Naso e lingua sono stereoselettivi.

Claudio Della Volpe.

Non è una novità dirlo o sentirlo, ma se si approfondisce la cosa allora questa abilità dei nostri sensi e di quelli degli animali, primi fra tutti gli insetti, ma anche tanti animali superiori, appare in tutta la sua meraviglia.

Due molecole enantiomere sono di fatto due diverse molecole, non sovrapponibili ma specularmente simmetriche e dunque il fatto che si possa in qualche modo distinguere fra di esse non è scioccante per un chimico; ma che lo possano fare in piena autonomia tessuti e recettori biologici ha profonde implicazioni non ancora completamente comprese.

Non è l’unico caso di molecole la cui distinzione è “sottile”; tempo fa parlammo degli effetti legati allo stato di spin del nucleo.

La scoperta della stereoselettività dei recettori biologici è tutta italiana e risale ad un momento in cui il concetto stesso di recettore biologico non esisteva; e la scoperta contribuì al suo sviluppo.

Nel 1886, Arnaldo Piutti (Cividale del Friuli, 23 gennaio 1857 – Conegliano, 19 ottobre 1928) un chimico italiano trovò che mentre la D-asparagina ha un sapore dolce la L-asparagina è insipida, senza sapore (Una nuova specie di asparagina, in Gazzetta chimica italiana, XVI (1886), a proposito ma quando avremo la Gazzetta online?). L’asparagina è un amminoacido polare e non essenziale.

D- asparagina

L-asparagina

Aveva ottenuto 100 g di D-asparagina da 6500 kg di vecce (Vicia sativa) attraverso un ingegnoso metodo estrattivo (per cristallizzazione frazionata dalle acque madri di estrazione della L-asparagina) e stabilì che la D- non discendeva dalla racemizzazione della L- durante l’estrazione. Fu la prima volta che si trovò un esempio così chiaro di stereoselettività biologica, circa 15 anni prima che il concetto stesso di recettore venisse pienamente compreso. Si trattò di una vera e propria pietra miliare che destò l’interesse dei più importanti chimici del mondo come Louis Pasteur e Arthur Cushny.

Piutti è stato sostanzialmente dimenticato, ma aveva avuto una carriera piena e di ottimo livello e la comunità degli sterochimici oggi dovrebbe rivalutarne maggiormente la figura.

“Dopo essersi laureato in chimica presso l’Università di Torino nel 1879, fu per un anno assistente di fisiologia diretto da Angelo Mosso e successivamente in quello di chimica farmaceutica diretto da Icilio Guareschi. Aiuto di Ugo Schiff a Firenze fra il 1881 ed il 1886, vinse la cattedra di chimica farmaceutica all’Università di Sassari. Nel 1888 passò alla medesima cattedra della Università di Napoli dove fondò l’Istituto di chimica farmaceutica. Il 22 agosto 1890 venne affiliato in Massoneria col grado di Maestro nella Loggia La vittoria di Napoli. Socio nazionale dei Lincei dal 1922. “

Durante le ricerche per stabilire la posizione del gruppo amminico nell’asparagina (1886) riuscì ad effettuare la composizione di un composto aromatico (trimesitato trietilico) partendo da sostanze alifatiche. Ci riuscì studiando la sintesi dell’acido aspartico per riduzione con amalgama di sodio dell’ossima dell’etere ossalacetico.

Ottenne, inoltre, per azione dell’ammoniaca su uno dei due aspartati monoetilici che aveva preparato, i due antipodi di un’asparagina identica a quella naturale (1887). Sintetizzò anche l’asparagina da anidride maleica ed ammonica e dall’anidride citraconica la glutammina.

Nel 1913 riuscì a dimostrare che il lupino produce sia la destro che la levo-asparagina e che la prima è più favorita con una germinazione al buio, per poi scomparire col progredire della germinazione. Dedicò studi anche ai gas nobili ed alla radioattività dei minerali del terreno vesuviano. (da Wikipedia)

Sebbene ci siano variazioni individuali oggi è accettato che ci siano differenze chiare di sapore fra gli enantiomeri di vari composti. Per esempio:

N-L-R-aspartil-L-fenilalanina (o aspartame) ha un sapore dolce molto spiccato; mentre l’enantiomero DD è amaro.

L-glutamato monosodico, MSG, ha un caratteristico sapore “umami” (saporito), mentre l’enantiomero D non lo ha.

Ancora più intrigante la situazione nell’ambito dell’olfatto.

Probabilmente molti lettori conoscono il caso del carvone.(R)-5-Isopropenil-2-metil-2-cicloesenone

Il carvone esiste come due enantiomeri: l’R-(–)-carvone, che profuma come foglie di menta, e la sua immagine speculare S-(+)-carvone, il quale odora di semi di cumino. Il fatto che i due enantiomeri vengano percepiti in modo diverso è prova che nel sistema olfattivo ci sono dei recettori “chirali”, ossia che permettono una risposta diversa a seconda dell’enantiomero che percepiscono, cosa che non accade comunque per tutte le coppie di enantiomeri presenti in natura.

A questo proposito un altro esempio veramente intrigante è quello dell’alfa pinene.

L’alfa-pinene è un terpene con un anello a quattro membri e dunque tensionato e molto reattivo; queste molecole si trovano in varie piante in diverse combinazioni e dominanze e sono uno dei tre casi in cui il nostro naso riesce a ben discriminare fra le due varianti secondo un classico lavoro di Laska e Teubner. In quel medesimo lavoro si trovarono altri due casi di molecole enantiomere fra le quali il nostro naso riesce a discriminare efficacemente che sono il limonene e il carvone di cui abbiamo già parlato.

Chi è interessato a maggiori dettagli può fare riferimento alla letteratura citata sotto; la domanda importante è: come fa il nostro organismo e in generale come fanno i recettori biologici a discriminare in modo così fine fra molecole enantiomere?

Non c’è una risposta semplice, a parte l’ovvia idea data dal concetto chiave-serratura, tipico delle interazioni enzimatiche.

La conclusione di Laska e Teubner è che la discriminazione non sia generale ma dipenda nei fatti dal caso specifico preso in considerazione e dunque da uno specifico recettore, probabilmente con finalità a loro volta specifiche.

L’effetto sul recettore nasale non è disgiunto da altri effetti fisiologici; per esempio l’ anfetamina (1-metil- 2-feniletilammina) o amfetamina, che coinvolge un atomo di azoto attaccato al centro chirale: l’ (R)-(-) enantiomero mostrato qui sotto ha un odore di ammuffito

mentre l’ (S)-(+) enantiomero mostra un odore fecale ed è molto più efficace sul sistema nervoso centrale L’anfetamina è dunque enantioselettiva sia rispetto alla fisiologia che all’odore. In questo caso questa differenza di odore era conosciuta ben prima della sua analisi scientifica ma fu ritenuta non significativa.

Nella review qui sotto citata di Bentley ci sono moltissimi esempi di differenze di percezione in altri animali diversi dall’uomo dedotte dagli effetti fisiologici dell’odore della sostanza, sia per gli insetti che per le specie superiori; in realtà il campo degli odori e dei sapori e del ruolo relativo della enantiomeria è ancora da approfondire.

Al momento la cosa generale sembra che diverse specie abbiano in genere capacità diverse e specifiche di discriminazione enantiomerica e che questa diversa percezione possa presentarsi come effetti diversi dei due enantiomeri ma anche semplicemente come effetti validi solo per uno degli enantiomeri; ancora più complesso il caso di molecole con più centri chirali e anche delle interazioni fra specie chirali diverse mescolate in rapporti diversi dal racemo, con effetti di inibizione a volte anche per piccole aggiunte il che spiega l’importanza della purezza. Ci sarebero molte altre cose da dire per esempio le tecniche di analisi cromatografica che consentono di distinguere fra gli enantiomeri, ma avremo tempo in futuro a meno che qualche volenteroso collega più esperto di me non voglia contribuire.

Concludo lamentandomi di non conoscere il polacco perchè a senso mi pare che l’articolo in polacco contenga molti esempi interessanti.

Riferimenti.

Chem. Rev. 2006, 106, 4099−4112 Ronald Bentley The Nose as a Stereochemist. Enantiomers and Odor

cHeMik 2014, 68, 2, 83–90 in polacco

CHIRALITY 24:959–976 (2012) JOSEPH GAL The Discovery of Stereoselectivity at Biological Receptors: Arnaldo Piutti and the Taste of the Asparagine Enantiomers—History and Analysis on the 125th Anniversary

Voce Chirality di Meyers – Encyclopedia of Molecular Cell Biology and Molecular Medicine 16 volumes(2006, Wiley) 2 vol pag. 579 e sgg

Chem. Senses 24: 161–170, 1999 Olfactory Discrimination Ability of Human Subjects for Ten Pairs of Enantiomers, Matthias Laska and Peter Teubner