Kiedyś w laboratorium (47.)

Kiedyś na zajęciach z analityki robiliśmy doświadczenie z elektroforezą aminokwasów.

Aminokwasy zgodnie z nazwą są związkami, które zależnie od warunków mogą być kwasami lub zasadami - posiadają grupę karboksylową mogącą odszczepiać proton, która zwykle decyduje o właściwościach kwaśnych, oraz grupę aminową która mogłaby przyjąć proton w odpowiednio zakwaszonym środowisku. W szczególnych warunkach zjonizowane są obie grupy i punkt ten nazywany izoelektrycznym.
 Ponieważ w aminokwasach o różnej budowie stała protonowania grupy aminowej i stała deprotonacji grupy karboksylowej przybierają różne wartości, toteż w roztworach o tym samym odczynie różne aminokwasy będą przyjmowały bądź formę anionu bądź kationu. A gdy do roztworu przyłożymy napięcie elektryczne, każdy pomknie w inną stronę.

Przyciąganie jonów do elektrody o przeciwnym znaku powoduje ich migrację, której prędkość zależy od wielkości i stopnia naładowania cząsteczki. Wskutek tego możliwy staje się rozdział naładowanych cząstek w polu elektrycznym na podobnej zasadzie jak to się ma przy chromatografii. Techniki tej używa się do rozdziału białek, peptydów i fragmentów DNA na przykład podczas badań genetycznych, co kiedyś już opisywałem.

W tym przypadku jednak poprzestaliśmy na sytuacji dużo prostszej - na kilka pasków bibuły nasączonej przewodzącym buforem nałożyliśmy próbki kilku aminokwasów i przez pewien czas podłączyliśmy paski do elektrod. Te aminokwasy które w odczynie buforu były anionami pomknęły w stronę elektrody dodatniej zaś te będące kationami w stronę elektrody ujemnej. Plamy aminokwasów ujawnialiśmy ninhydryną:

Jak dogrzebię się do starego zeszytu to dopiszę jeszcze który pasek odpowiadał któremu z aminokwasów.

Soda na raka czyli ciastko z trucizną i komórka która gryzie

Pomysł walki z rakiem przy pomocy sody mieszanej z miodem jest w ostatnim czasie bardzo popularny w internecie. I pełen manipulacji. Dlatego też warto się z nim tutaj, po chemicznemu, rozprawić.

Cała "terapia" opiera się na kilku założeniach realnych i kilku wnioskach nie prawdziwych. Po pierwsze jak wiadomo, wewnątrz guza nowotworowego często pojawia się istotne zakwaszenie. Wynika to stąd, że komórki nowotworowe rosną szybko i potrzebują dużo tlenu i środków odżywczych. W centrum guza potrzeby stają się za duże w stosunku do podaży z krwią, przez co komórki guza stają się niedotlenione i zaczynają w pewnym stopniu przechodzić na metabolizm beztlenowy. Ich metabolity zakwaszają wnętrze guza.
Po drugie wiadomo, że komórki odżywiają się głównie glukozą, którą przetwarzają na energię. To jest jeszcze względnie prawdziwe. Ale problem zaczyna się z resztą punktów, które są już wnioskami.

Otóż teoretycy tej "terapii" mylą przyczynę ze skutkiem i twierdzą, że jeśli wewnątrz guza jest kwaśno, to znaczy że guzy biorą się z zakwaszenia. Aha. Czyli jeśli w marskości wątroby pojawia się wodobrzusze, to znaczy, że marskość jest wywoływana przez picie wody. Fajnie.
I opierając się na tym błędnym wniosku budują kolejny - skoro rak się bierze z zakwaszenia to można go zabić odkwaszeniem. Konkretnie przez spożywanie sody oczyszczonej zmieszanej z syropem klonowym.

