Poison Story - Cienka Granica (05.)

Dobrze jest być zdrowym. Zdrowym można być, jeśli w odpowiedniej ilości zażywać się będzie ruchu, świeżego powietrza i odpowiedniego jedzenia. Jedzenie jednak nie zawsze, choć smakowite i soczyste, musi być dobre. Dobrze więc jest sobie taką niewłaściwą dietę uzupełniać.
Tak w każdym razie piszą producenci suplementów diety, chcących zapewnić klientów, że ich produkt jest im konieczny do życia i to konkretnie ich. Jak się jednak okazuje, co za dużo to nie zdrowo. A pewien pierwiastek jest pod tym względem szczególnie kapryśny.

Gdy w lutym 2008 roku do jednego ze szpitali we Florydzie zgłosiła się kobieta z nietypowymi objawami, nic nie wskazywało na to, że to początek większej afery. Dolegliwości zaczęły się już wcześniej, od osłabienia, częstych wypróżnień i wypadania włosów. Czy zgłosiła to lekarzowi? Opowiedziała o tym swojemu kręgarzowi, do którego przychodzi od czasu od czasu. On uznał, że to skutek niewłaściwej diety i niedoboru witamin, więc powiedział jej aby ten suplement, który polecił jej wcześniej, zażywała nieco częściej niż dotychczas.
Dodatkowa dawka witamin i mikroelementów wcale jednak nie pomogła. Zaczęły się częste biegunki, bóle głowy i stawów. Sądziła nawet, że to grypa żołądkowa, ale wkrótce zauważyła ciemne plamy na skórze i przebarwienia na paznokciach, więc uznała, że to znacznie bardziej poważna sprawa. Szpital przeprowadził dokładny wywiad medyczny i przesłał wyniki do centralnej bazy danych na temat zachorowań. Wtedy okazało się, że w sąsiednim mieście do lekarza zgłosiła się osoba z takimi objawami jak wypadanie włosów, biegunki, bóle głowy i nieprzyjemny zapach z ust. Objawy zaczęły się już parę tygodni wcześniej. Nie nie zgłosiła się od razu. Najpierw poradziła się swojego kręgarza.

Kręgarz, jak się okazało ten sam, faktycznie stwierdził, że niektórzy jego pacjenci - około dziesięciu osób - zgłaszali objawy osłabienia; uznał że to niedobór witamin i polecił im suplement. The Total Body Formula w wersji o smaku brzoskwiniowym i pomarańczowym, to komplementarny suplement w formie płynnej. Zawierał 16 witamin, 12 makro i 50 mikroelementów, oraz 18 aminokwasów, trzy nienasycone kwasy tłuszczowe, spirulinę, koenzym Q-10 i przeciwutleniacze herbaciane - jak zatem widać miał pomagać na niedobór wszystkiego. Objawy zatrutych konsumentów, których liczba wzrastała w zastraszającym tempie, były wprawdzie mało specyficzne, ale po wykluczeniu metali ciężkich pozostawała tylko jedna możliwość - zatrucie selenem. Badania kupionego suplementu wskazały że istotnie zawierał on ten pierwiastek, jednak w ilości wyższej niż przedstawiała to etykieta. No cóż, każdemu może się coś tam lejnąć, parę kropli w tą czy tamtą to nie tak wiele, jednak w tym przypadku pomyłka była kolosalna - suplement zawierał 200 razy więcej selenu niż powinien! Szybko okazało się, że chorych jest zdecydowanie więcej...

Dlaczego należy zażywać wraz z z dietą selen? Po co jest potrzebny naszemu organizmowi? I dlaczego nie można z nim przesadzać? Aby to objaśnić wdam się, jak zwykle, w historyczno-chemiczną dygresję. (dla leniwych podsumowanie na samym dole)

Selen czarny i czerwony

Selen to niemetaliczny pierwiastek chemiczny, w układzie okresowym leżący tuż pod siarką i mający do niej bardzo zbliżone właściwości. Na tyle bliskie, że bardzo chętnie występuje wraz z nią w minerałach i formie pierwiastkowej, i tam też został po raz pierwszy odkryty. Szwedzki chemik Jacob Berzelius należy z pewnością do najwybitniejszych naukowców wszech czasów - wprowadził używany do dziś system zapisu związków chemicznych, odkrył cztery pierwiastki (a jego asystenci dalsze dwa) a ponadto obdarzony był bardzo specyficznym poczuciem humoru. W tej historii występuje jednak dlatego, iż był przyjacielem Johana Gahna, innego chemika, który zajmując się rozwojem raczkującego przemysłu chemicznego był właścicielem fabryki kwasu siarkowego na Gripsholm. W stosowanej tam komorowej metodzie produkcji kwasu używano pirytów z kopalni w Falun, które prażono, zaś powstający dwutlenek siarki utleniano dalej tlenkami azotu. Na dnie komór reakcyjnych osadzał się wówczas czerwony osad, tworzący z resztkami kwasu niepożądany szlam.
Gahn zwrócił się do Berzeliusa z prośbą, aby sprawdził, czy przypadkiem nie da się tego osadu na coś przerobić, podejrzewał że jest to jakiś związek arsenu lub rtęci. Osad ten był palny, wydzielając ostry zapach, nieco podobny do zapachu arsenu ale jednak inny. Niewiele lat wcześniej w minerałach siarczkowych odkryto Tellur, który także dawał podobny zapach, uznano więc, że to jakiś związek telluru. Berzelius dla dokładności sprawdził oryginalne piryty i nie znalazł w nich telluru. Zaczął więc oczyszczać osad, wyodrębniając substancję bez wątpienia prostą, nie będącą żadnym ze znanych pierwiastków i w 1818 roku ogłosił odkrycie kolejnego już na swoim koncie pierwiastka, nazwanego selenem. Była to analogia do podobnego telluru - "tellus" znaczy "ziemia" zaś "selene" znaczy "księżyc".

