«Οχι δεν ειναι ο θανατος που θ΄αντιμετωπισουμε παρά μια τόση δα σταγόνα φθινοπωρινής βροχής. Ένα θολό συναίσθημα η μυρωδιά του νοτισμένου χώματος μεσ'στις ψυχές μας που οσο παν κι  απομακρύνονται» (Οδυσσέας Ελύτης)

Η μυρωδιά της βρεγμένης γης μετά από μια ασθενή βροχή, έχει γίνει αισθητή από όλους μας συνήθως συνοδευόμενη και από ένα ευχάριστο συναίσθημα.

Υπεύθυνη γι’ αυτή την μυρωδιά είναι η χημική ένωση geosmin (Γή +οσμή), μια δικυκλική αλκοόλη. Παράγεται από έναν αριθμό μικροοργανισμών όπως βακτηρία του εδάφους (στρεπτομύκητες) κυανοφύκη και βρυόφυτα. Οι επιστήμονες γνώριζαν αυτή την ένωση εδώ και εκατό χρόνια, παρά το γεγονός ότι δεν είχε απομονωθεί ούτε χαρακτηριστεί απόλυτα μέχρι το 1965.

Εκτός όμως από την ευχάριστη μυρωδιά της βρεγμένης γης, η geosmin και οι μεταβολίτες της μπορούν να προκαλέσουν ανεπιθύμητες μυρωδιές ευρώτος (μούχλας) στο νερό και στα τρόφιμα. Στο νερό, οι συμβατικές μέθοδοι καθαρισμού δεν επιτυγχάνουν την απομάκρυνσή της, επομένως η ανίχνευση και εύρεση μεθόδου απομάκρυνσης της geosmin αποτελεί θέμα με αρκετά μεγάλη οικονομική σημασία.

Ο άνθρωπος με την αίσθηση της οσμής έχει την δυνατότητα να ανιχνεύσει την geosmin στο εξωπραγματικά χαμηλό όριο των 10 ppt (μέρη ανά τρισεκατομμύριο- δηλαδή αν μέσα σε 10 τρισεκατομμύρια μόρια υπάρχουν 10 μόρια geosmin αυτά μπορούν να ανιχνευθούν με το ανθρώπινο αισθητήριο!!!).

Γιατί λοιπόν μέσω της εξέλιξης οι οργανισμοί τοποθέτησαν την geosmin στην «λίστα» με τις ενώσεις που πρέπει πάση θυσία να ανιχνεύονται; 
Απάντηση σε αυτό το ερώτημα δεν υπάρχει. Δεν γνωρίζουμε ακόμα ποια είναι η χρησιμότητα ύπαρξης της geosmin στο φυσικό περιβάλλον, αλλά ακόμη περισσότερο ποιες διαδικασίες και ποιοι λόγοι ώθησαν στην δυνατότητα –αναγκαιότητα– ανίχνευσής της σε ένα τόσο χαμηλό όριο. 

H ΣΥΝΘΕΤΙΚΗ ΠΟΡΕΙΑ ΤΗΣ GEOSMIN

Η geosmin προέρχεται από τους μικροοργανισμούς που αναφέραμε, μέσα από μια συνθετική πορεία διαφόρων σταδίων, έχοντας ως πρόδρομο μόριο τον πυροφωσφορικό εστέρα της φαρνεσόλης (FPP). Η φαρνεσόλη είναι ένα σέσκιτερπένιο. Τα σέσκιτερπένια ανήκουν στην κατηγορία των τερπενίων και έχουν τον μοριακό τύπο C₁₅H₂₄. Τα τερπένια αποτελούν μια μεγάλη και ποικιλόμορφη ομάδα υδρογονανθράκων, οι οποίοι παράγονται από διάφορα φυτά και όχι μόνο στο φυσικό περιβάλλον.  Η πορεία αυτή καθορίζεται από τη δράση ενός ενζύμου που βρίσκεται κωδικοποιημένο στο γονιδίωμα του στρεπτομύκητα Streptomyces coelicolor.

