Zur molekularen Wahrnehmung von „Geschmack“

Zur molekularen Wahrnehmung
von „Geschmack“
süß
sauer
salzig
bitter
1
Was ist Geschmack?
•
•
•
•
•
•
Süß (Biol. Anzeichen für Kohlenhydrate)
Bitter (Biol. Anzeichen für Verderb, Gift)
Sauer (Biol. Anzeichen für Verderb, Gift)
Salzig (Ionenhaushalt: anziehend in niedrigen Konz., abstoßend in
hohen)
Umami (Biol. Anzeichen für Protein)
Fett (Fettsäuren) ???
Geschmacksstörungen/Geschmacksfunktion
Totale oder partielle Ageusie:
Fehlen oder Verlust des Empfindens aller oder einzelner Geschmacksqualitäten
Dysgeusie:
Auftreten unangenehmer, ungewöhnlicher Geschmackseindrücke
Hypogeusie:
Pathologisch veränderte Geschmacksempfindung
2
Bitter
Umami
Salzig
Sauer
0,25
Quinizolat
1000
(+)-Catechin
500
4000
4000
Coffein
AMP
Glutaminsäure
2000
L-Cystein
7500
14000
2600
NaCl
Milchsäure
Zitronensäure
2000
Essigsäure
Süß
90000
Glucose
24000
Saccharose
0
20000
40000
60000
80000
Geschmacksschwelle [µmol/L]
Physiologie der Geschmacksorgane
Wallpapillen
Blattpapillen
Pilzpapillen
Pilz
Blatt
(Papillae fungiformae) (Papillae foliatae)
Wall
(Papillae circumvallatae)
aus: Bufe, Diss. 2003; Dudel, 1996; Hatt, 2001
3
Geschmacksknospe
30-70 µm
Geschmacksrezeptoren
(TRC‘s)
Pilz
Blatt
20-40
µm foliatae)
(Papillae fungiformae)
(Papillae
Wall
(Papillae circumvallatae)
aus: Bufe, Diss. 2003; Dudel, 1996; Hatt, 2001
Geschmacks-“Pattern“
Antwortverhalten von vier
verschiedenen einzelnen
Geschmacksnervenfasern
Original-Nervenimpulse
einzelner Nervenfasern
Charakteristische
Pulszahlen/sec je nach
Stimulus
4
Innervierung der Geschmackssinneszellen
Pons
Positionierung wichtiger Bestandteile im Gehirn
Gyrus postcentralis
5
Nach T. Hummel
Reizauslösung und Signaltransduktion
2 Gruppen
Salzig, sauer:
über Ionenkanäle (ionotrop)
Süß, bitter, umami:
metabotrop, G-Protein (Guanylnucleotid-bindendes Protein)-gekoppelt
6
Sauer-Geschmack
H+-Ionen, pH<3,5, Aufhebung des Sauergeschmacks durch Neutralisation
Beeinflussung des Sauergeschmacks durch
Länge der Kohlenstoffkette der Säure
In Membran der Mikrovilli zwei Typen von Sauerrezeptor-Kanalproteinen:
Amilorid-sensitiver Na+-Kanal
Hyperpolarisations-aktivierter, durch cyclische Nukleotide modulierter Kationenkanal
Salz-Geschmack
Ionen geordnet nach „Salzigkeit“:
Kationen: NH4>K>Ca>Na>Li>Mg
Anionen: SO4>Cl>Br>I>HCO3>NO3
Außenraum der Geschmackszelle (Mundraum)
Speichel und Geschmacksstoffe
Geschmackszelle
Hohe Dichte an Na+-/K+-Pumpen, ATPasen
Transportieren eingeflossene Kationen
wieder aus der Zelle
Wiederherstellung der Erregbarkeit der Zelle
7
DAG: Diacylglycerin
IP3: Inositoltriphosphat
PIP2: Phosphatidylinositolbisphosphat
PDE: Phosphodiesterase
PLC: Phospholipase C
AC: Adenylatcyclase
G: G-Protein (Gustducin)
Rezeptoren: Lokalisation und Aufbau, Funktionsprinzipien
8
Grundbauprinzip der Bitterrezeptoren
Extrazellulär
Cytosolisch
modifiziert nach W. Meyerhof,
Rev. Physiol. Biochem. Pharm. 2005
Signalauslösung
funktionelle Rezeptoren: 25
hTAS2Rx
Bitterstoff
Kationen
Extrazellulär
TRPM5-Kanal
PLC β2
Cytosolisch
PIP2
Gustducin Gβ
β
IP3
Gγγ
Depolarisation
der Zelle
Gβ
β
Gγγ
Ca2+
2. Signalkaskade
Mechanismus?