Jego właściwości chemiczne są, jak się rzekło, bardzo zbliżone do siarki. Elektroujemność, czyli skłonność do przyciągania elektronów podczas wiązania, jest prawie identyczna. Tworzy selenki z metalami; tlenek rozpuszczony w wodzie daje mocny kwas selenowy. Podobnie jak wiele niemetali występuje w licznych odmianach alotropowych. Selen czerwony to odmiana najłatwiej dostępna, ma postać szaro-czerwonego proszku, o odcieniu zależnym od rozdrobnienia i sposobu otrzymania. Składa się z podobnych do siarki ośmioatomowych pierścieni oraz powstałych przez ich połączenie pierścieni zawierających od 20 do 100 atomów. Ma trzy odmiany krystaliczne - alfa, beta i gamma, różniące się gęstością. Podobnie jak siarka jest izolatorem i rozpuszcza się w dwusiarczku węgla.
Przy podgrzejemy go przez dłuższy czas do temperatury powyżej 180 stopni, pierścienie popękają i utworzą długie, nieco skręcone łańcuchy selenu szarego. Ta odmiana ma wygląd zbliżony do grafitu, choć mniej połyskliwego i częściowe właściwości metaliczne - słabo przewodzi prąd elektryczny. W połowie XIX wieku zauważono, że przewodnictwo selenu szarego wzrasta gdy zostanie oświetlony i to proporcjonalnie do natężenia światła, dlatego już w 1874 roku fotokomórki z selenem znalazły zastosowanie komercyjne. Wkrótce Bell, znany jako wynalazca telefonu, zastosował go w fotofonie, przekazującym dźwięk za pomocą modulowanej wiązki świetlnej. Ostatnią odmianą alotropową jest selen czarny, o szklistej strukturze, otrzymywany przez szybkie ochłodzenie stopu.

Choć selen wykryto w ludzkim organizmie już dawno, dopiero w połowie XX wielu uświadomiono sobie, że musi pełnić w nim jakąś ważną rolę, skoro obecność mikroskopijnej ilości tego pierwiastka, jest zdecydowanie korzystna. Mimo to wielkim zaskoczeniem było odkrycie, że jest składnikiem dotychczas nieznanego aminokwasu - selenocysteiny ( Sec lub Se-Cys). Jest to analog cysteiny, w której siarka zastąpiona jest selenem.
Ciekawą kwestią jest to, że choć występuje w enzymach produkowanych przez organizm, selenocysteina nie jest kodowana w DNA. W normalnej sytuacji każdym trójkom zasad w kodzie genetycznym (na przykład AAG czy TCT) odpowiada któryś z aminokwasów, zaś ciąg takich trójek jest dla komórki instrukcją łączenia aminokwasów w białka. Gdy odczytujący rybosom dochodzi do trójki UGA, oznacza to dla niego STOP, gen się kończy i białko jest odcinane. Inaczej jest w przypadku genów opisujących enzymy z selenem - pojawiający się tam kodon UGA jest tłumaczony na Se-Cys za pomocą specjalnego czynnika biologicznego nazywanego SECIS, który zapobiega kończeniu białka w tym miejscu. Aby czynnik zadziałał, selen już musi być obecny w organizmie.
Aminokwas ten jest niezbędnym składnikiem wielu ważnych enzymów, w tym wielu peroksydaz - enzymów neutralizujących rodniki tlenkowe i nadtlenkowe. W efekcie, choć sam selen nie ma właściwości reduktora, jego obecność sprzyja zmniejszeniu ilości szkodliwych wolnych rodników. Najważniejszym enzymem w którym jest zawarty jest peroksydaza glutationowa - enzym ten rozkłada nadtlenek wodoru i nadtlenki organiczne, powstające w reakcjach metabolicznych i należące do najbardziej szkodliwych reaktywnych form tlenu (powszechnie nazywanych wolnymi rodnikami), wywołując uszkodzenia komórek.
Odbywa się to w sposób następujący (duży obrazek):

 Nadtlenek utlenia grupę selenolową w enzymie i zamienia się w wodę. Utleniony enzym reaguje z glutationem, tworząc z nim połączenie przez mostek Se-S. Druga cząsteczka glutationu regeneruje enzym tworząc dimer z mostkiem siarczkowym. Dimer jest redukowany przez koenzym NADPH.

A co gdyby ten niezbędny pierwiastek nie był obecny w organizmie?
Wbrew pozorom przy normalnej, zrównoważonej diecie niedobór selenu jest bardzo rzadki - jeśli jest niezbędny dla wszystkich organizmów, to i we wszystkim występuje, zdarzają się jednak niższe lub wyższe poziomy zawartości.
Na szerokich areałach Chin, gdzie lessowa gleba jest bardzo uboga w selen, stosunkowo częsta jest choroba Keshan, nazwana od stolicy regionu najbardziej dotkniętego. Niedobór selenu połączony z zakażeniem zazwyczaj nieszkodliwym wirusem coxsackie, często wywołującym wysypki u dzieci, wywołuje w tej chorobie schorzenia układu krążenia, z przerostem serca, martwiczymi zawałami i niewydolnością, oraz obrzęk płuc, a także częste udary i zaćmę (objawy występują łącznie). Uzupełnienie niedoboru prowadzi do samoistnego wyleczenia.
Ponieważ selenocysteina jest składnikiem enzymów odpowiadających za aktywność hormonów tarczycy, niedobór selenu połączony z niedoborem jodu może wywołać niedoczynność tarczycy. Wiadomo także, że suplementacja poprawia stan chorych w chorobie Hashimoto - autoimmunologicznym zapaleniu tarczycy[1] - chociaż mu nie zapobiega. Co do tego na ile niedobór wpływa na choroby serca i nowotwory nie ma zgody - teoretycznie wymiatając wolne rodniki powinien im w jakimś stopniu zapobiegać. Z kilku badań wynikałoby, że u osób z wyższym stężeniem we krwi, ryzyko raka pęcherza jest niższe[2], zaś u osób z niską ilością Se w diecie ryzyko raka płuc jest wyższe[3] - aczkolwiek nie działało to w drugą stronę i dla zawartości wyższych niż norma nie następował dalszy spadek zachorowalności. Badania na większej populacji są jednak bardzo niejednoznaczne. W niedawnym gigantycznym badaniu 295 tysięcy mężczyzn w USA nie wykazano aby zażywanie multiwitamin wpływało jakoś na zachorowalność raka prostaty, natomiast u osób nadużywających takich preparatów (więcej jak 7 całodziennych dawek na tydzień) stwierdzono z tego powodu wyższą śmiertelność - największy wzrost dotyczył suplementów z selenem i cynkiem[4]. Wygląda to dziwnie, zachorowalność się nie zwiększyła ale wykrywane przypadki były cięższe, co sugeruje raczej, że osoby nadużywające suplementów później zgłaszały się do lekarza, na zasadzie "biorę pigułki więc na pewno jestem zdrowy".
W innym dużym badaniu 60 tysięcy pielęgniarek nie stwierdzono korelacji między ilością selenu w organizmie a zachorowalnością na raka w jakiejkolwiek formie[5]. Ponieważ zaś dokładnie przeciwny wynik dało badanie na 50 tysiącach pielęgniarzy[6] i był on wywołany właśnie różnicami w zachorowalności na raka prostaty (której kobiety nie mają) wydaje się że jest to jedyny typ nowotworu któremu selen w jakiś sposób zapobiega.