Komórka która gryzie
Ciąg rozumowania jest tutaj następujący: komórki rakowe bardzo chętnie chłoną cukier. Więc jeśli połkniemy mieszankę cukru z sodą, to komórki przy okazji wchłaniana cukru wchłoną sodę. Ot tak mimochodem. Bo otworzą wakuole na glukozę i się im ta soda przypałęta.
Problem polega na tym, że pochłanianie glukozy przez komórkę to nie jest taki prosty mechanizm. Komórka nie ma na powierzchni żadnych "porów" które wyczuwszy, że w pobliżu jest dużo cukru otwierają się szerzej i dzięki temu może wpaść coś jeszcze. A dokładnie tak to tłumaczą artykuły - że gdy rak poczuje we krwi glukozę, to nabiera "superwchłanialności" i zaczyna tak szybko zaciągać cukier, że wsysa coś jeszcze.

Brzmi to zupełnie tak, jakby komórka pobierała substancje kęsami. Jeśli podsuniemy jej smakowite ciastko z kapsułką trucizny, to połknie kęs i się otruje bo ta kapsułka się w środku zawieruszyła. No niestety, ale to zupełnie nie tak.

Żołądek i to co po drodze
Etap który zwykle jest w tym rozumowaniu pomijany to kwestia trawienia. W "terapii" używana jest mieszanka sody z syropem klonowym lub miodem, zależnie od wersji w formie gęstego kleiku, roztworu w szklance wody czy też syropku otrzymanego przez gotowanie syropu z sodą. I mieszanka ta jest połykana, po czym w niezmienionym składzie ma się magicznie pojawiać w okolicach guza.
Tylko, że niestety każda połknięta substancja trafia do żołądka. A w żołądku jest niestety całkiem kwaśno.
Gdy nasza mieszanka znajdzie się w żołądku, soda przereaguje z kwasem żołądkowym i ulegnie zobojętnieniu. Powstanie chlorek sodu a reszta, czyli rozwodniony syrop, przejdzie do jelita, gdzie zostanie wchłonięta. Wizja sody, która w jakimś dziwnym połączeniu z cukrem niezmieniona przejdzie do krwi jest zatem błędna.
Zresztą - gdybyśmy nawet zażyli tak duże ilości sody, że zupełnie zobojętnilibyśmy kwas żołądkowy, to i tak mało prawdopodobne aby zaczęła ona przenikać do krwi i być rozprowadzaną po całym organizmie. Krew aby mogła prawidłowo odżywiać organizm, musi mieć ściśle określony odczyn, około pH 7,35-7,45. Gdyby do krwi dostała się soda, zalkalizowałaby krew wywołując groźną dla życia zasadowicę. Z którą organizm zacząłby walczyć przez spłycenie oddechu. Mniejsze wyrzucanie dwutlenku węgla z płuc zakwasza krew, nadmiar węglanów się rozkłada i sytuacja wraca do normy. Dodatkowo wykrycie przez organizm nadmiaru wodorowęglanów w osoczu powoduje wzmożone wydalanie ich do moczu przez nerki, w ten sposób soda jest wydalana zanim zdąży dotrzeć do jakiegoś tam nowotworu.

Jak komórka wchłania cukry
Wchłanianie jakichkolwiek cząsteczek do wnętrza komórki nie jest sprawą łatwą, ze względu na błonę komórkową. Błona ta zasadniczo jest lipofilowa, czyli przypomina nieco tłuszcz. A glukoza w tłuszczach się nie rozpuszcza. Dlatego aby jej tak pożądane cząsteczki mogły być wchłonięte, muszą być do komórki wciągnięte.
Gdy cząsteczka glukozy zbliża się do błony komórki, łączy się ze specjalnym białkiem nazywanym transporterem glukozy (GLUT). Białko to rozpoznaje cząsteczkę glukozy i owija się dokoła niej, po czym wciąga ją przez błonę kanałem jonowym.