Η αμινο-τελική περιοχή του συγκεκριμένου ενζύμου μετατρέπει το FPP σε ένα μίγμα γερμακραδιενόλης (85%) και γερμακρανίου D (15%). Η καρβόξυλο-τελική περιοχή  της πρωτείνης αντίστοιχα επανασυνδέεται με την γερμακραδιενόλη και καταλύει την εκκινούμενη απο πρωτόνιο κυκλοποίηση-κατάτμησή της προς geosmin. Επιπρόσθετα, η άμινο-τελική περιοχή παράγει μικρές ποσότητες οκταλίνης, η οποία, όπως είδαμε, θεωρείται ως ενδιάμεσο της μετατροπής της γερμακραδιενόλης προς geosmin. Το συγκεκριμένο ένζυμο έχει δράση εξαρτώμενη από το Mg²⁺. H δράση αυτή όμως στις μετατροπές και των δύο τελικών περιοχών, παρότι είναι σαφές ότι είναι πολύ σημαντική, δεν έχει καταστεί ακόμη ξεκάθαρη.

ΟΣΜΗ

Το οσφρητικό σύστημα ανιχνεύει και διαχωρίζει ανάμεσα σε έναν μεγάλο αριθμό δομικά διαφορετικών μορίων που σχετίζονται με την οσμή, τα οποία μεταφέρουν πληροφορίες για το περιβάλλον. Παρά το γεγονός ότι ο άνθρωπος μπορεί να αναγνωρίσει μικρότερο αριθμό μορίων-μεταφορέων της οσμής από άλλα θηλαστικά, φαίνεται ότι μπορεί να διαχωρίσει περίπου ανάμεσα σε 10000 μυρωδιές.

Αυτό που όλοι κατανοούμε είναι ότι η οσμή ξεκινάει το «ταξίδι» της, από τον πομπό της (π.χ τρόφιμο, φυτό, άνθρωπος) προς τον δέκτη, την ρινική κοιλότητα όπου και καθίσταται αντιληπτή η μυρωδιά.

Αυτή ή η αντίληψη, αν και ορθή, περιλαμβάνει μόνο ένα μέρος του ταξιδιού της οσμής από τον πομπό στο δέκτη. Ουσιαστικά αγνοεί τα γεγονότα που συμβαίνουν μετά από την είσοδο της οσμής στην ρινική κοιλότητα. Αλλά ας ακολουθήσουμε το ταξίδι από την αρχή, θέτοντας στον εαυτό μας ερωτήματα σε σχέση με τη φύση και την αίσθησης της οσμής.

• Υπό ποια μορφή μεταφέρεται μέχρι το ανθρώπινο όργανο της οσμής, την ρινική κοιλότητα; 
• Πώς γίνεται η σύνδεση ανάμεσα στην οσμή και στο συναίσθημα που συνδέεται με κάθε οσμή;
• Πώς η ίδια η οσμή συνδέεται με διαδικασίες μνήμης. Επί παραδείγματι μπορούμε να θυμηθούμε το άρωμα ενός άλλου ανθρώπου και να προκαλέσουμε μια πληθώρα σκέψεων σε σχέση με το αρχικό ερέθισμα, την μυρωδιά.

Όλα αυτά τα ερωτήματα επιχειρείται να ξεκαθαριστούν μέσω της νευροεπιστήμης, η οποία ασχολείται με τον πολύπλοκο κόσμο του εγκεφάλου.
Αυτόν τον κόσμο θα προσπαθήσουμε να τον κοιτάξουμε μέσα από την οπτική της χημικής επιστήμης και, πιο συγκεκριμένα, μέσα από τις χημικές διαδικασίες που εμπλέκονται στο «σύμπαν» του εγκεφάλου.

ΠΟΡΕΙΑ

 Η οποιαδήποτε μυρωδιά ουσιαστικά αποτελείται από συστοιχίες πτητικών χημικών μορίων, τα οποία μέσω του αέρα και της αναπνοής καταφθάνουν στον πρώτο τους σταθμό, την ρινική κοιλότητα.

Η αρχική ανίχνευση της μυρωδιάς γίνεται από τους οσφρητικούς υποδοχείς οι οποίοι βρίσκονται στο οσφρητικό επιθήλιο, που υπάρχει κατά μήκος της ρινικής κοιλότητας. 

 Ουσιαστικά, οι υποδοχείς αυτοί είναι οι απολήξεις των νευρικών κυκλωμάτων του εγκεφάλου, τα οποία καταπιάνονται με την λειτουργία της οσμής. Χωρίς να αναφερθούν πολλές λεπτομέρειες, δίνουμε την πληροφορία ότι σε όλες τις εγκεφαλικές διεργασίες εμπλέκονται μεταφορές ηλεκτρικών φορτίων (ηλεκτρικών σημάτων). 