Pierwiastek ten dosyć powszechnie występuje w jedzeniu - najlepszymi źródłami są ryby i skorupiaki morskie, dalej mięso, wątroba, nerki , jajka, produkty zbożowe i rośliny strączkowe. Z tego też powodu zróżnicowana dieta jest najzupełniej wystarczająca aby zaspokoić zapotrzebowanie. Z tego co wiem, jedynie specyficzne diety ubogie jak fruktarianizm mogą doprowadzać do jakiegoś niedoboru, wystarczy jednak wzbogacić je o rośliny obfite w selen - najwięcej zawierają go orzechy brazylijskie. Zmniejszone wchłanianie pojawia się także przy alkoholizmie, stosowaniu niektórych leków zawierających siarkę, czy uporczywych biegunkach. Dlatego też w zasadzie silny niedobór Se jest rzadkością. Bardzo trudno jest też go przedawkować przez samo jedzenie, stąd praktycznie wszystkie takie przypadki dotyczą nadużywania suplementów.

Jeśli zatem selen ma takie dobroczynne właściwości, to co robi w tej historii?
Wieki temu przemądrzały lekarz Paracelsus stwierdził paradoksalnie "Wszystko jest trucizną i nie jest nią". Każda substancja wpływa jakoś na organizm, a to czy wpływ będzie szkodliwy, leczniczy czy obojętny zależy tylko od dawki (i sposobu podania). Woda jest nam niezbędna do życia, ale wypicie na raz zbyt dużej ilości zaburza równowagę elektrolitów, w rzadkich przypadkach wywołując śmiertelnie groźne zatrucie wodne. A zdecydowanie mniejsza ilość dostawszy się do płuc może spowodować zachłyśnięcie.
To na ile bezpieczna jest dana substancja określają dwa czynniki - dawka śmiertelna a dla substancji leczniczych rozpiętość między dawką leczniczą a toksyczną. Taki na przykład siarczan miedzi zasadniczo uważany jest za lekko trujący, choć dawka śmiertelna dla niego to kilkanaście gramów - więcej niż dla niektórych leków. Dla ibuprofenu dawka terapeutyczna to ok. 10mg/kg ciała, zaś toksyczna, przy której już pojawiają się negatywne objawy, to ok. 180mg.kg[7] - zakres bezpieczeństwa jest więc szeroki bo lek staje się trujący w ilości 18 razy większej niż normalna.
Jak rzecz wygląda dla selenu? Zalecana dawka dzienna to 55-70 µg (0,000055-0,00007 g)  zaś toksyczna to 400 µg/dzień - tylko 8 razy więcej. W dodatku pamiętajmy że mówimy o dawkach rzędu milionowych części grama, przy takich odrobinach nie trudno o przekroczenie dawki. Łatwiej nieświadomie zażyć za dużo selenu niż połknąć 8 tabletek. Wprawdzie selen jest koniecznie potrzebny do produkcji enzymów, ale tylko do nich, a organizm nie będzie ich produkował dopóki mu starczy materiału, a tylko tyle ile mu trzeba. Nieprzereagowany selen rozprasza się po organizmie, próbując wbudować się gdzieś zamiast siarki. Zastępuje ją w kreatynie, budującej włosy i paznokcie, jednak czyni to nieudanie - takie zselenowane białko ma niewłaściwą budowę, stąd zmiana struktury włosów i szare pasma na paznokciach; działanie toksyczne na komórki macierzy paznokciowej wywołuje ich zniekształcenia a nawet wypadanie.

Pasma Meesa przy selenozie

Powróćmy tu to Ameryki - gdy zorientowano się że źródłem zatrucia jest suplement, starano się dotrzeć do wszystkich, którzy go kupili. Na podstawie danych ze sklepów odnaleziono 226 osób w dziewięciu stanach, które kupiły feralną partię. Objawy zatrucia stwierdzono u 201 osób. Dzięki ankietom i kwestionariuszom ustalono przebieg i objawy zatrucia, uzyskując całkiem sporą ich rozpiętość. I tak u większości pojawiały się biegunki, ogólne zmęczenie, wypadanie włosów (po ok 70%) bóle stawów, zniekształcenia i przebarwienia paznokci (50-60%) bóle głowy, cuchnący oddech i zmiany skórne; co czwarty stwierdził gorączkę. U wielu z nich objawy utrzymywały się jeszcze w trzy miesiące po zatruciu. Późno ujawniły się takie objawy, jak pogorszenie pamięci, zmiany nastroju i osłabienie mięśni.
Spośród tych którzy tracili włosy u kilkunastu dotyczyło to całkowitego wyłysienia głowy a u jednej osoby  utraty wszystkich włosów na ciele. U doświadczających zniekształceń paznokci co trzeci utracił część paznokci. Był to największy w USA przypadek zatrucia suplementem diety od czasu afery z trującym tryptofanem.
Innym obszernym przypadkiem zatruć selenem są endemiczne selenozy w środkowych Chinach. To geologiczny paradoks, że w jednej części kraju ludzie chorują od niedoboru a w innej od nadmiaru tego pierwiastka w glebie. W pięciu wsiach w okolicach Enshi, w prowincji Hubei, na początku lat 60. niemal dwustu mieszkańców doznało biegunek, wypadania włosów i paznokci, choroby układu nerwowego, choroby skóry i zębów. Jedna osoba zmarła. Źródłem była gleba powstała na płytkich złożach węgla, zawierających rekordową ilość 0,08% selenu. Długotrwała susza zniszczyła uprawy ryżu, więc mieszkańcy przerzucili się na kukurydzę i warzywa strączkowe, gromadzące selen w dużych ilościach[8]

Problemy z selenem pojawiają się też na dużych obszarach zachodnich Stanów Zjednoczonych - przewlekła selenoza u zwierząt hodowlanych powoduje tam wypadanie sierści, zniekształcenia i rozszczep kopyt, zwiększa ilość deformacji płodów. Po przedostaniu się do wód staje się toksyczny dla ryb - notowano takie drastyczne deformacje jak dwugłowe pstrągi. U ptaków wywołuje deformacje dziobów i wypadanie piór.