Przy czym zauważmy, że białko transportowe chwyta tylko za cząsteczkę glukozy. Nic więcej nie zostanie wciągnięte. Gdyby wciągnięcie czegokolwiek innego "przy okazji" było możliwe, to wtedy do komórki trafiałyby różne przypadkowe cząsteczki, w tym także te niepotrzebne. Organizm jednak tak skonstruował kanał transportowy, że nie jest to możliwe.
Zamiast bowiem otworku w błonie, czy jakiegoś "poru" kanał transportowy ma postać szpulki białka tkwiącej w warstwie lipidowej. Wchłaniana cząsteczka ma rozmiary porównywalne z grubością łańcuchów białkowych, te zaś przylegają do siebie i na dodatek cały czas drgają termicznie. Zamiast połykania kęsa przypomina to raczej wpychanie kluski do zlewu zapchanego makaronem:

Struktura vSLGT z pracy Faham S et al.: Science 321(8): 810, 2008

Żeby zaś lepiej to zobrazować - przypomina to próbę dostania się na koncert, na który ma dodatkową wejściówkę nasza znajoma z obsługi koncertu, przez bramę przed którą czeka tłum fanów. Koleżanka dostrzega nas w tłumie, łapie za rękę i wymachując wejściówkami przeciąga nas przez tłum, składający się z osobników wprawdzie nie połączonych, ale dostatecznie ściśle przylegających, aby nie było to łatwe. Po przepchnięciu się łokciami trafiamy więc pod bramę, gdzie ochroniarz wpuszcza nas i tylko nas do środka. Żadna soda się za naszymi plecami nie prześlizgnie.

Glukoza zanim dostanie się do docelowej komórki przechodzi zresztą tą drogę trzy razy. Naczynia krwionośne oplatające jelito cienkie nie mają bowiem z nim bezpośrednego połączenia, zwykle od wnętrza jelita oddziela je przynajmniej jedna warstwa komórek nabłonka płaskiego. Glukoza z jelita zostaje zatem najpierw wchłonięta do komórek nabłonka za pomocą innego białka transportującego SGLT, stamtąd transporterem GLUT jest transportowana do krwi. Gdy znajdzie się we krwi, do kolejnej komórki, tej potrzebującej, jest ponownie wciągana białkiem GLUT.

 

Tak że wygląda na to, że cała ta "terapia" oparta jest na totalnym niezrozumieniu fizjologii człowieka i zadziała najwyżej jako placebo.
---------
* http://www.pepsieliot.com/krotka-kuracja-leczenia-raka-wg-vernona-johnstona/
* https://en.wikipedia.org/wiki/Alkalosis
* Salem Faham, Akira Watanabe, Gabriel Mercado Besserer, Duilio Cascio, Alexandre Specht, Bruce A. Hirayama, Ernest M. Wright, Jeff Abramson, The Crystal Structure of a Sodium Galactose Transporter Reveals Mechanistic Insights into Na⁺/Sugar Symport, Science 8 August 2008:
Vol. 321 no. 5890 pp. 810-814

Chemiczne wieści (1.)

Postanowiłem stworzyć jeszcze jeden cykl wpisów - krótkie doniesienia ze świata chemii, jakie ostatnio wpadły mi w oko i które uznałem za najciekawsze.

Rozdzielanie światłem
Rozdział lantanowców nie jest procesem łatwym. Pierwiastki te mają bardzo podobne właściwości fizyczne i chemiczne, zbliżoną rozpuszczalność soli i powinowactwo, a na dodatek występują w mieszaninie w jednym minerale - monacycie. Zwykle rozdziela się je bądź przez wieloetapową ekstrakcję w rozpuszczalnikach organicznych, lub przez stosowanie żywic jonowymiennych. Niedawna praca pokazuje jednak jeszcze jeden ciekawy, prosty i wymagający zdecydowanie mniejszej ilości energii proces.

