A QUÍMICA E OS SENTIDOS 1 PALADAR E OLFATO INTRODUÇÃO

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A QUÍMICA E OS SENTIDOS 1 – PALADAR E OLFATO

INTRODUÇÃO

Olá! Nossa viagem começa por dois sentidos fundamentais para os seres humanos: o paladar e o olfato. Quem não se maravilha diante do odor de uma fruta madura, do sabor de um prato bem temperado, do aroma de um bom vinho? Todas estas sensações são provocadas por moléculas que ativam células do nosso sistema nervoso, e essa ativação depende da estrutura química dessas moléculas e de suas propriedades físico-químicas, como a volatilidade e a solubilidade em água.

Então, aproveitaremos esse tema para conhecer e aprofundar nossos saberes sobre a Química Orgânica: vamos estudar como as características estruturais determinam as propriedades físico-químicas e relembrar como dar nome aos compostos orgânicos. Mas, acima de tudo, buscaremos contextualizar os temas abordados, para que a Química Orgânica, ao invés de ser uma sucessão chata de conceitos abstratos, possa ser relacionada com nosso cotidiano. Buscaremos mostrar a você as múltiplas oportunidades de combinar os saberes da Química com os de outras disciplinas, desde Física até Artes e Religião. Na verdade, não há disciplina que não possa interagir com a Química, pois esta é, como diz o título de um livro, a ciência central.

Você verá, ao longo do curso, que as aulas possuem muitos links, alguns de receitas (que você pode usar em sala de aula!), outros de informações adicionais e alguns de textos científicos. Leia o máximo que puder, mas você é que decide até que ponto irá se aprofundar. O caminho é seu! No final, teremos também uma aula sobre experimentos que você pode realizar com seus alunos para despertar neles a mesma paixão pela Química que eu e você compartilhamos. Química é uma ciência experimental, e só o experimento pode revelar sua natureza... não tenha medo de ousar!

Espero que os temas abordados despertem seu interesse e que possam ser levados para a sua sala de aula. E não deixe de nos dar o retorno do que você achou do nosso curso. Siga em frente e... bom

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NEUROQUÍMICA DOS SENTIDOS

OBJETIVOS

Os objetivos desta aula são:

• apresentar a neuroquímica dos sentidos clássicos (paladar,

olfato, audição, visão e tato);

• apresentar os mecanismos de transmissão do impulso

nervoso;

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OS CINCO SENTIDOS

Você, todo dia, entra em contato com o mundo externo, ou seja, tudo aquilo que está além dos limites do seu eu. Esse contato é feito através dos sentidos, que nos seres humanos são definidos classicamente, desde Aristóteles, como cinco: olfato, paladar, visão, tato e audição. É através das sensações captadas por eles que nos relacionamos com o ambiente ao nosso redor, permitindo que nos adaptemos e sobrevivamos.

No Museu da Idade Média, também conhecido como Museu de Cluny, em Paris (França), há uma série de seis tapeçarias, datadas do século XV, denominadas A Dama e o Unicórnio. Cinco delas são dedicadas aos cinco sentidos, uma para cada um.

Observe cada uma delas:

http://www.musee-moyenage.fr/homes/home_id20393_u1l2.htm

O olfato é o mais primitivo dos cinco sentidos, uma vez que o rinencéfalo (rhino, nariz, en, dentro, cephalos, cabeça), que contém as estruturas responsáveis pelas sensações do olfato e do paladar e pelo controle de funções vegetativas, faz parte do paleocéfalo. Diretamente associados ao sistema límbico, que controla as respostas emocionais do indivíduo, os odores promovem reações instintivas muito fortes – normalmente respostas binárias, como sim ou não (atração ou repulsão). O olfato é menos desenvolvido nos humanos do que em outros animais, como os cães, que por isso são empregados na detecção de substâncias químicas proibidas em locais públicos e em meios de transporte.

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O paladar é o sentido do sabor dos materiais que entram em contato com as papilas gustativas localizadas na língua. É um sentido extremamente associado ao olfato; muitas vezes, quando estamos com esse sentido comprometido (por exemplo, durante uma gripe), fica alterada a sensação do sabor dos alimentos. Tanto o olfato quanto o paladar podem ser classificados como sentidos químicos, porque ocorre uma interação direta entre as substâncias químicas e os receptores presentes no nariz e na língua.

A visão é, na verdade, um conjunto de dois sentidos: o sentido de percepção da cor e o sentido da percepção da luminosidade. Ainda que não seja um sentido químico, por não haver interação entre substâncias químicas e receptores protéicos específicos, este sentido depende das propriedades eletrônicas dos compostos presentes naquilo que é visto, pois estas irão determinar as propriedades de absorção de radiação luminosa desses objetos e, conseqüentemente, irão determinar as propriedades da radiação que emitem ou refletem – que é o que os olhos detectam.

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O tato é um sentido de mecanocepção, ou seja, de percepção de estímulos mecânicos, especialmente de pressão, sobre o maior órgão do corpo humano: a pele. Existem diversos tipos de receptores do tato, cada qual capaz de diferenciar sensações específicas, como toques leves e toques fortes, entre outros. Há ainda a percepção de temperatura, com receptores específicos para as sensações de calor e frio. Embora classicamente incluída no sentido do tato, esta percepção de temperatura é hoje considerada um sentido diferente, a termocepção.

Assim como a visão e o tato, a

audição é um sentido físico, ou seja,

independe da interação entre moléculas e receptores no organismo. Ela consiste na percepção da alteração da pressão que as ondas mecânicas do som fazem sobre membranas presentes nas estruturas dos ouvidos. O som também é percebido pelo sentido do tato; sons que não estimulam a audição humana (fora da faixa entre 9 a 22.000 Hz) podem ser percebidos pelo sentido da mecanocepção.

Atualmente, essa definição clássica de cinco sentidos é contestada. Nos humanos, por exemplo, existem outros sentidos, como a nocicepção (percepção da dor) e a propiocepção, que é a percepção de seu próprio corpo e da localização espaço-temporal de cada uma de suas partes. Outros

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animais possuem sentidos inexistentes em humanos, como a magnetocepção (percepção do campo magnético terrestre), de aves e insetos, e a eletrodetecção (percepção de campos elétricos), encontrada em peixes e em mamíferos da ordem Monotremata, como o ornitorrinco.

ESTRUTURA DO NEURÔNIO

Você já viu que existem seis tapeçarias da série “A Dama e o Unicórnio”. Enquanto cinco delas tratam dos cinco sentidos clássicos, a sexta tapeçaria foge a essa proposta. Ela é denominada Meu único desejo, é a frase que está escrita na tapeçaria. Seu significado tem despertado inúmeros debates, e uma das propostas para explicar seu significado é de que ela trata da capacidade humana de ir além dos sentidos, ou seja, da capacidade de integrar essas sensações primárias e criar aquilo que denominamos conhecimento. Assim, conhecer é apreender a realidade externa a nós e criar modelos do mundo real em nossas mentes.

Esta integração das sensações é realizada no encéfalo, que é parte do sistema nervoso central. Clique na figura a seguir para aprender mais sobre a estrutura do sistema nervoso dos mamíferos.

O tipo de célula presente em todo o sistema nervoso é o neurônio. Conheça mais sobre a estrutura desta célula clicando na figura a seguir:

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Como você pode observar, o neurônio transmite a informação através de uma corrente elétrica que se propaga ao longo de sua membrana plasmática. Relembrar a estrutura da membrana plasmática:

a ma

el devido à permeabilidade seletiva da membrana para os diferentes íons.

Em células eletricamente excitáveis, como os neurônios, a membran plasmática é capaz de conduzir um impulso elétrico pela geração de u diferença de potencial entre o meio interno e o meio externo (intra e

extracelular). Essa diferença de potencial é gerada pela acumulação de íons de cargas opostas em cada uma das faces da membrana, o que é possív

TRANSMISSÃO DO IMPULSO NERVOSO

despolarização e repolarização. Observe esse processo com mais detalhes:

Como você já viu, a transmissão do impulso nervoso ao longo da membrana plasmática depende de etapas subseqüentes de

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Esse processo se propaga ao longo da membrana plasmática até chegar à sinapse. Veja como é a sua estrutura:

Nesse ponto, não há contato físico direto entre o neurônio pré-sináptico e a célula pós-sináptica (outro neurônio ou uma célula efetora). Como

ediadores químicos.

Observe os tipos de diálogos que as cé odem ter:

essas duas células irão se comunicar?

Nos organismos vivos, a conversação entre duas células é de natureza química, e o vocabulário empregado são os m

lulas p

sa ligação com o

a pela ligação do neurotransmissor ao seu receptor. Veja como isso ocorre:

Repare que o diálogo entre o neurônio pré-sináptico e a célula pós-sináptica é feita pela liberação de um neurotransmissor, que se difunde na fenda sináptica até se ligar ao seu receptor pós-sináptico, que é uma proteína capaz de reconhecer seletivamente a estrutura desse neurotransmissor. De que forma a mensagem carreada por este neurotransmissor atinge o interior da célula pós-sináptica, se es

receptor se dá na face externa da sua membrana celular?

Essa mensagem pode ser passada para o interior da célula através de dois processos diferentes. O primeiro deles envolve a formação de segundos mensageiros intracelulares, promovid

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O segundo tipo de processo que pode ocorrer para levar a informação do neurônio pré-sináptico para a célula pós-sináptica é através da mudança da concentração de certos íons nesta última. Isso é mediado pela abertura ou fechamento de canais iônicos acoplados aos receptores:

É dessa forma que as sensações percebidas nos órgãos dos sentidos são conduzidas até o nosso cérebro: elas geram um impulso nervoso, que será conduzido por neurônios até o SNC, onde a informação será processada e, caso necessário, uma resposta será enviada aos diversos órgãos do organismo, agora seguindo o caminho inverso: um impulso será disparado do SNC e será conduzido por neurônios até as células efetoras. Por exemplo, quando sentimos o odor e o sabor dos alimentos, esta informação, depois de processada pelo cérebro, disparará a secreção salivar e a secreção de suco gástrico, entre outros efeitos.

Os neurotransmissores podem ser excitatórios, ou seja, podem excitar a célula pós-sináptica, ou podem ser inibitórios. É o balanço entre esses neurotransmissores que regula o funcionamento normal do organismo; o desequilíbrio na produção de algum deles pode gerar doenças

muito severas, como o Mal de Parkinson.

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Um grande número de neurotransmissores localizados no SNC pertence à classe das aminas biogênicas, como a norepinefrina (noradrenalina), a dopamina, a histamina e a serotonina. A biossíntese

desses compostos se dá principalmente pela descarboxilação de

aminoácidos, podendo ocorrer também oxidação de anéis aromáticos, com conseqüente introdução de hidroxilas fenólicas. Todos os receptores de aminas biogênicas são acoplados a proteínas G.

NH₂ O H O H OH NH₂ O H O H N O H H NH₂ N H N NH₂ Norepinefrina Dopamina Serotonina Histamina

A serotonina, também conhecida como 5-hidroxitriptamina (5-HT), é biossintetizada a partir do aminoácido L-triptofano. Até o momento, foram identificadas sete subfamílias de receptores serotoninérgicos; essas subfamílias podem ser divididas em diferentes populações de receptores.

Por exemplo, a subfamília 5HT1 é constituída por 10 subtipos de receptores.

Os receptores 5HT1A estão localizados em alta densidade no hipocampo,

amígdala, septo e sistema límbico. Esses receptores estão envolvidos no controle da ansiedade, depressão, agressividade, impulsividade e alcoolismo. Outros receptores serotoninérgicos parecem estar envolvidos com o controle da depressão e de quadros de psicose, como os subtipos 2A, 3, 5, 6 e 7, enquanto o subtipo 4 parece estar envolvido com os processos de aprendizagem e memória e presente em baixo número em pacientes portadores do Mal de Alzheimer.

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Desde o final da década de 1920 havia indícios de que a adenosina e seus nucleotídeos (AMP, ADP e ATP) atuavam como neurotransmissores no SNC e em órgãos periféricos, modulando ações como o controle da pressão arterial e contração intestinal. Somente na década de 1970 foram identificados dois tipos de receptores purinérgicos, os receptores P1 (maior afinidade para adenosina) e P2 (maior afinidade para ATP). Atualmente são conhecidos quatro receptores de adenosina (A1, A2A, A2B e A3), acoplados a

proteínas G, sete receptores para nucleotídeos (AMP, ADP, ATP e UTP) do

tipo P2X (P2X1 a P2X7), acoplados a canais iônicos, e pelo menos sete

receptores do tipo P2Y, acoplados a proteínas G. Os receptores purinérgicos têm demonstrado um papel fundamental no controle de diversas funções do SNC, atuando nos processos epilépticos e neurodegenerativos, na indução do sono, na doença de Parkinson e nos quadros de psicose; nestes dois últimos, seus efeitos demonstram ser indiretos, através da modulação de receptores dopaminérgicos.

A acetilcolina (Ach) é um neurotransmissor envolvido nos processos cognitivos e de manutenção da atenção no SNC. Seus efeitos são mediados por dois tipos de receptores: um acoplado à proteína G, de alta afinidade pela muscarina (receptor muscarínico), e outro ionotrópico e de alta afinidade pela nicotina (receptor nicotínico).

O O N + Cl _N+ N H Cl O N+ O H Cl Acetilcolina

(cloreto) Nicotina(cloridrato) Muscarina (cloreto)

Átomos e ligações que se correspondem em cada estrutura encontram-se marcados com cores específicas: em azul, átomo de nitrogênio quaternário; em vermelho, sítio doador de elétrons para

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Três aminoácidos desempenham um papel fundamental nos processos de transmissão sináptica rápida: o glutamato (excitatório), o ácido gama-aminobutírico (ou GABA) e a glicina (inibitória).

N CO₂H H H N CO₂H CO₂H H H N CO₂H H H

GABA Ácido glutâmico Glicina

O ácido glutâmico (glutamato) é um neurotransmissor excitatório amplamente distribuído, presente em mais de 50% do tecido nervoso. Possui papel fundamental no desenvolvimento do tecido nervoso e é responsável por sua plasticidade no sistema nervoso amadurecido. Está diretamente relacionado aos processos de aprendizado e memória, bem como no desenvolvimento de diversas patologias neurodegenerativas. Já o GABA e a glicina são neurtotransmissores inibitórios, e estão envolvidos com a ansiedade e a epilepsia.

Um grande número de neuropeptídeos também atua como neurotransmissores no SNC, como os opiáceos endógenos, os hormônios hipotalâmicos, as taquicininas e as melanocortinas. Vários destes neuropeptídeos demonstram estar associados a certas patologias do SNC e ligantes específicos de seus receptores vêm sendo desenvolvidos como candidatos a novos fármacos. Por exemplo, antagonistas do receptor NK1 da substância P apresentam atividade antidepressiva e ansiolítica. Receptores de colecistoquinina e de melanocortinas também têm sido

estudados devido a seus papéis no controle da depressão endógena. Este é

um campo rico e ainda relativamente pouco explorado no tratamento de distúrbios e patologias do SNC.

O OLFATO

Como você já viu, o olfato é provavelmente o sentido mais primitivo dos animais. A sensação do odor surge quando moléculas voláteis, que são carreadas pelo ar até o interior do nariz, dissolvem-se no muco presente na cavidade nasal e então interagem com receptores localizados nas

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terminações nervosas do epitélio olfativo, que difere do epitélio respiratório; este não é inervado nem participa da aquisição das sensações olfativas. Clique na figura abaixo para ver um vídeo sobre o olfato.

Os receptores do epitélio olfativo possuem alta especificidade de interação com as moléculas (ligantes) que causam a sensação de odor; essa interação promove a produção de AMP cíclico no neurônio, mas, neste caso, esse segundo mensageiro não irá fosforilar proteínas citoplasmáticas, mas promoverá a abertura de um canal iônico, o que levará à despolarização desse neurônio. Esse impulso elétrico será conduzido pelo axônio neuronal até o encéfalo, chegando a áreas como a amígdala (envolvida com a resposta emocional ao odor) e o hipocampo (envolvido com a memória).

Os seres humanos, ao longo da evolução, tiveram diminuição da sua capacidade olfativa, em comparação com outros animais. Os cães, por exemplo, possuem uma área de epitélio olfativo aproximadamente 10 vezes maior, além de possuir um maior número de receptores por área. Mesmo outros primatas possuem o sentido do olfato mais desenvolvido que os

humanos; parece que mutações em genes específicos são a causa dessa

diferença. Os estudos sobre a evolução dos primatas indicam que o olfato perdeu, para a visão, o lugar de principal sentido para permitir realizar as tarefas que garantiriam a manutenção da espécie, ou seja, obter alimento e acasalar.

Os cães são animais macrosmáticos, enquanto os primatas, como os gorilas, são microsmáticos. Os cetáceos, como a baleia, são

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Como ocorre com tantos outros temas, o sentido do olfato também se tornou alvo de experimentos pseudocientíficos. Algumas pessoas afirmam possuir “habilidade” paranormal de sentir odores de lugares distantes (olfato remoto), não só no espaço, mas também no tempo! Entretanto, quando submetidos a ensaios controlados, não conseguem provar esta “capacidade”. Este é um bom tema para você discutir com seus alunos: a diferença entre ciência e pseudociência.

O PALADAR

O paladar é o sentido que detecta o sabor daquilo que comemos, ou, de forma mais geral, daquilo que entra em contato com as papilas gustativas presentes na língua. Essas papilas são formadas por células sensoriais que interagem com moléculas presentes no alimento e dissolvidas na saliva ou nos líquidos presentes na boca, gerando um impulso que será conduzido até o encéfalo. Existem quatro tipos comprovados de papilas gustativas, responsáveis pelas sensações de doce, salgado, amargo e azedo (ácido), mas há discussões sobre a existência de outros tipos, que seriam responsáveis pela sensação de sabor de carne (umami) e pelo sabor associado a ácidos graxos como o ácido linoleico (presente no óleo de girassol, na forma de triglicerídeo). O umami, por sua vez, seria provocado por ácido glutâmico, um aminoácido dicarboxílico que também atua como neurotransmissor no SNC, além de ser empregado como tempero para carnes (glutamato sódico). Os vários tipos de papilas gustativas estão distribuídos por toda a língua, sendo pequena a diferença de concentração desses diferentes tipos em cada região da língua.

Língua humana Papilas gustativas de língua de macaco

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Vários fatores afetam a sensação do paladar, como a idade, variações hormonais, variações genéticas e sensoriais (olfato e visão). Um exemplo de variação genética é a capacidade de sentir o sabor amargo da feniltiouréia: cerca de 70% da população mundial é capaz de sentir seu sabor, enquanto para os outros 30% ela é praticamente insípida. Essa taxa, entretanto, varia em função da etnia da população; os ameríndios são os mais sensíveis (98%). As mulheres também são, de modo geral, mais sensíveis que os homens ao sabor desse composto.

N H X NH₂

X = S Feniltiouréia

X = O Dulcina (Feniluréia)

Entretanto, uma simples modificação na sua estrutura – a troca do átomo de enxofre por oxigênio – gera a dulcina, um composto de sabor doce. Isso parece estar envolvido com o tipo de interação entre esses compostos e os receptores para sabores doce e amargo:

X H Y H X* Y* 2,5 a 4 Ao

{

X H Y X H Y N H O N H H N H S N H H

Modelo da interação entre o receptor (azul) e o ligante (vermelho). O sítio X-H do receptor atua como doador de

hidrogênio para ligação de hidrogênio, enquanto o sítio Y atua como doador de elétrons. Quando as interações de X-H e

Y com seus sítios complementares no ligante

Na dulcina, o oxigênio da carbonila atua como

doador de elétrons, complementar ao sítio X-H do receptor, enquanto o NH2 atua como doador de hidrogênio Na feniltiouréia, o sítio complementar a X-H é uma tiocarbonila (C=S). Como a interação entre X-H e S é mais

fraca que aquela entre N-H e Y, o sabor é percebido

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possuem forças semelhantes, o composto é sentido como doce; se uma delas é mais fraca que a

outra, o sabor é percebido como amargo.

complementar a Y no receptor. A distância correta entre esses grupos

e a igual força de interação deles com

o receptor faz com que a dulcina ative a sensação de doce.

A necessidade de dissolução do composto em água para que seu sabor possa ser sentido permite que possamos alterar a solubilidade de uma substância para modificar seu sabor. Por exemplo, o cloranfenicol, um antibiótico muito utilizado, é extremamente amargo, sendo, assim, difícil o seu uso por via oral. Sua conversão em um éster de ácido palmítico (palmitato de cloranfenicol) faz com que ele se torne insolúvel em água, e assim seu sabor amargo praticamente não é percebido, o que permite seu uso em formulações orais.

O₂N OH O O N H O Cl Cl 11 Palmitato de cloranfenicol

O paladar, como vimos, é bastante associado ao olfato. Além dos receptores do paladar e do olfato, o sabor de um alimento também dependerá da estimulação de receptores de frio, calor e dor, que são atribuições sensitivas do nervo trigêmeo. Assim, é o conjunto da estimulação de receptores olfativos, papilas gustativas e receptores do ramo mandibular do nervo trigêmeo que irá criar no cérebro a sensação do sabor de um alimento. O uso contínuo de estimuladores dos nociceptores do trigêmeo levará à sua dessensibilização, como ocorre quando usamos

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continuamente pimenta na alimentação: depois de algum tempo, não sentimos mais seu sabor. Em certas culturas, como a iorubá (da África Ocidental), é comum dar pimenta às crianças desde a fase de colo, o que permite que consumam grandes quantidades de pimenta quando adultos, muito acima do que outras pessoas podem suportar.

O acarajé é uma comida de origem iorubá,

e bem temperado com pimenta!

Essa ativação do nervo trigêmeo explica também por que a pimenta faz os olhos arderem: é a estimulação dos nociceptores do ramo oftálmico do trigêmeo. Neste caso, a defesa do organismo é fechar os olhos, numa resposta reflexa a essa estimulação do trigêmeo, para diminuir o acesso da substância irritante ao órgão que está sendo agredido.

Isso também explica por que fechamos os olhos ao comermos algo muito temperado com pimenta: a estimulação do ramo mandibular é registrada pelo encéfalo, que responde com ações para as diversas regiões inervadas pelo trigêmeo, como a dos olhos, onde a resposta é fechá-los.

O mentol e a cânfora, substâncias presentes em diversas plantas, são capazes de ativar os receptores de frio do trigêmeo, o que justifica o seu emprego em balas, outros alimentos e em pastas de dentes, visando a causar a conhecida sensação de ”refrescância”.

OH O