Tak na prawdę bardzo trudno jest doznać zatrucia ze źródeł naturalnych, nawet zajadając się orzechami brazylijskimi, dlatego też praktycznie wszystkie znane przypadki są związane ze stosowaniem suplementów. Jednym z nielicznych łatwo dostępnych produktów, zawierających dużo tego pierwiastka, jest preparat do zimnej oksydacji stali, zawierający mieszankę soli miedzi i selenianu sodu. Po wtarciu mieszanki w oczyszczoną powierzchnię stalową, tworzy się na niej ciemna powłoczka tlenków i selenków miedzi o lekko niebieskawym kolorze. Tego typu preparaty są używane do konserwowania broni, dlatego w takich krajach jak USA są łatwo dostępne. Nic też więc dziwnego, że tam właśnie notuje się dużo zatruć.
Znalazłem co najmniej dwadzieścia przypadków zgonu w wyniku przypadkowego lub samobójczego wypicia takich preparatów. Ilości które wywołały zatrucie wahały się od 11 ml (u dwuletniego chłopca) do 90 ml, przyczynami zgonu były najczęściej rozległe krwotoki wewnętrzne, martwica wątroby, obrzęk płuc lub zawał jelita.[9] Dawka śmiertelna dla selenianu sodu to zaledwie 5 -7 mg/kg masy ciała - dwa razy mniej niż dla cyjanku.

Wobec tego wydaje się dziwne, że natknąłem się na informację o tylko jednej przypuszczalnej próbie zabójstwa selenem. W 1989 roku pewien 49-latek trafił do szpitala z wodnistą biegunką i wymiotami, które jednak minęły po kilku dniach. Tydzień później objawy powróciły z jeszcze większym natężeniem, dodatkowo zaczęły mu wypadać włosy, stracił na wadze i doznawał skurczów mięśni. Paznokcie zabarwiły się na fioletowo-czerwono. Pojawiła się lekka żółtaczka i zapalenie jelit. Choroba minęła po dwóch tygodniach ale powróciła po trzech dniach spędzonych w domu. Badania toksykologiczne wykluczyły tal i arsen, dające podobne objawy. Lekarza zajmującego się nim zastanowił jednak wyraźny, czosnkowy zapach z ust, nie pasujący do metali ciężkich, co naprowadziło go na myśl, o zatruciu selenem.
 Faktycznie, stężenie w próbkach moczu i krwi przekroczyło wszystkie normy. Po trzech miesiącach objawy cofnęły się, zaś na badaniach kontrolnych pacjent ujawnił, że niedawno rozstał się z dziewczyną. Odeszła od niego zabierając znaczną sumę z jego konta. Wcześniej gotowała mu, zaś ostre objawy pojawiały się po zjedzeniu posiłków. Po jej odejściu choroba nie powróciła - śledztwo wykazało, że w tym okresie kupiła dosyć dużo preparatu do konserwowania broni, zawierającego kwas selenowy. Z braku zachowanych próbek jedzenia nie dało się jej niczego udowodnić.[10] Natknąłem się jeszcze na przypadek Richarda Overtona, który próbował otruć swoją pierwszą żonę, oraz otruł drugą przy pomocy selenku i cyjanku, ale nie wiem która z tych trucizn spowodowała śmierć.

Dosyć ciekawą kwestią są interakcje między selenem a metalami ciężkimi - zarówno on jak i arsen, rtęć czy kadm, gromadzą się w tych samych organach i najwyraźniej często łączą się w nietoksyczne selenki, co w pewnym stopniu sprzyja detoksykacji. Działa to też w drugą stronę - odtrutką na ostre zatrucie Se jest arszenik (i odwrotnie, ale ilość selenu potrzebna do detoksykacji arsenu byłaby na tyle duża, że pacjent zatrułby się nim właśnie).[11] Z tego powodu niektórzy próbują zażywać ten pierwiastek przy zatruciach rtęcią, zarówno faktycznych jak i domniemywanych. Szczególnie zajmujący się medycyną alternatywną polecają takie preparaty osobom z amalgamatowymi plombami, co niestety doprowadziło już do kilku zatruć. Niedawno 54-latka z Hamburga za radą dentystki wymieniła wszystkie plomby, poddała się akupunkturze a gdy bóle szczęki nie ustępowały, otrzymała receptę na suplement. Po zażyciu połowy przepisanej ilości trafiła do szpitala z martwicą wątroby. W podobnym przypadku z 2001 roku, wlew z 100 mg selenianu sodu mający na celu usunąć rtęć z amalgamatów, zabił pacjenta w ciągu kilku godzin. [12]

Podsumowanie

Dla tych, którym nie chciało się czytać. 