Neurotransmitter
Freisetzung
modifiziert nach W. Meyerhof,
Rev. Physiol. Biochem. Pharm. 2005
9
Rezeptorstudien: Calcium-Imaging
Bitterstoff
Extrazellulär
PLC β2
Cytosolisch
G15
PIP2
IP3
Fluo-4
Ca2+
modifiziert nach W. Meyerhof,
Rev. Physiol. Biochem. Pharm. 2005
Signaldetektion im Einzelzell-Calcium-Imaging
Fura-2
wwwalt.med-rz.uni-sb.de
wwwalt.med-rz.uni-sb.de/med_fak/biophys
10
Signaldetektion im Einzelzell-Calcium-Imaging
„Angeboren“:
die genetischen Grundlagen
Beispiel Bittergeschmack
Supertaster, Taster, Nontaster
S
S
Bitterrezeptor hTAS2R38
HN
H2N
N
H
Phenylthiocarbamid
PTC
NH
O
Propylthiouracil
PROP
Verschiedene Bittergene
Gen-Polymorphismen:
150 Bitterrezeptorvarianten! Korrelation mit regionalen Ernährungsbedingungen
Bufe et al., Nature Genetics 2002
Mennella et al., 2005; Drewnowski et al., 2007
Gent und Bartoshuk, 1983
11
hTAS2R38
S
S
H2N
EC50 [mM]
H2N
N
H
S
O
HN
N
H
O
Propylthiouracil
PROP
2,1
Acetylthiocarbamid
Phenylthiocarbamid
PTC
1,1
NH
25
S
Gen-Polymorphismen:
Supertaster, Taster, Nontaster
HN
Korrelation mit
regionalen Ernährungsbedingungen?
?
O
Goitrin
modifiziert nach Bufe et al., Nature Genetics 2002
Schieberle, Hofmann, Chem. Unserer Zeit, 2003
Struktur-Aktivitäts-Beziehungen bei hTAS2R16
β-D-Glucopyranoside
geringer Einfluss
RO
HO
HO
ausschließl.
äquatorial
Größe/Hydrophobizität
R1
O
O
OH
oder S
β -Glykosid!
äquatorial od. axial
gleiche Aktivitäten in vivo und in vitro!
N
R
HO
?
HO
HO
OSO3-
O
S
OH
Glucosinolate
12
Bittergeschmack
Denatoniumbenzoat
Bitterwert:
reziproker Wert der Verdünnung eines Stoffes, der gerade noch bitter schmeckt.
Standardsubstanz Chinin, um individuelle Unterschiede bei der Wahrnehmung des
Geschmacks auszugleichen.
Ein Bitterwert von 1000:
1 g der Substanz bzw. ein Extrakt aus 1 g Droge in 1000 ml Wasser
schmeckt gerade noch bitter schmeckt.