Έτσι, η σύνδεση του μορίου-οσμή με τους υποδοχείς και το αντίστοιχο ηλεκτρικό σήμα που παράγεται είναι το αρχικό γεγονός που προκαλεί τη σειρά γεγονότων που ακολουθεί. Μια απλή μυρωδιά ενεργοποιεί πολλούς διαφορετικούς οσφρητικούς υποδοχείς ή, πιο ορθά, έναν συγκεκριμένο συνδυασμό υποδοχέων.

Aπό εκεί και πέρα αυτά τα ηλεκτρικά σήματα οδηγούνται στον βασικό οσφρητικό βολβό και στον οσφρητικό φλοιό. Με αυτό τον τρόπο προσεγγίζονται περιοχές του εγκεφάλου που σχετίζονται με την συνειδητή αντίληψη των οσμών, όπως η αμυγδαλή και ο υποθάλαμος.

 Αυτές οι περιοχές συνδέονται με τις συναισθηματικές αντιδράσεις του ανθρώπου και όλη αυτή η διαδρομή απαντά σε γενικές γραμμές στο πώς μια μυρωδιά μπορεί να μας προκαλέσει ένα συναίσθημα ευφορίας ή, αντίθετα, ένα αρνητικό συναίσθημα.

 Ουσιαστικά μπορούμε να φανταστούμε ότι από τους οσφρητικούς υποδοχείς ξεκινούν άξονες. Οι άξονες αυτών των οσφρητικών υποδοχέων που διεγείρονται από μια συγκεκριμένη οσμή συγκλίνουν σε σπειράματα (glomeruli) του οσφρητικού βολβού. Ο οσφρητικός βολβός παρουσιάζει μια τέτοια τοπογραφική οργάνωση, έτσι ώστε κάθε glomeruli να εκφράζει έναν απλό συνδυασμό οσφρητικών υποδοχέων. Δηλαδή, ουσιαστικά σε αυτό το σημείο οι οσμές ή, πιο σωστά, οι υποδοχείς που διεγείρονται από κάθε οσμή ξεχωριστά οργανώνονται ανά περιοχή! Από εκεί και πέρα έχουμε την διέλευση της οσφρητικής πληροφορίας υπό την μορφή σήματος στον οσφρητικό φλοιό, όπου προς το παρόν δεν έχει ανιχνευθεί κάποια αντίστοιχη τοπογραφική οργάνωση όπως και στον οσφρητικό βολβό.  

Ανατρέχοντας όμως προς τα πίσω, εκεί όπου όλα ξεκινούν, πώς η σύνδεση του μορίου οσμής-υποδοχέα μετατρέπεται στο αρχικό ηλεκτρικό σήμα;

ΤΟ ΕΝΑΡΚΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΣΗΜΑ 

Οι υποδοχείς που λαμβάνουν τις οσμές αποτελούνται από μια υπομονάδα με επτά χαρακτηριστικές διαμεμβρανικές περιοχές. Η πρόσδεση του διαβιβαστή (οσμή) σε έναν υποδοχέα που έχει επτά διαμεμβρανικές περιοχές ενεργοποιεί μια μεταγωγό πρωτεΐνη G.

Μεταγωγός πρωτεϊνη G

Πώς λειτουργούν όμως αυτοί οι υποδοχείς; 
Η πρόσδεση του διαβιβαστή στον υποδοχέα οδηγεί στην ενεργοποίηση μιας διεγερτικής πρωτεΐνης G που ονομάζεται GS. Σε κατάσταση ηρεμίας, η ανενεργός Gs έχει συνήθως προσδεδεμένο ένα μόριο της GDP. Με την ενεργοποίηση η πρωτεΐνης Gs  δεσμεύει ένα μόριο GTP, το οποίο ανταλλάσσει με το μόριο της GDP, ενεργοποιώντας έτσι το ένζυμο αδενυλική κυκλάση. Το ένζυμο αυτό, μια διαμεμβρανική πρωτεΐνη, η οποία διαπερνά, διαδοχικά αναδιπλούμενη, πολλές φορές την κυτταρική μεμβράνη, καταλύει με τη σειρά του τη μετατροπή της ATP σε cAMP. Το σύμπλοκο GTP-πρωτεϊνης G μαζί με την καταλυτική υπομονάδα της κυκλάσης αποτελούν την ενεργό μορφή του ενζύμου. Όταν συνδεθεί με την καταλυτική υπομονάδα, η πρωτεΐνη Gs δρα επίσης ως GTPάση, υδρολύοντας την προσδεδεμένη GTP σε GDP. Το αποτέλεσμα είναι ότι η πρωτεΐνη G αποδεσμεύεται από την κυκλάση, διακόπτοντας τη σύνθεση της cAMP. Επομένως, ο υποδοχέας και η κυκλάση δεν αλληλεπιδρούν άμεσα, αλλά συζευγνύονται από τη μεταγωγό πρωτεΐνη GS. H διάρκεια της σύνθεσης cAMP ρυθμίζεται μέσω της δραστηριότητας GTPάσης της πρωτεϊνης Gs. Μετά το πέρας της υδρόλυσης της GTP, η πρωτεΐνη Gs μπορεί να προσδεθεί και πάλι σε ένα νέο σύμπλοκο διαβιβαστή-υποδοχέα στην επιφάνεια του κυττάρου και, επομένως, να ενεργοποιήσει και πάλι την κυκλάση.