Selen jest niezbędnym mikroelementem, potrzebnym naszemu organizmowi do produkcji enzymów usuwających wolne rodniki. Jego niedobór zwiększa zachorowalność na raka i inne choroby. Niestety nadmiar jest trujący, a przekroczyć dawkę toksyczną jest bardzo łatwo. Ponieważ trudno jest to zrobić poprzez jedzenie które go zawiera, praktycznie wszystkie znane przypadki dotyczą stosowania suplementów, czy to w nadmiarze czy też omyłkowo zbyt silnych.
Jest to dosyć charakterystyczny przypadek - zbyt mała ilość w diecie sprzyja chorobom, za zbyt duża je wywołuje. Podobnie bywa z witaminami. Dlatego najlepiej trzymać się złotego środka.
-----
źródła:

*  MacFarquhar, J. (2010). Acute Selenium Toxicity Associated With a Dietary SupplementAcute Selenium Toxicity With a Dietary Supplement Archives of Internal Medicine, 170 (3) DOI: 10.1001/archinternmed.2009.495
 
 http://en.wikipedia.org/wiki/Selenium
 http://de.wikipedia.org/wiki/Selen
 http://sv.wikipedia.org/wiki/Selen
 http://de.wikipedia.org/wiki/Selenose
 http://en.wikipedia.org/wiki/Selenium_deficiency
 http://de.wikipedia.org/wiki/Selenmangel

[1] Toulis KA, Anastasilakis AD, Tzellos TG, Goulis DG, & Kouvelas D (2010). Selenium supplementation in the treatment of Hashimoto's thyroiditis: a systematic review and a meta-analysis. Thyroid : official journal of the American Thyroid Association, 20 (10), 1163-73 PMID: 20883174
 
[2] Hurst, R., Hooper, L., Norat, T., Lau, R., Aune, D., Greenwood, D., Vieira, R., Collings, R., Harvey, L., Sterne, J., Beynon, R., Savovic, J., & Fairweather-Tait, S. (2012). Selenium and prostate cancer: systematic review and meta-analysis American Journal of Clinical Nutrition, 96 (1), 111-122 DOI: 10.3945/ajcn.111.033373 [3] Zhuo H , Smith AH , Steinmaus C . Selenium and lung cancer: a quantitative analysis of heterogeneity in the current epidemiological literature.  Cancer Epidemiol Biomarkers Prev. 2004 May;13(5):771-8
[4] Lawson, K., Wright, M., Subar, A., Mouw, T., Hollenbeck, A., Schatzkin, A., & Leitzmann, M. (2007). Multivitamin Use and Risk of Prostate Cancer in the National Institutes of Health-AARP Diet and Health Study JNCI Journal of the National Cancer Institute, 99 (10), 754-764 DOI: 10.1093/jnci/djk177
[5] Garland M, Morris JS, Stampfer MJ, Colditz GA, Spate VL, Baskett CK, Rosner B, Speizer FE, Willett WC, & Hunter DJ (1995). Prospective study of toenail selenium levels and cancer among women. Journal of the National Cancer Institute, 87 (7), 497-505 PMID: 7707436
[6] Yoshizawa, K., Willett, W., Morris, S., Stampfer, M., Spiegelman, D., Rimm, E., & Giovannucci, E. (1999). Study of Prediagnostic Selenium Level in Toenails and the Risk of Advanced Prostate Cancer The Journal of Urology, 161 (4) DOI: 10.1016/S0022-5347(01)61692-6
[7]  http://www.swiat-zdrowia.pl/artykul/lekarstwa-przeciwgoraczkowe-paracetamol-ibuprofen-infekcje
[8] Yang GQ, Wang SZ, Zhou RH, & Sun SZ (1983). Endemic selenium intoxication of humans in China. The American journal of clinical nutrition, 37 (5), 872-81 PMID: 6846228
[9]  Kern L. Nuttall, Evaluating Selenium Poisoning Ann Clin Lab Sci Autumn 2006 vol. 36 no. 4 409-420

[10] Ruta, D., & Haider, S. (1989). Attempted murder by selenium poisoning. BMJ, 299 (6694), 316-317 DOI: 10.1136/bmj.299.6694.316
[11] Levander, O. (1977). Metabolic Interrelationships between Arsenic and Selenium Environmental Health Perspectives, 19 DOI: 10.2307/3428469  
[12]  http://www.news.at/articles/0227/10/37705/steirerin-selenspritze-haftstrafe-arzt

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3225252/

Kiedyś w laboratorium (20.)

W zeszłym roku na zajęciach z chromatografii zajęliśmy się między innymi analizą cukrów. Na płytki nanosiliśmy po kropli cukrów: rybozy, mannozy, laktozy, glukozy i kroplę analizowanej mieszaniny X. Niektóre płytki były wcześniej modyfikowane przez nasycenie kwasami organicznymi. O ile dobrze pamiętam użytym roztworem rozdzielającym była mieszanina octanu etylu i izopropanolu z wodą. Następnie płytki wysuszyliśmy i spryskaliśmy wywoływaczem - kwaśnym acetonowym roztworem difenyloaminy. I wtedy okazało się, że ćwiczenie nie wyszło - plamki ledwie drgnęły. Jako tako wyszła tylko jedna płytka rozdzielana w jednym układzie, została jednak źle spryskana i po wywołaniu zamiast plamek ujrzeliśmy marmurkowaty deseń:

Bywa i tak.

Mieszaniny ogrzewające

Bezpośrednią inspiracją do artykułu, była informacja prasowa o tym, jak to polskie wojsko wprowadziło do wyposażenia "bezpłomieniowy palnik", ogrzewający racje żywnościowe za pomocą pewnej reakcji chemicznej.  Tego typu zestawy znane są już na świecie, jednak u nas jest to traktowane jak rewolucja. Relacjonująca sprawę prasa ustrzeliła przy tym takiego oto babola:

W urządzeniu zachodzi reakcja chemiczna, która podnosi temperaturę.Saszetki nasączone są m.in. węglanem sodu, proszkiem glinu i sodą kolcynowaną.[1]

Soda... jaka? Zapewne redaktorom chodziło o sodę kalcynowaną, tym samym jednak błąd jaki popełnili jest podwójny, gdyż soda kalcynowana, to inaczej węglan sodu. Nieco później opisując skład racji żywnościowych podają błędną nazwę słodzika "xyliton" zamiast "ksylitol" co tylko potwierdza, że dziennikarze nie przywiązują wielkiej wagi do nazw chemicznych, wychodząc z założenia że jakby co, to i tak nikt z czytelników nie zauważy.
 Abstrahując jednak od tych gaf, sama idea mieszanin ogrzewających i podgrzewaczy chemicznych, jest o tyle ciekawa, że warta szerszego omówienia na blogu takim jak ten.