Amarogentin: Bitterwert 58.000, d.h. 1g Amarogentin macht 58.000 L Wasser bitter
Die Komplexität des Bittergeschmacks (I)
Klasse
Untergruppe
Beispiel
Lebensmittel
Isoprene
Triterpenoide
Sesquiterpenoide
Bittersäuren
Limonin
Cucurbitacin
Tetrahydroridentin
Humulone/Lupulone
Citrusfrüchte
Kürbis, Zucchini, Gurke
Löwenzahn, Artischocke
Hopfen
Alkaloide
Purinderivate
Steroidderivate
Coffein, Theobromin
Solanin
Kaffee, Tee, Kakao
Kartoffel, Aubergine
Phenole
Hydroxyzimtsäurederivate
Flavanon-7-glykoside
Flavanole (Catechine)
Flavonol(-3-glykoside)
Sinapin
Naringin
(Epi)catechin(gallate)
Quercetin
Senf, Raps
Grapefruit, Bitterorange
Kakao, Wein, Tee
Tee
Glykoside
Cyanogene Glykoside
Glucosinolate
(Thiooxazolidone)
Amygdalin
Progoitrin
(Goitrin)
Bittermandeln, Steinobst
Kohlarten, Raps
13
Die Komplexität des Bittergeschmacks (II)
Substanzklasse
Untergruppe
Lebensmittel
Proteinderivate
Peptide, Aminosäuren
Käse, Joghurt
Lipidderivate
(Hydroxy-)Fettsäuren
Fisch, Hafer, Soja
thermisch gener. Bitterstoffe Chlorogensäure-Derivate
Diketopiperazine
Aminohexosereduktone
Cyclopentaazepinone
Quinizolate
Dihydropyrrolizine
Kaffee, Kakao, Malz (Bier)
Die Komplexität des Bittergeschmacks (III)
Klasse
Untergruppe
Beispiel
Positive Wirkungen
Isoprene
Triterpenoide
Limonin
antikanzerogen
Sesquiterpenoide
Bittersäuren
Cynaropikrin
Humulone/Lupulone
verdauungsfördernd
sedativ, antikanzerogen
Alkaloide
Purinderivate
Steroidderivate
Coffein, Theobromin
Solanin
anregend
positiv inotrop
Phenole
Hydroxyzimtsäurederivate
Flavanon-7-glykoside
Flavanole (Catechine)
Proanthocyanidine
Flavonol(-3-glykoside)
Sinapin
Naringin
(Epi)catechin(gallate)
Di- bis Pentamere
Quercetin
antioxidativ
antikanzerogen
anti-inflammatorisch
Glykoside
Cyanogene Glykoside
Glucosinolate
(Thiooxazolidone)
Amygdalin
Progoitrin
(Goitrin)
antikanzerogen
antikanzerogen
antikanzerogen
14
Purinalkaloide
O
O
N
HN
O
CH3
H3C
N
N
O
CH3
O
N
N
CH3
H3C
N
N
O
N
N
CH3
Theobromin
1,7-Dimethylxanthin
H
N
N
CH3
Theophyllin
1,3-Dimethylxanthin
Coffein
1,3,7-Trimethylxanthin
schwach bitter
0,2-1,2 mmol/L Wasser
Limonoide
O
O
Reifung
O
O
O
O
pH3
O
OH
H
H
O
H
H
O
O
O
COOH
O
Arthrobacter
globiformis
Limonin
bitter
O
H
H
O
O
Limonin-monolacton
nicht bitter
O
COOH
O
Dehydro-Limonin-monolacton
nicht bitter
15
Flavanon-7-glykoside
R1
Glykosid
R2
Neohesperidose
O-α-L-Rhap-(1→2)-β -D-Glcp bitter!
Naringin, Poncirin, Neohesperidin
Rutinose
O-α-L-Rhap-(1→6)-β -D-Glcp
O
Glykosid O
nicht bitter
OH
O
OH
Neodiosmin
OCH3
O
Neohesperidosid-O
OH
geschmacklos
unterdrückt Geschmack von Naringin
Limonin
und teilweise Coffein, Chinin
O
Flavanole (Catechine)
Flavan-3,4-diol
OH
O
HO
(O)H
OH
OH
OH
OH
8
HO
OH
O
OH
O
6
(O)H
R
4
OH
OH
OH
OH
OH
(+)-(Gallo)Catechin
(-)-Epi(gallo)catechin
OH
8
OH
Schwelle [mmol/L]
1
O
HO
0,8
R
4-8
OH
6
0,6
(4-8)-Dimer
(4-8)-Trimer
(4-8)-Tetramer
(4-8)-Pentamer
(4-8)-Hexamer
0,4
0,2
0
bitter
OH
OH
OH
O
HO
R
OH
OH
Proanthocyanidine
16
Hydroxyzimtsäurederivate
- Chlorogensäuren
OMe Ferulasäure
OH Kaffeesäure
Chinasäure
OH
OH
COOH
1
Kaffeerösten
5
HO
4
1. Umesterungen
2. Epimerisierungen
3. Intramol. Cyclisier.
HOOC
3 OH
OH
Hydroxyzimtsäuren
sauer, adstringierend, nicht bitter
O
O
O
O
OR
O
5
HO
R = Kaffeesäure
O
RO
HO
HO
4
3
OR
OR
OR
0,01 mmol/L
OR
bitter
adstringierend
belegend
0,05 mmol/L
0,01 mmol/L
Strukturaufklärung von Bitterstoffen und Bildungswegen über Modellsysteme
Beispiel: Bildung von Aminohexosereduktonen
Maillard
HO
O
HO
H2O
OH
HO
OH
OH
O
N
O O
H
N
O
HO
OH
N
N
O
O
HO
OH
OH
N
N
Schwelle: 0,03 mmol/L
+
O
Schwelle: 0,8 mmol/L
17
Strukturaufklärung von Bitterstoffen und Bildungswegen über Modellsysteme
Problem: Nebenreaktionen in komplexen Lebensmitteln
Maillard
HO
O
Cystein
HO
N
OH
-CO2
O
O
S
Furothiazin
nicht bitter!
Prolin
N
O
+
-CO2
N
+
O
COOH
OH
H
O
OH2
Cycloten
Hydrol.
Kond.
O
N
H
O
Azepinon
0,06 mmol/L
N
H
EnaminIminTauto.
O
N
H
N
H
OH
OH
Konkurrierende Reaktionen in komplexen Lebensmitteln
bei Bildung chemosensorisch aktiver Substanzen
O
Azepinon
0,2 - 0,3 mmol/L
Potente Bitterstoffe
18
N
+
N
H
+
N
O
O
O
"Cooling"
Nebenweg: Bildung kühlender Substanzen
Weitere thermisch generierte Bitterstoffe
O
O
N
N
HO
R2
+
N
O
R3
R1
O
Dihydropyrrolizine
Quinizolate
0,00025 mmol/l
aus Xylose/Rhamnose + Alanin
Faktor 2000 niedriger als Coffein!
19
Quinizolate (1-Oxo-2,3-dihydro-1H-indolizinium-6-olate)
HO
OH O
H
HO
HO
H
OH
O
-3H2O
-CO2
-RCHO
+ prim AS
O
H
N
+
HO
OH
N
-2H2O
O
O
N
O
+
HO
OH
N
O
OH
b
O
-H2CO
+
O
O
H
O
H
HO
a
O
O
H
+
b
a
O
O
O
H
HO
H
N
O
Homoquinizolat
0,001 mmol/L
2x
OH
H
HO
H 2N
CHO
O
O
Xylose
O
Quinizolat
0,00025 mmol/L!
Thermisch generierte Bitterstoffe durch intramolekulare Cyclisierung
R1
O
R
N
H
O
H
N
O
R1
H
N
O
O
N
H
R2
R
R2
Diketopiperazine
20
Synergistische Effekte
H3C
N
N
O
R1
CH3
N
O
NH
O
HN
NH
O
O
Theobromin
N
CH3
N
CH3
R2
O
N
HN
Diketopiperazin
Theobromin
Enzymatische, Stress-induzierte Bitterstoff-Generierung: Karotte
OH
O
OH
O
CHO
OMe
O
MeO
CH3
MeO
O
CH3
MeO
OMe
3-Methyl-6-methoxy8-hydroxy-3,4-dihydroisocoumarin
6-Methoxymellein
5-Hydroxy-7-methoxy2-methylchromon
Eugenin
2,4,5-Trimethoxybenzaldehyd
Gazarin
0,10 mmol/kg
0,35 mmol/kg
0,18 mmol/kg
R1
R1
OH
OH
AcO
R2
R2
OH
H
OH
[mmol/L]
Falcarindiol
0,04
Falcarinol
0,08
Falcarindiol-3-acetat 0,20
Czepa, Hofmann,
JAFC 2003, 2004
21
Süß-Geschmack
Zucker
Einige Aminosäuren, Peptide, Alkohole
Süßstoffe
Süßstoffe, Zuckeraustauschstoffe
Süßstoffe:
synthetisch hergestellte oder natürliche Ersatzstoffe für Zucker
i.d.Regel mit wesentlich stärkerer Süßkraft
(je nach Süßstoff-Art 10- bis 3000-fach süßer)
Sehr wenige oder keine Kalorien, kein Substrat für Karies verursachende Bakterien
Süßkraft der Süßstoffe wird auf Saccharose bezogen (Süßkraft =1)
Zugelassene Süßstoffe:
Acesulfam, Aspartam, Cyclamat, Saccharin,
Sucralose, Thaumatin
Zuckeraustauschstoffe:
süß schmeckende Kohlenhydrate mit geringerem Einfluss auf Blutzuckerspiegel
Süßkraft ähnlich Saccharose
z.B. Sorbit, Mannit, Isomalt, Maltit, Lactit, Xylit, Erythrit, Fructose
22
Süß-bitter Beziehungen
OMe
COOH
bitter
H2N
S
H H
N
COOCH3
H
O
RO
NH
O
S
O O
OH
OH
O
Neohesperidin
süß
H2N
H H
N
COOCH3
H
OMe
O
COOH
OH
RO
NH
OH
S
O O
O
OH
O
Saccharin
Aspartam
Neohesperidin dihydrochalcon
Süß-bitter Beziehungen
OH
N
Cl
bitter
Cl
O
O
OH Cl
OH
OH
OH
O
Cl
N
OH
OH
OH
OH
OH
O
OH
O
süß
OH
OH
O
OH
OH
O
OH
OH
Saccharose
N
Cl
O
Cl O
OH
OH
Cl
OH
Sucralose
Perillartin
23
Umami-Geschmack
L-Glutaminsäure
Inosin-5'-monophosphat
Guanosin-5′-monophosphat
Beispiel „Fettgeschmack“
Energieträger
Quelle essentieller Fettsäuren
Transporter wichtiger Vitamine
Aromaträger
Textur/Mundgefühl
24
„Angeboren“:
die genetischen Grundlagen
Beispiel „Fett“geschmack
• Detektion von Fett über Textur, retronasale Aromawahrnehmung
• Geschmack? CD36 Fettsäurerezeptor: Detektion langkettiger Fettsäuren
Offene Fragen:
Wallpapille
Mensch?
Individualität des Fettgeschmacks?
Optimale Bedingungen?
Blattpapille
Reizverarbeitung, Wirkmechanismen?
Pilzpapille
Lipase-
Regulierung der CD36-Expression?
Weitere CD36-Funktionen im Körper?
Sekretion
Modifiziert nach Hatt, 2001
Laugerette et al., 2007
Geschmackstestung
Taste strips
Gustometer analog Olfactometer
25
Charakterisierung geschmacksaktiver Substanzen
Half-Tongue-Testing
Control
Stimulus
modifiziert nach Stark, T.; Hofmann, T. JAFC 2005
H3C
N
N
O
R1
CH3
N
O
O
HN
NH
NH
O
O
O
CH3
N
N
CH3
R2
Theobromin
N
HN
Diketopiperazin
Theobromin
Charakterisierung geschmacksaktiver Substanzen
Taste Dilution Analysis (TDA), Geschmacksverdünnungsanalyse (Hofmann, 2001)
1. ProbenVorfraktionierung
z.B. mittels HPLC
1:1
1:1
1:1
1:1
2. TDA der
Fraktionen
26
Hofmann - Annals NY Acad Sci - 2006
Geschmacksmodulatoren
Veränderung der ursprünglichen sensorischen Qualität in Mischung mit Modulator
Gymne(m)asäuren (gymnemic acids)
Blockade von süß
Mirakulin (Glycoprotein)
Sauer → süß
Wunderbeere
27
Geschmacksmodulatoren
Protomere von Alapyridain
Beeinflussung der Intensität verschiedener Geschmacksstoffe durch Alapyridain
28
Geschmackswahrnehmung in Gelen unterschiedlicher
Textur
Süß
3
Textur modifiziert
Geschmackswahrnehmung
2
1
Geschmackswahrnehmung
modifiziert Geruchswahrnehmung
0
el
10
%
4%
G
G
el
Geschmacksintensität
Salzig
Beeinflussung der Geruchswahrnehmung durch den
Geschmack
Fruchtig
Aroma-Intensität
3
2
PTR-MS
Atemanalyse
1
O
hn
e
G
es
c
hm
ac
k
+
Zu
ck
+ er
Sa
lz
0
Kein signifikanter Unterschied in
Atemprofilen für Ethylbutanoat
Buettner, Mestres
Proc. 3rd Int. PTR-MS Conf.
Obergurgl, Austria, 2007
29