Οσφρητικός Νευρώνας

 Η αυξημένη παραγωγή της cAMP μέσω της ανωτέρω διαδικασίας είναι το βασικό σημείο που πρέπει να κρατήσουμε για να αντιληφθούμε τη συνέχεια και την αρχική μας αναφορά στην δημιουργία του εναρκτήριου ηλεκτρικού σήματος. 

 Η αυξημένη συγκέντρωση της cAMP διεγείρει τα κανάλια φορτίου (κανάλια ιόντων) που υπάρχουν πάνω στην κυτταρική μεμβράνη του οσφρητικού νευρώνα (υποδοχέα), προκαλώντας μια εισροή ηλεκτρικού φορτίου από ιόντα Νa⁺ και Ca²⁺ στο αντίστοιχο κανάλι.  Η αυξημένη συγκέντρωση του Ca²⁺ διεγείρει το κανάλι ιόντων του Cl^- ωθώντας ιόντα Cl^- προς τον εξωκυττάριο χώρο. 

Δείτε το σχήμα της παραγωγής του ηλεκτρικού σημάτος

 Αυτό που πρέπει να διατηρήσουμε σαν κεντρική σκέψη είναι ότι όλος αυτός ο καταρράκτης αντιδράσεων που ξεκίνησε από την πρόσδεση του διαβιβαστή (οσμής) στον υποδοχέα (οσφρητικός  νευρώνας-κύτταρο) κατέληξε στην παραγωγή ηλεκτρικού σήματος με την μορφή διακινούμενων ιόντων.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ

 Παρακολουθώντας το ταξίδι της Geosmin από την αρχή κατανοήσαμε ότι οι σταθμοί της ήταν περισσότεροι από αυτούς που αρχικά είχαμε κατά νου. Από τον κυτταρικό μηχανισμό ενός βακτηρίου του βρεγμένου χώματος, με την συνέργια του κατάλληλου ενζύμου, είχαμε την δημιουργία της Geosmin με πρόδρομο μόριο το FPP. Στη συνέχεια, οι σταθμοί της κατασκευασμένης από το βακτήριο Geosmin ήταν οι εξής: Οσφρητικός νευρώνας – οσφρητικός βολβός – οσφρητικός φλοιός – Μεταιχμιακό σύστημα ...

 Σε γενικές γραμμές, η βροχή, ένα βακτήριο και ο εγκέφαλος μας αλληλεπίδρασαν σε έναν πολύπλοκο «χορό» όπου συμμετείχαν πολύπλοκα χημικά φαινόμενα.  Η πορεία της Geosmin  υποδεικνύει πόσο απλά και πολύπλοκα ταυτόχρονα λειτουργεί η φύση, προσπαθώντας να επιτύχει στόχους για τους οργανισμούς της, τους οποίους δεν έχουμε κατανοήσει επαρκώς ούτε κατά διάνοια.

Αν αυτό το κείμενο έδωσε την εντύπωση ότι έχουμε κατανοήσει πλήρως τις διαδικασίες που εμπλέκονται στην εγκεφαλική λειτουργία του ανθρώπου, αυτό σίγουρα έγινε διότι δεν υπήρξε κάποια αναφορά σε αναρίθμητες λεπτομέρειες όλης της πορείας, καθώς αυτές δεν μας είναι πλήρως κατανοητές. Ειδικά για τον εγκέφαλο, το πιο πολύπλοκο ίσως ανθρώπινο όργανο, οι γνώσεις μας είναι απελπιστικά λίγες αν και συνεχώς ανακαλύπτουμε νέα δεδομένα σχετικά με αυτό.