Podczas wojny w warunkach polowych, ale też często podczas podróży po bezdrożach, wypraw wysokogórskich i w warunkach ekstremalnych, ciepły posiłek przyda się bardzo, nie zawsze jednak głodny osobnik może sobie pozwolić na zapalenie małej butli z gazem, czy choćby prymusa. Czasem może w tym przeszkadzać chęć niezdradzania swej pozycji* , czasem warunki atmosferyczne jak silny wiatr i deszcz, a czasem niezbyt właściwe do kucharzenia miejsce, jak ciasny schron czy kabina pojazdu. Stąd też pomysł, aby podgrzewać jedzenie w jakiś inny sposób. Gdy dostępny jest prąd, wystarczy grzałka elektryczna lub mikrofalówka, gdy zaś dostępu do sieci nie ma, zdawać się trzeba na takie właśnie wynalazki.

Każdy taki zestaw zasadniczo działa tak samo - jedzenie w zamkniętych opakowaniach wsadza się do woreczka lub kubełka i dolewa wody do zewnętrznego płaszcza. Pod wpływem wody substancja w tymże płaszczu czy woreczku zaczyna wydzielać na tyle dużo ciepła, aby móc zagotować wodę i podgrzać jedzenie wystarczająco, aby móc uzyskać gorący posiłek. Zestawy tego typu od dawna są znane w wojsku na zachodzie (np. MRE). Awaryjne podgrzewacze można także kupić w odpowiednich firmach, jako zestaw dla turystów. Zastanawia jednak, jakie to reakcje mogą wytworzyć aż tyle ciepła?

Na początek powiem może coś ogółem na temat ciepła w reakcjach chemicznych. Każda przemiana chemiczna, polegająca na zrywaniu lub powstawaniu wiązań chemicznych, albo zmianie ich konformacji, jest w istocie przemianą energetyczną - jedne cząsteczki wydzielają energię zaś inne ją pobierają, podlegając zmianom tak, aby dotrzeć do stanu termodynamicznie najtrwalszego w danych warunkach. Czasem  reakcje przebiegają samorzutnie, czasem należy im w reagowaniu pomagać dostarczając energię. Ogólna zasada mówi, że energia nigdy nie ginie - może jedynie uciekać z układu lub ulegać zamianie na inną formę. Całkowita zawartość ciepła w danym układzie, to entalpia. Jej zmiany podczas reakcji  objawiają się tym, że układ bądź pobiera bądź oddaje ciepło do otoczenia. Jeśli reakcja jest odwracalna, to ilość energii, jaką należy dostarczyć, aby zaszła w jedną stronę, jest równa ilości wydzielającej się gdy biegnie w drugą stronę, i to nie zależnie od tego jaką drogą się to odbywa.
Nam akurat zależy na oddawaniu, dlatego należy poszukać takich reakcji, których substraty są otrzymywane przy zużyciu dużej ilości ciepła. Taką wysoce energochłonną reakcją jest rozkład wapieni.
Węglan wapnia występuje w przyrodzie bardzo często, zaś otrzymywany z niego tlenek wapnia - czyli wapno palone - jest bardzo przydatny do tynkowania czy wytwarzania zaprawy wapiennej. Niestety, aby dokonać przemiany wapieni w wapno należy wypalać je w temperaturze 800 stopni przez kilka godzin. Na wypalenie tony wapna z ok. 1,7-2 t wapienia, potrzeba ok.4-5 kubików drewna opałowego w specjalnych piecach[2], a w stosach jak to robiono dawniej, z pewnością jeszcze więcej. Otrzymany tlenek wapnia chętnie łączy się z wodą dając wodorotlenek (wapno gaszone) i wydzielając bardzo dużo ciepła. W zasadzie więc, sprowadza się to do takiej reakcji:

CaO + H₂O  Ca(OH)₂

Na każdy mol reagującego tlenku, czyli 65 g, wydziela się 63 kcal ciepła, mniej więcej tyle co spalenie 6 g propanu. Podczas gaszenia wapna temperatura mieszaniny może przekraczać 100 stopni C, co wystarcza do podgrzania niedużej porcji. Tego typu podgrzewacze były stosowane podczas I wojny światowej. Znacznie jednak większą ilość ciepła można uzyskać podczas przyspieszonego utleniania metali.
Jeśli mamy do czynienia z metalem reaktywnym, to stan metaliczny jest dla niego nietrwały. Aby wytopić taki metal z rudy, należy przy pomocy dużej ilości ciepła rozłożyć jego związki, głównie tlenki lub siarczki. Skoro tak, to zgodnie z tym co powiedziałem, przemiana odwrotna powinna przebiegać z wydzielaniem ciepła. I rzeczywiście - gdyby dokładnie rzecz zmierzyć okazałoby się, że żelazo rdzewiejąc odrobinkę się grzeje, jednak powolność procesu powoduje, że ilość ciepła wydzielanego w jednostce czasu, jest niewielka. Gdybyśmy mogli przyspieszyć ten proces, żelazo wyraźnie grzałoby się. Spektakularnym tego przykładem są "zimne ognie" gdzie w spalającej się masie utleniane żelazo rozgrzewa się do temperatury białego żaru.
Chemiczne ogrzewacze używane w wojsku bazują właśnie na tej właściwości aktywnych metali.

Najczęściej zestawy takie zawierają mieszankę pyłu magnezowego, opiłków żelaza, soli kuchennej i innych dodatków, zależnie od producenta. Po dodaniu wody do takiej mieszanki, rozpuszczamy sól tworząc elektrolit. W tym elektrolicie zawieszone są dwa różne metale - żelazo i magnez - toteż cały układ staje się czymś w rodzaju zmielonego ogniwa galwanicznego.
Potencjał standardowy układu metal/kationy jest dla żelaza wyższy, niż dla magnezu, przez co w tak stworzonym układzie żelazo staje się dodatnią katodą, zaś magnez ujemną anodą. W takim układzie to metal anody jest utleniany, zgodnie z reakcją:

Mg + 2 H₂O → Mg(OH)₂ + H₂ 

Wprawdzie reakcja sproszkowanego metalu z wodą zachodzi i bez tego, ale dosyć wolno. Stworzenie ogniwa w tak wybitnie sprzyjających warunkach powoduje, że metal może całkowicie przereagować w ciągu kilkunastu minut, po czym reakcja zostaje przerwana a zestaw trzyma ciepło stopniowo się ochładzając. Ilość ciepła wydzielanego podczas reakcji to 351 kJ/mol, zatem prawie sześć razy więcej niż przy gaszeniu wapna. Właśnie tego typu mieszaniny są używane w wojskowych zestawach.
Nieco wolniejsza reakcja, pozwalająca trzymać ciepło przez kilka godzin, bazuje na utlenieniu żelaza. Tutaj drugą elektrodę stanowi grafit. Mieszanina grafitu, opiłków żelaza i minerałów ilastych pomagających utrzymać ciepło, po zwilżeniu wodą rozgrzewa się zależnie od składu do 30-50 stopni. Tego typu zestawy używane są we wkładkach do butów i rozgrzewających kompresach.
Zestaw polskiej armii bazuje zapewne na podobnej reakcji, z wykorzystaniem tańszego glinu i tej nieszczęsnej sody. Nie sądzę aby użyto tam wodorotlenku sodu, bo wówczas w razie pęknięcia torby, mieszanina mogłaby popatrzyć nie tylko termicznie. Mieszaniny tego typu już istnieją, więc nie wiem co to za wielka innowacja.

Mieszaniny oparte na utlenianiu metali mają jednak jedną podstawową wadę - podczas reakcji wydzielają dosyć dużo wodoru, więc siłą rzeczy palenie papierosów podczas nagrzewania zestawu niewskazane. Wlanie do worków zbyt dużej ilości wody może wywołać wykipienie. No i zestaw można użyć tylko jeden raz. Wad tych pozbawione są mieszaniny, że tak powiem "hydratacyjne", niewydzielające wodoru (hydrogen-free ration heater - HRH). Aby jednak objaśnić, na czym polega ich działanie znów zboczę w dygresję.

Jak to już tłumaczyłem, sposób w jaki zazwyczaj w nauce szkolnej rozpisuje się dysocjację soli nie jest dokładny, gdyż przedstawia go jakby zachodził w próżni a nie w wodzie. W rzeczywistości bowiem, rozpuszczana substancja zawsze jakoś oddziałuje z cząsteczkami rozpuszczalnika za sprawą powstającego między nimi oddziaływania, czy to sił Londona, czy Van deer Walsa czy też w przypadku jonów, oddziaływania elektrostatycznego. Te oddziaływania dosłownie wyrywają cząstki z fazy stałej, co jednak nie może odbyć się bez kosztów - na każdą pracę potrzebna jest energia. Może to być energia cieplna czy w pewnym stopniu mechaniczna, co tłumaczy skuteczność mieszania i podgrzewania w rozpuszczaniu substancji. Cząstki ciała stałego są utrzymywane w fazie przez silne oddziaływania - i podobnież mogą to być oddziaływania międzycząsteczkowe dla kryształów molekularnych, wiązania wodorowe czy oddziaływania jonowe. Takim oddziaływaniom odpowiada pewna wartość energii, jaką należy przekazać cząstce, aby mogła wyrwać się do roztworu.

Zarazem, gdy cząstka rozpuszczona wyrwie się (a w zasadzie już w trakcie) zostaje otoczona przez cząsteczki rozpuszczalnika. Siły przyciągające mają to do siebie, ze układ przyciągających się ciał pobiera energię, gdy się je odrywa i wydziela gdy pozwala się im zbliżyć. Tak samo jest z grawitacją - aby rzucić kamień w górę należy się trochę wysilić, lecz spadając kamień uderzy o ziemię z taką samą siłą jak ta, z jaką go rzuciliśmy, może jedynie ostrzejszym kantem. W przypadku jonów rozpuszczających się w wodzie jej cząsteczki, będące dipolami, są przyciągane elektrostatycznie przez ładunek jonu i przez analogię "spadając" na jon w polu elektrostatycznym, wydzielają pewną energię. Jeśli energia sieci krystalicznej jest większa od energii hydratacji, to brakująca jej ilość zostanie wzięta z energii cieplnej wody - roztwór taki ochładza się, niejednokrotnie dość znacznie (rozpuszczanie lodu i soli w stężonym roztworze daje temperaturę do -35 C).
W przeciwnym przypadku, gdy energia hydratacji jest większa, zostaje ona wydzielona, a nasz roztwór ociepla się.
W nieutleniających mieszaninach ogrzewających używa się soli o wysokiej energii hydratacji, na przykład bezwodnego chlorku glinu czy chlorku wapnia. Zestaw taki można poddać recyklingowi po prostu odparowując roztwór do sucha. Znalazłem też zestawy oparte na wodorotlenkach metali alkalicznych - wodorotlenek sodu i potasu bardzo silnie nagrzewają roztwór podczas rozpuszczania, przy nieumiejętnym rozpuszczaniu nawet do wrzenia. Ciepło rozpuszczenia zasady potasowej jest prawie takie samo jak gaszenia wapna. Takie zestawy są bardzo niebezpieczne ze względu na powstające żrące ługi, jednak te, które znalazłem stosują tu sprytną sztuczkę - w zestawie oprócz wodorotlenku jest jeszcze substancja kwaśna, jak sądzę stały kwas organiczny, więc po rozpuszczeniu zasady następuje jej zobojętnienie, które zresztą też powoduje wydzielenie pewnej ilości energii[3]