Badacze skupili się na rozdziale europu od itru, dwóch rzadkich pierwiastków stosowanych w elektronice, w tym w telewizorach i w świetlówkach. Itr stanowi składnik czerwonego luminoforu czyli substancji emitującej światło po naświetleniu wiązką elektronów, często domieszkowany jest europem dla zwiększenia czułości. Ich odzysk ze zużytego sprzętu jest kłopotliwy, właśnie z powodu trudnego rozdziału. Dotychczas chętnie wykorzystywano skłonność europu do redukowania się do wartościowości II, w której tworzy nierozpuszczalny siarczan, co jednak wymagało bardzo kwaśnych warunków i użycia toksycznych reduktorów.
Technika opracowana przez belgijskich badaczy jest dość prosta i nie wymaga użycia specjalnych chemikaliów. Pierwiastki mogą mieć podobne właściwości chemiczne, ale powinny mieć różne właściwości kwantowe. Elektrony na powłokach tych pierwiastków przyjmują różne stany energetyczne, co objawia się różnym widmem absorpcyjnym, pozwalającym na rozróżnienie. Te różnice powodują też, różne zachowanie się w stanie wzbudzonym.W tym konkretnym przypadku różnica dotyczyła zachowania się akwakompleksów, czyli związków kompleksowych jonów metali z cząsteczkami wody
Badacze wykonali wodny roztwór mieszaniny azotanów itru III i europu III, po czym naświetlili ultrafioletem o tak dobranym zakresie, że był on pochłaniany przez akwakompleks jonów europu. Energia pochłonięta była na tyle duża, że jedna z przyłączonych cząsteczek wody rozpadała się z wydzieleniem rodnika hydroksylowego, zaś europ III ulegał redukcji do europu II.

[Eu(H₂O)_n]³⁺ + hν → [Eu(H₂O)_n-1]²⁺ + H⁺ + OH*

Po naświetleniu, do mieszaniny wprowadzono aniony siarczanowe. Siarczan europu II jest trudno rozpuszczalny, natomiast siarczan itru III rozpuszczał się. Po odwirowaniu i oddzieleniu osadu, otrzymano sól europu oddzieloną od drugiego pierwiastka, o czystości do 98,5%. [1][2]

Kwantowe kropki z kapusty
Nietypowa substancja z nietypowego źródła.

Kwantowe kropki to jedno z najciekawszych osiągnięć nanotechnologii, które w dodatku znajduje coraz powszechniejsze zastosowanie. Stanowią szczególny przypadek stosunkowo dużego, wieloatomowego obiektu, do którego mają zastosowania prawa fizyki kwantowej.
Fizyka kwantowa traktuje cząstki elementarne, jak obiekty o dwojakiej naturze - zarazem są punktowymi, twardymi cząstkami jak i wykazują własności rozmytej fali. Im mniejszy i mniej masywny jest obiekt, tym wyraźniejsza jest ta falowość. Dla elektronów ta druga strona jego natury jest już tak wyraźna, że wygodniej jest opisywać ich zachowanie funkcjami fali, zupełnie jakby szło o opis światła czy dźwięku.
Jednym z modeli teoretycznych falo-cząstki, dość podstawowym, jest model "cząstki w pudle potencjału" czyli ograniczonej pewnymi przedziałami czy to energetycznymi czy to przestrzennymi. To ograniczenie dla ruchu elektronu, jeśli tylko ma rozmiary porównywalne z wielkością jego "fali", wpływa na to jaką może on przybierać energię. Podobnie jak dla dźwięków w rezonatorach instrumentów, pewne częstotliwości są wzmacniane, dlatego fala elektronu w takim "pudle" przebiera pewne określone stany o różnej energii.
Kropka kwantowa to po prostu bryłka materii o rozmiarach tak małych, że niewiele większych od wielkości fali elektronowej, która ponieważ elektrony nie mogą z niej wyjść, staje się dla nich trójwymiarowym pudłem potencjału. Elektrony atomów w tym materiale mogą przyjmować pewne określone stany energetyczne, całość zatem zachowuje się podobnie jak mocno powiększony atom. Mają własne widmo absorpcyjne, po naświetleniu mogą wykazywać fluorescencję, i to w bardzo dużym zakresie barw:

Kwantowe kropki z mieszanego siarczku kadmu i cynku z domieszką selenu. @ Signa Aldrich

Na zdjęciu widzicie fiolki z zawiesinami kwantowych kropek oświetlonych ultrafioletem. Materiał z którego są zrobione nie świeci w normalnych warunkach. We wszystkich fiolkach kropki zrobiono z tego samego materiału, różnią się tylko wielkością cząstki.

Gdy tylko nauczono się robić takie cząstki w większych ilościach, technolodzy zaczęli się prześcigać w wyszukiwaniu nowych ciekawych zastosowań. Już mówi się, że lampy oparte na kropkach mogą wyprzeć w przyszłości diody LED. Ponieważ mogą przenikać do żywych organizmów, wydają się ciekawym narzędziem służącym na przykład do lokalizowania ognisk chorobowych.
Większość takich kropek tworzona jest z materiałów półprzewodnikowych, soli nieorganicznych lub metali. Dlatego też ciekawa jest praca opisująca, że możliwe jest wytwarzanie ich w dużych ilościach, za surowiec wykorzystując zieloną kapustę.

Kapusta została rozdrobniona w czystej wodzie i dokładnie zmiksowana blenderem. Otrzymana zawiesina była przetwarzana w reaktorze hydrotermalnym w temperaturze 140 stopni. Otrzymana brązowa zawiesina została poddana odwirowaniu, dzięki czemu usunięto przeszkadzające duże cząstki. To co pozostało można było oddzielić w ultrawirówce na frakcje, które fluoryzowały na różne kolory.
Właściwe kropki kwantowe to nanometrowe fragmenty komórek, ziaren skrobi czy agregatów białkowych, które podczas przetwarzania uległy częściowemu zwęgleniu, z powstaniem cząstek o charakterze  węgla grafitowego.
Wydajność produkcji oceniono na 7%.[3]

Antybakteryjny kasztan
To całkiem świeże odkrycie dobrze pokazuje, że tradycyjna medycyna ludowa może mieć pewien rzeczywisty sens, o ile zostanie wsparta nowoczesną technologią.

Casanra Quave jest etnobotanikiem, a więc poszukuje związków między tradycyjną kulturą a właściwościami roślin. Stara się na podstawie przekazów ludowych zweryfikować doniesienia o leczniczych właściwościach roślin. W trakcie zbierania informacji często natykała się na doniesienia o używaniu naparu w liści kasztana jadalnego w zapaleniach skóry. Ponieważ zaś często zapalenia skóry są wywoływane zakażeniami gronkowcem, rozsądne wydawało się przetestowanie wyciągu na zakażonej skórze. Jak się okazało, choć wyciąg nie zabijał bakterii, powodował znaczące zmniejszenie uszkodzenia tkanek i podrażnień. Substancje zawarte w liściach kasztana powodowały wyłączenie systemu quorum sensing (brak jeszcze polskiego odpowiednika, ale rozsądnym byłoby "wyczuwanie zagęszczenia"), który zazwyczaj w przypadku ognisk zapalnych powoduje, że zagęszczone bakterie zaczynają wytwarzać toksyny, będące głównym czynnikiem szkodliwym. W efekcie bakterie przestały wywoływać uszkodzenia tkanek.
Efekt ten zaobserwowano nawet w przypadku najbardziej zjadliwych szczepów, także tych lekoodpornych gronkowców MRSA. Oznacza to, że choć wyciąg nie niszczy bakterie, może spowodować że zakażenie nie będzie aż tak szkodliwe, bakterie bowiem nie będą wytwarzać toksyn.

Oleanen

Co jednak wywoływało ten nietypowy efekt?
Tego dokładnie nie wiadomo. Technikami chromatograficznymi uzyskano z liści aktywną frakcję zawierającą około 90 związków o charakterze saponin steroidowych, spośród których najbardziej aktywne wydawały się pochodne 12-ursenu i oleanenu. Trwają badania czy za efekt odpowiada konkretny związek, czy może cała grupa.[4]

Najcieplejszy nadprzewodnik
Najnowsze odkrycie niemieckich naukowców jest dość zaskakujące. Otóż odkryli oni, że dość pospolity gaz siarkowodór, o zapachu zgniłych jaj, po zamrożeniu może stać się nadprzewodnikiem w wyjątkowo wysokiej jak na takie ciała temperaturze -70 *C (203,5 K). Dotychczasowy rekord dotyczył pewnych tlenowych związków miedzi, które stawały się nadprzewodnikami w temperaturze -135 *C, a zatem do ich chłodzenia potrzebne było skroplone powietrze. Do schładzania nowo odkrytego nadprzewodnika wystarczałby już tylko suchy lód, tańszy i łatwiej dostępny.
Jednak w odkryciu tkwi pewien haczyk - siarkowodór nabiera tak obiecujących właściwości dopiero pod dużym ciśnieniem około 200 GPa, w związku z czym raczej w najbliższym czasie nie znajdzie zastosowania.
Badanie wykazały że przy dużych ciśnieniach powyżej 90 GPa cząsteczki H₂S łączą się zamieniając się w cząsteczki H₃S, a zestalony gaz staje się przewodnikiem metalicznym. Odpowiednie obniżenie temperatury zamienia go w nadprzewodnik. [5]


-------
Źródła:
[1]  Bart Van den Bogaert, Daphné Havaux, Koen Binnemans and Tom Van Gerven ; Photochemical recycling of europium from Eu/Y mixtures in red lamp phosphor waste stream, Green Chem., 2015,17, 2180-2187 DOI: 10.1039/C4GC02140A
[2] http://www.scriptiebank.be/sites/default/files/webform/scriptie/Masterthesis%20DH.pdf
[3] Al-Mahmnur Alam,   Byung-Yong Park,   Zafar Khan Ghouri^,   Mira Park and   Hak-Yong Kim , Synthesis of Carbon Quantum Dot from Cabbage with Down- and Up-Conversion, Green Chem., 2015,17, 3791-3797
[4] Cassandra L. Quave, James T. Lyles, Jeffery S. Kavanaugh, Kate Nelson, Corey P. Parlet, Heidi A. Crosby, Kristopher P. Heilmann, Alexander R. Horswill. Castanea sativa (European Chestnut) Leaf Extracts Rich in Ursene and Oleanene Derivatives Block Staphylococcus aureus Virulence and Pathogenesis without Detectable Resistance. PLOS ONE, 2015; 10 (8) e0136486
[5] http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature14964.html A. P. Drozdov, M. I. Eremets, I. A. Troyan, V. Ksenofontov & S. I. Shylin, Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system, Nature (2015) doi:10.1038/nature14964

Kiedyś w laboratorium (46.)

Kiedyś na zajęciach z chemii nieorganicznej robiliśmy doświadczenie z barwieniem skrobi jodem. Zawiesinę zabarwionej skrobi obserwowaliśmy potem przez mikroskop. Niestety użyliśmy za dużo jodu i zamiast struktury ziarna, obserwowaliśmy tylko czarne grudki:

Skrobia zabarwiona jodem, pow. około 400 razy

Jednak gdy przeglądałem preparat, szukając jakiegoś ładnego kadru, natrafiłem na nieoczekiwany bonus - fragment tkanki roślinnej, który bardzo ładnie zabarwił się na niebieskawo:

Widać dobrze jądro jednej z komórek i chyba jakieś zawieruszone organelle.