κυττάρου) φθάνει στον εγκέφαλο.

Ένα γευστικό κύτταρο δεν περιέχει όλα τα είδη γευστικών υποδοχέων, αλλά ένας γευστικός κάλυκας περιλαμβάνει μια ποικιλία γευστικών κυττάρων από τα οποία άλλα έχουν υποδοχείς για την όξινη γεύση, άλλα για τη γλυκιά, άλλα για τη γεύση ουμάμι, κ.λπ.

Για την αλμυρή και την όξινη γεύση οι γευστικοί υποδοχείς δρουν ως δίαυλοι διείσδυσης των ιόντων Na⁺ και Η⁺, που διεγείρουν τις αντίστοιχες γεύσεις, ενώ στην περίπτωση της γλυκιάς και της πικρής γεύσης πραγματοποιείται πρόσδεση των μορίων που διεγείρουν τις γεύσεις αυτές με τις αντίστοιχες πρωτεΐνες TR. Για τη γεύση ουμάμι φαίνεται ότι υπάρχει ένας συνδυασμός των δύο αυτών διαφορετικών μηχανισμών επίδρασης γευσιγόνου-γευστικού υποδοχέα. 

Για τις ευχάριστες γεύσεις (γλυκιά και ουμάμι) υπάρχει μια οικογένεια τριών υποδοχέων T1R που βρίσκονται κατά ζεύγη. Τα γευσιγόνα που παρέχουν γλυκιά γεύση συνδέονται με ένα υποδοχέα αποτελούμενο από τις υπομονάδες T1R2 και T1R3. Χαρακτηριστικό είναι το γεγονός  ότι οι γάτες δεν έχουν την αντίληψη της γλυκιάς γεύσης, επειδή το γονιδίωμά τους δεν περιέχει περιοχή που θα εκφραζόταν με την πρωτεΐνη T1R2. Ποντικοί, που έχουν υποστεί μετάλλαξη ώστε το γονιδίωμά τους να εκφράζεται με την πρωτεΐνη T1R2, διαθέτουν την ικανότητα αντίληψης της γλυκιάς γεύσης. Ο υποδοχέας που αποτελείται από ένα σύμπλεγμα των T1R1 και T1R3 συνδέεται με τα L-γλουταμικά και άλλα L-αμινοξέα, τα οποία παρέχουν αντίληψη γεύσης ουμάμι [Αναφ. 9].

Λίγα επιπλέον πράγματα για την πικρή γεύση

Η πικρή γεύση (bitter taste, bitterness) αναγνωρίζεται από τον άνθρωπο ως μια δυσάρεστη, οξεία ή ενοχλητική γεύση. Θεωρείται ότι αναπτύχθηκε στον άνθρωπο ως άμυνα κατά των δηλητηριωδών ουσιών, που είναι συνήθως πικρές, σε αντίθεση με τις ευχάριστες γεύσεις που ωθούσαν τον άνθρωπο στην πρόσληψη θρεπτικών ουσιών (υδατάνθρακες, πρωτεΐνες).  Ωστόσο, δεν είναι τοξικές όλες οι πικρές ουσίες (όπως π.χ. ο καφές), όπως επίσης δεν είναι αβλαβείς όλες οι γλυκές ουσίες.

Η αντίληψη της πικρής γεύσης, οι αντίστοιχοι γευστικοί υποδοχείς και οι σχετικοί μηχανισμοί έχουν εξετασθεί περισσότερο, σε σχέση με τις υπόλοιπες βασικές γεύσεις. Η έρευνα έδειξε ότι υπάρχουν οι γευστικοί υποδοχείς TAS2R (taste receptors, type 2) που είναι συμπλοκοποιημένοι με την  G πρωτεΐνη  (gustducin) και είναι υπεύθυνοι για την ικανότητα του ανθρώπου να αναγνωρίζει τις πικρές ουσίες. Οι υποδοχείς αυτοί αναγνωρίζονται όχι μόνο από την ικανότητα αντίληψης της πικρής γεύσης ορισμένων ουσιών, αλλά και από τη μορφολογία των υποδοχέων καθαυτών (επιφανειακή πρόσδεση).

Η ένταση της αντίληψης διάφορων γεύσεων έναντι συγκεκριμένων ουσιών αποτελεί γενετικό χαρακτηριστικό, εφόσον η παρουσία ή όχι ορισμένων περιοχών στο γονιδίωμα αντιστοιχούν στην παρουσία ή όχι θέσεων σύνδεσης των γευστικών υποδοχέων με τις ουσίες αυτές. Είναι χαρακτηριστική η περίπτωση των απλών (συνθετικών) ουσιών φαινυλοθειοκαρβαμιδίου (phenylthiocarbamide, PTC) και 6-κ-προπυλοθειο-ουρακίλης (6-n-propylthiouracil, PROP), οι οποίες χρησιμοποιούνται για τη μελέτη του γενετικού υπόβαθρου της πικρής γεύσης (genetic taste markers) [Αναφ. 10]. Για ορισμένους ανθρώπους οι ουσίες αυτές είναι πικρές και για άλλους τελείως άγευστες.

Φαινυλοθειοκαρβαμίδιο (PTC)                  6-κ-προπυλο-θειο-ουρακίλη (PROP)

Έτσι, έχει βρεθεί ότι κατά μέσο όρο το 70% των ανθρώπων αντιλαμβάνεται την πικρή γεύση της PTC. Το ποσοστό αυτό κυμαίνεται από 58% για τους ιθαγενείς (αβορίγινες) της Αυστραλίας έως και 98% για τους ινδιάνους της Αμερικής [αναφ. 11]. Οι ιδιότητες αυτές έχουν γίνει αντικείμενο πολλών γενετικών ερευνών, αλλά και της εξελικτικής γενετικής, δηλαδή του πώς αναπτύχθηκε η ανθρώπινη γεύση και ιδιαίτερα η ευαισθησία προς τις πικρές ουσίες.

Πηγές από το Διαδίκτυο

1.   Bitrex: "Technical Information".

2.   RC Pharmachem: "Denatonium benzoate: Material Safety Data Sheet"

3.   All Experts: "Denatonium: Encyclopedia".

4.   C-TECH Corporation: "Bitrex-Denatonium benzoate".

5.   Wikipedia: "Denatonium".

6.   Umami Information Center: "What is umami?".

7.   Tim Jacob: "Taste - A brief tutorial".

8.   BBC: Science & Nature (Human Body and Mind): "Test your tastebuds".

9.   Colorado State University: "Physiology of taste".

10. Wikipedia: "Basic taste".

11. Wikipedia: "Phenylthiocarbamide".

Επιστημονική Βιβλιογραφία

1.   Rodgers S: "Characterizing bitterness: Identification of key structural features and development of a classification model", J. Chem. Inf. Model 46(2):569-576, 2006. [Abstract]

2.   Wentao Y, Sunavala G, Rosenzweig S, et al.: "Bitter taste transduced by PLC-β[2]-dependent rise in IP[3] and a-gustducin-dependent fall in cyclic nucleotides", Am. J. Physiol. Cell Physiol. 49:C742-751, 2001. [PDF]

3.   Ishimaru Y, Inada H, Kubota M, et al.: "Transient receptor potential family members PKD1L3 and PKD2L1 form a candidate sour taste receptor", Proc. Natl. Cad. Sci. USA, 103(33):12569-12574, 2006. [PubMed]

4.   Rosenzweig S, Yan W, Dasso M, Spielman AI: "Possible novel mechanism for bitter taste mediated trough eGMP", J. Neurophysiol. 81:1661-1665, 1999. [PubMed]

5.   Lindemann B: "Receptors and transduction in taste. Review", Nature  413:219-225, 2001. [PDF]