Jest jeszcze jedna grupa ogrzewaczy chemicznych, które właściwie należałoby nazwać fizycznymi, czy też krystalitowymi. Wiecie już, że zrywając wiązania w krysztale wydatkujemy na to pewną energię. Jeśli połączycie to z zasadą, iż proces odwrotny wywoła taki sam, ale przeciwny do kierunku skutek energetyczny, to łatwo będzie się domyśleć, że krystalizacja substancji, która rozpuszczana pochłaniała energię, będzie przebiegała z wydzieleniem tejże. Po prostu energia wydzielająca się podczas tworzenia sieci krystalicznej jest wtedy większa od zużywanej na oderwanie od jonu zsolwatowanych cząsteczek wody. Jednak, aby powstające ciepło podwyższyło temperaturę w możliwie krótkim czasie, krystalizacja musi przebiegać szybko - stąd wykorzystanie substancji dających roztwory przechłodzone.
Oziębiając roztwór soli zmniejszamy rozpuszczalność, co dla stężonych roztworów musi się skończyć wydzieleniem nadmiaru substancji. Jednak zorganizowanie się bezładnych cząsteczek substancji w uporządkowany kryształ jest samo w sobie mało prawdopodobne, toteż jeśli roztwór jest bardzo czysty to mimo oziębiania nie wytworzą się w nim zarodki krystalizacji na tyle duże i liczne, aby proces zaczął zachodzić samorzutnie. W efekcie bardzo czyste roztwory soli można przechładzać bez krystalizacji, podobnie jak bardzo czystą wodę można przechłodzić do temperatur ujemnych bez zamarzania. Małe zaburzenie tej nietrwałej równowagi, poprzez dodanie stałej substancji, zanieczyszczeń, materiału porowatego czy nawet silne wytrząsanie, wywołuje bardzo szybką krystalizację, niejednokrotnie wywołujące skrzepnięcie roztworu w kilkanaście sekund.
Jeśli więc uda się nam to zrobić z roztworem substancji, wydzielającej ciepło podczas krystalizacji, to otrzymamy bardzo dobrą fizyczną grzałkę. Tego typu urządzenia, mające postać woreczków lub buteleczek, mają od bardzo dawna zastosowanie jako samogrzejące kompresy czy ogrzewacze do rąk. Taki pojemnik zanurza się w gorącej wodzie aż kryształy wewnątrz całkowicie się rozpuszczą, po cym odstawia w chłodne miejsce. Chcąc ich użyć wstrząsa się nimi lub w inny sposób wywołuje krystalizację - kryształy w krótkim czasie zarastają pojemnik, który robi się bardzo ciepły. Przykład takiej krystalizacji:

To na prawdę nie jest przyspieszony film.
A jakie sole mogą dawać taki efekt? Najczęściej używa się tiosiarczanu sodu - krystalizacja stężonego roztworu może podnieść temperaturę z 25 do 50-55 stopni C. Jest to znany odczynnik chemiczny, dawniej też utrwalacz fotograficzny. Jednak zdecydowanie łatwiej dostępny jest octan sodu, który można przygotować roztwarzając sodę oczyszczoną w occie spożywczym. Tu temperatura może się podnieść do 40-50 stopni C, więc przy odrobinie chęci można sobie samemu skonstruować takie ogrzewacze do rękawiczek (nie omieszkam spróbować).
Dostępne w handlu kompresy oparte na tej zasadzie mają postać szczelnie zamkniętych woreczków. Zapoczątkowanie reakcji odbywa się w ciekawy sposób - wewnątrz woreczka znajduje się kawałeczek wklęsłego metalu. Naciskając na niego możemy go niejako wywrócić na drugą stronę czyli odgiąć. Odbywa się to bardzo szybkim szarpnięciem. Wprawdzie nie znalazłem dokładnego opisu, ale podejrzewam że wibracje przy powierzchni metalu są na tyle silne, że wywołują miejscową kawitację w roztworze - między węzłami fal dźwiękowych na moment ciśnienie spada na tyle, aby roztwór mógł na chwilkę odparować, przez co powstaje trochę zarodków i dalej proces przebiega samoistnie. Po wykorzystaniu woreczek z kryształami odgrzewa się w gorącej wodzie do rozpuszczenia, zostawia gdzieś do ochłodzenia i można go znów wykorzystać.

-------
* Czytelnicy Potopu być może przypomną sobie jak to podczas oblężenia Jasnej Góry, oblegani strzelali nocą do Szwedów gdy tylko zobaczyli płomienie, świadczące o tym, że ktoś chciał sobie zrobić kolację.

[1] http://www.rp.pl/artykul/962780.html?print=tak&p=0
[2] http://www.lhoist.pl/html/firma/historia/lhoist_bukowa.html
[3] http://nsrdec.natick.army.mil/media/fact/food/hrh.htm
-  http://www.mreinfo.com/us/mre/frh.html
-  http://www.thestreet.com/story/10689212/1/alumifuel-power-inc-provides-update-on-its-flameless-ration-heater-initiatives.html

Kiedyś w laboratorium (19.)

W zeszłym roku miałem krótko zajęcia ze spektroskopii w podczerwieni. Zależnie od długości fali promieniowania, otrzymywane są różne widma. W spektroskopii podczerwonej badamy pasma adsorpcyjne, to jest zakresy podczerwieni pochłaniane przez daną substancję. Odpowiadają one odpowiednim grupom w cząsteczce - wiązaniom podwójnym, grupom karbonylowym, aminowym, laktamowym itd. Szerokość, natężenie i położenie pasma pozwala nam dużo powiedzieć na temat budowy cząsteczki. W zasadzie w dużym stopniu widma danego związku są unikalne i wyłącznie dla niego przeznaczone - ale niestety nie zawsze się to udaje.

Aby uzyskać widmo należy przemiatając całe spektrum prześwietlać próbkę związku. Gdy mamy ją w postaci płytki kryształu lub jednolitej masy, nie jest to znów takie trudne, zwykle jednak mamy do dyspozycji drobne kryształki. Najczęstszym sposobem jest zmieszanie naszego związku z dobrze utartym bromkiem potasu, który to dobrze przepuszcza podczerwień. Otrzymany proszek wsypuje się do prasy, opuszcza stempel i pod bardzo wysokim ciśnieniem prasuje "pastylkę". Chlorki, bromki i jodki sodu i potasu pod wysokim ciśnieniem stają się nieco plastyczne - czego spektakularny przykład stanowią wysady solne, a więc maczugowate porcie soli kamiennej, wypchnięte z warstwicowych pokładów przez jakieś osłabienie czy niespoistość warstw. W tym przypadku plastyczność powoduje, iż otrzymujemy półprzezroczystą masę, na tyle trwałą aby nadawała się do badań.
Jedną taką pastylkę robiłem własnoręcznie, gdy zaś wyjąłem podkładkę ze stempla, stwierdziłem że masa została w intrygujący sposób wypchnięta przez szczelinę przy stemplu: