E25 Substâncias Químicas e Transporte Molecular

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Essa quimiorrecepção, seja ela olfativa, gustativa ou a quimiotaxia de um organismo muito mais simples, baseia-se na detecção de uma única molécula ou de um pequeno grupo de moléculas — a mesma grandeza física que outro modelo desse sistema estabelece como a única que um quimiorreceptor pode detectar diretamente. Esse processo começa com o transporte dessas moléculas de sua fonte até o quimiorreceptor. A difusão livre dessas moléculas no ar que as transporta é muito lenta por si só, mas a convecção desse ar as transporta muito mais rapidamente, formando, consequentemente, plumas de odor que um animal rastreia ativamente, em vez de esperar que a difusão livre as alcance por si só.

A cinética de ligação entre esse receptor e seu ligante segue o modelo de Hill: quando essa ligação não é cooperativa, a curva de ligação é hiperbólica em relação à concentração do ligante, enquanto quando essa ligação é cooperativa, como na hemoglobina, a mesma curva de ligação torna-se sigmoidal, com uma resposta muito mais acentuada próxima à sua constante de dissociação. O sistema olfativo humano, portanto, exibe uma constante de dissociação típica muito baixa para muitas moléculas de odor, tornando-o extraordinariamente sensível a elas. O fato de essa ligação entre o receptor e seu ligante ser mais cooperativa significa que, de acordo com o modelo de Hill, a curva de ligação se torna mais íngreme perto dessa constante de dissociação.

O limiar de detecção desse quimiorreceptor quantifica, assim, o número mínimo dessas moléculas necessário para ativá-lo: em um receptor olfativo de inseto, esse limiar de detecção pode ser extraordinariamente baixo, exigindo apenas algumas moléculas de um determinado feromônio. O sistema olfativo de uma mariposa pode, portanto, detectar esse feromônio sexual em uma concentração extremamente baixa no ar circundante, equivalente a apenas algumas moléculas dispersas em um volume considerável desse mesmo ar. O fato de esse limiar de detecção do quimiorreceptor ser ainda mais baixo significa que ele pode detectar essa molécula de odor em uma concentração ainda mais diluída no ar circundante.

O gradiente de concentração dessa molécula odorífera é, em última análise, o sinal que direciona essa quimiotaxia: uma bactéria como a Escherichia coli detecta uma diferença de concentração extraordinariamente pequena entre seus próprios extremos, e esse mesmo gradiente espacial direciona seu movimento para uma concentração mais alta se a molécula for atrativa, ou para uma concentração mais baixa se for repelente. Em um mamífero, os neurônios do bulbo olfatório desse mesmo mamífero combinam os sinais de milhares desses quimiorreceptores individuais para detectar, coletivamente, esse gradiente espacial de odor, precisamente de acordo com a mesma fusão ótima de estimadores independentes já estabelecida por outro modelo desse conjunto para reduzir a variância final de uma estimativa. O fato de esse mamífero combinar sinais de um número ainda maior desses quimiorreceptores individuais significa que, de acordo com essa mesma fusão ótima, essa detecção final desse gradiente espacial de odor é, consequentemente, ainda mais precisa.

Portanto, este modelo, com seu transporte molecular e ligação cooperativa, utiliza o número de Péclet para comparar a convecção dessas moléculas com a difusão livre das mesmas, que também constitui a base deste modelo: quando o número de Péclet é muito alto, o transporte convectivo predomina sobre a difusão livre, enquanto quando o número de Péclet é muito baixo, a difusão livre predomina. A antena de uma borboleta encontra-se, portanto, em um regime intermediário entre ambos os mecanismos, no qual tanto a convecção quanto a difusão livre dessas moléculas são relevantes simultaneamente, e a própria geometria dessa antena, com um formato que maximiza sua superfície exposta ao ar, consequentemente maximiza a captura molecular dessa antena dentro desse mesmo regime intermediário.

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