Σίγουρα πάντως η χημεία μέσω των μετατροπών και αλληλεπίδρασης της ύλης διαδραματίζει τον ρόλο του μεσάζοντα στην επικοινωνία όλων των στοιχείων της φύσης μεταξύ τους. Έτσι τελικά έστειλε και το σήμα του ένα βακτήριο σε έναν ανθρώπινο εγκέφαλο...!

Η ΣΥΝΘΕΤΙΚΗ ΠΟΡΕΙΑ ΤΗΣ GEOSMIN

*Το συγκεκριμένο μέρος του άρθρου για την κατανοήση του απαιτεί εξειδικευμένες γνώσεις Οργανικής Χημείας.
Η συνθετική πορεία της geosmin, ξεκινώντας απ’ το FPP, φαίνεται παρακάτω.
Η γερμακραδιενόλη και το γερμακράνιο D προέρχονται από ένα κοινό ενδιάμεσο το καρβοκατιόν A – το οποίο με τη σειρά του είναι προϊόν ιονισμού και κυκλοποίησης του πυροφωσφορικού εστέρα τη φαρνεσόλης. Ο σχηματισμός του γερμακρανίου D (1) περιλαμβάνει μια 1,3-μετατόπιση υδριδίου του Η-1si του FPP. Η εναλλακτική σύνθεση της γερμακραδιενόλης (3) περιλαμβάνει την απώλεια του 1si-H, του πρωτονίου του FPP, και την επακόλουθη κυκλοποίηση προς το trans-δικυκλικό ενδιάμεσο ισολεπιδοζενίου (2), μια γνωστή ένωση απομονωμένη από βρυόφυτα. Το ισολεπιδοζένιο μπορεί να μετατραπεί σε γερμακραδιενόλη από μια εκκινούμενη από πρωτόνιο διάνοιξη δακτυλίου και προσβολή του όμο-αλλυλικού κατιόντος από το νερό. Η περαιτέρω μετατροπή της γερμακραδιενόλης προς geosmin προτείνεται ότι περιλαμβάνει πρωτονίωση καθώς και κυκλοποίηση, μια πρωτότυπη απόσπαση τύπου retro-Prins. Η αντίδραση Prins είναι μια οργανική αντίδραση η οποία περιλαμβάνει την ηλεκτρονιόφιλη προσθήκη μιας αλδεϋδης ή κετόνης σε ένα αλκένιο ή αλκύνιο. Τα προϊόντα της αντίδρασης, η οποία οδηγεί σε απώλεια της πλευρικής αλυσίδας ως ακετόνης προς το ενδιάμεσο της οκταλίνης (4), είναι εξαρτώμενα από τις συνθήκες. Η επαναπρωτονίωση της οκταλίνης και μια 1,2-μετατόπιση υδριδίου και υδρόλυση του γεφυρωμένου κατιόντος από νερό οδηγεί στην geosmin (5).

Συνθετική πορεία

Επιμέλεια και συγγραφή κειμένου : Περδικάρης Σταμάτιος

Γενική βιβλιογραφία
1. Biosynthesis of the earthy odorant geosmin by a bifunctional Streptomyces coelicolor enzyme  - Jiaoyang Jiang, Xiaofeio He & David E Cane – Natural chemical biology 
2. Mechanism and Stereochemistry of the Germacredienol/Germacrene D Syntahse of Streptomyces coelicolor A3 (2) – Xiaofeio He and David E.Cane  J.Am.Chem.Soc.2004, 126 , 2678-2679
3. The Molecular Architecture of Odor and Pheromone Sensing in Mammals –Linda B.Buck – Cell, Vol.100 ,611-618
4. Geosmin Biosynthesis, Streptomyces coelicolor Germacredienol/Germacrene D Synthase Converts Farnesyl Diphosphate to Geosmin – Jiaoyang Jiang , Xiaofei He , and David E.Cane – J.Am.Chem.Soc.2006, 128, 8128-8129
5. Geosmin anf Methylisoborneol biosynthesis in streptomycetes – FEBS Letters – Volume 125 , number 2
6. ΝΕΥΡΟΕΠΙΣΤΗΜΗ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ – Eric R.Kandel , James H. Schwartz , Thomas M.Jessel – Π.Ε.Κ. (Πανεπιστημιακές εκδόσεις Κρήτης) – Απρίλιος 2005 – Κεφ.14 – σελ.257