informacje



sobota, 14 października 2017

Chemiczne wieści (12.)

Zjonizowane białko najsilniejszym kwasem
Kwasami w ujęciu Brønsteda są substancje, które w reakcji z zasadą odszczepiają proton tworząc anion. Najbardziej znaną skalą określającą ich moc jest skala pH opierająca się o stężenie jonów hydroniowych, które powstają w wyniku reakcji kwasu z wodą. Im większe jest stężenie tych jonów, tym niższa jest cyfra określająca kwaśność roztworu (ujemna skala logarytmiczna). W szczególnych przypadkach dla bardzo silnych kwasów przyjmuje wartości ujemne.
Jak łatwo zauważyć po przeanalizowaniu definicji, skala ta w pewnych przypadkach staje się niewygodna czy wręcz niefizyczna. Trudno zastosować ją na przykład do ciekłych substancji pozbawionych wody jak na przykład 100% kwas siarkowy, bo brak w nich jonów hydroniowych. Jest też problematyczna w roztworach tak bardzo stężonych, że molowo jest w nich więcej kwasu niż wody. Dlatego do tych innych substancji stosuje się inne skale, oparte najczęściej o wartość pKa zależną od stężeń jonów, bądź o energię reakcji oderwania protonu. W ten sposób możemy porównywać kwasowość na przykład stałych, ciekłych i gazowych węglowodorów, stwierdzając, że acetylen jest kwaśniejszy od metanu i łatwiej będzie tworzył sole.

No i niedawno wykryto specyficzną substancję, dla której entalpia deprotonacji jest tak wysoka, że musi to być najsilniejszy kwas organiczny.

Cytochrom c to enzym stanowiący ważny element oddychania komórkowego, ma też udział w procesie apaptozy, dlatego jest intensywnie badany. Składa się on z białka złożonego ze 104 aminokwasów połączonych z cząsteczką hemu. Ostatnie odkrycie dotyczy jednak nie samego cytochromu lecz jego wersji silnie sprotonowanej. W odpowiednich warunkach można dodać cząsteczce dodatkowych atomów wodoru. Na przykład grupy aminowe białka mogą przyjąć wodór, zamieniając się w dodatnio naładowane grupy amoniowe. Tak nawodorowane cząsteczki będą też oczywiście chętnie oddawać nadmiarowe protony, aby przejść do stanu pierwotnego. Im mocniej uwodorniona jest cząsteczka, tym chętniej oddaje proton, to jest staje się coraz mocniejszym kwasem.

Zespół naukowców z Australii badał powstawanie jonów białkowych w spektrometrze mas. Roztwór białka został rozpylony w silnym polu elektrycznym wewnątrz komory. Ponieważ takie same ładunki odpychają się, małe kropelki rozdzielały się na jeszcze mniejsze, ż na koniec powstała chmura kropelek z pojedynczymi cząsteczkami białka. Ta technika nazywana elektrosprejem pozwala na otrzymanie widma mas całych cząsteczek.
Do roztworu dodano jednak pewien prekursor chętnie w takich warunkach oddający protony. W efekcie powstały cząsteczki uwodornione w ekstremalnym stopniu, zawierające nawet 30 dodatkowych wodorów i ładunek elektryczny 30+. Gdy otrzymamy już chmurę jonów, możemy próbować poddawać je reakcjom z różnymi związkami o znanej energii uwodornienia. Wykrycie kationów pochodnych od tych dodatkowych substancji, cięższych o jeden wodór, umożliwia wyznaczenie energii reakcji. W tym przypadku cząsteczka naładowana do 30+ oddawała proton z energią 130 kJ/mol. Jest to tak duża wartość, że zjonizowany cytochrom protonował azot, czy gazy szlachetne[1]

Najdłuższy acen
Aceny to węglowodory aromatyczne złożone z liniowo ułożonych sześciokątnych pierścieni, połączonych jednym bokiem. Najprostszy acen to naftalem złożony z dwóch pierścieni. Trzy zawiera antracen, cztery tetracen, pięć pentacen. Tych pierwszych kilka związków występuje naturalnie, i izolowano je głównie ze smoły pogazowej, niektóre znalazły zastosowanie jako składniki barwników, leków czy organicznych półprzewodników.
Od dawna trwały prace mające syntetycznie stworzyć jeszcze dłuższe cząsteczki. Heksacen po raz pierwszy wykryto w 1939 roku ale dopiero później wymyślono wydajne metody syntezy. Siedmiopierścieniowy heptacen otrzymano dopiero w 2006 roku, okta i nonacen w 2010 roku. W tym roku natomiast udało się otrzymać dziesięciopierścieniowy dekacen.[2] Zrobiono mu nawet "zdjęcie" przy pomocy mikroskopii tunelowej:
@ TU Dresden

Długie aceny stają się nietrwałe. Rezonans orbitali na tak długiej cząsteczce powoduje pojawianie się reaktywnych struktur rodnikowych, dlatego  zazwyczaj udawało się otrzymywać aceny odpowiednio podstawione.

Ultralekkie aluminium?
Badacze z Rosji donieśli ostatnio o możliwości stworzenia formy glinu o nietypowych właściwościach. Metastabilna, ultralekka forma tego metalu miałaby gęstość zaledwie 0,61 g/cm3, co oznacza, że pływałaby po wodzie i była niewiele cięższa od litu. Odkrycia dokonano metodami obliczeniowymi, więc jest to raczej możliwa struktura niż faktycznie otrzymanie takiego metalu fizycznie. Trudno powiedzieć czy rzeczywiście da się taką odmianę otrzymać.
W zaproponowanej strukturze cztery atomy glinu tworzą małe czworościany, trochę podobne do tych ze struktury białego fosforu, które łączyłyby się poprzez każdy z atomów z czterema innymi takimi czworościanami. Ze względu na geometrię czworościanów ich układ w komórce elementarnej odpowiadałby strukturze diamentu, co nadawałoby metalowi wytrzymałość. Niska gęstość wynika wówczas stąd, że w diamentopodobnej strukturze pojawiają się niewypełnione luki rozmiaru kilku atomów. [3]

-----
[1] William A. Donald et al.  Highly Charged Protein Ions: The Strongest Organic Acids to Date, Angew. Chem. Int. Ed. Volume 56, Issue 29 July 10, 2017 Pages 8522–8526
[2] https://tu-dresden.de/tu-dresden/newsportal/news/wissenschaftler-der-tu-dresden-und-des-ciqus-entwickeln-decacen-das-laengste-acen-das-je-hergestellt-wurde?set_language=en
[3]  Iliya V. Getmanskii, Vitaliy V. Koval, Ruslan M. Minyaev, Alexander I. Boldyrev, Vladimir Isaak Minkin. Supertetrahedral Aluminum - a New Allotropic Ultra-Light Crystalline Form of Aluminum. The Journal of Physical Chemistry C, 2017;

piątek, 6 października 2017

Skąd ten akrylamid?

Co jakiś czas media donoszą o wykryciu tego związku chemicznego w różnych produktach, a to w chipsach, a to w prażonych orzeszkach a to znów w ciasteczkach czy solonych paluszkach. To silna trucizna o działaniu rakotwórczym. I wówczas może was zastanowić, skąd się właściwie w jedzeniu ten akrylamid wziął. Specjalnie go dodają? Czy może sam powstaje?

Chemicznie rzecz ujmując, akrylamid to amid kwasu akrylowego, związek nienasycony zawierający wiązanie podwójne, grupę karbonylową i aminową. Każda z tych grup składowych może wchodzić w różnorodne reakcje, toteż cząsteczka będąca najściślejszym z możliwych ich połączeniem musi być bardzo reaktywna. Na tyle, że po dostaniu się do organizmu reaguje z białkami, lipidami i DNA wywołując różnorodne rozproszone uszkodzenia. Podczas metabolizmu jest utleniany przez komórkowy cytochrom 450 do formy epoksydowej czyli glicydamidu, który jest cząsteczką jeszcze bardziej reaktywną.

Glicydamid
Jako silny środek alkilujący działa mutagennie mogąc wywoływać nowotwory. W modelach zwierzęcych przewlekła ekspozycja na akrylamid w wysokich stężeniach, wywoływała nowotwory nadnerczy, tarczycy, płuc i jąder, oraz działała toksycznie na układ nerwowy.

Związek ten odkryto już bardzo dawno. Ze względu na skłonność do polimeryzacji zaczął być używany do produkcji tworzyw sztucznych o specjalnym przeznaczeniu. Polimeryzacja w roztworze wodnym tworzy twardy hydrożel o dużej przepuszczalności, będący jednym ze standardowych materiałów w elektroforezie białek i DNA. Ponadto używano go jako składnika różnych polimerów, substratu do produkcji pestycydów czy barwników. Przez długi czas wydawało się więc, że jedynym problemem toksykologicznym jest zanieczyszczenie środowiska przez zakłady które go używały, przenikał bowiem do ścieków a stamtąd do wody. Dlatego zaskoczeniem było odkrycie w 2002 roku, że w wyniku specyficznej reakcji może powstawać także w żywności.

Erytryjska badaczka Eden Tareke, zatrudniona na wydziale chemii żywności Uniwersytetu Sztokholmskiego, wprowadzała nową bardziej dokładną metodę badania żywności. Podczas testów z różnymi próbkami zauważyła niepokojący poziom akrylamidu w chipsach ziemniaczanych. Wydawał się zbyt duży aby wytłumaczyć to zanieczyszczeniami przemysłowymi. Wykonała więc prosty eksperyment - przygotowała chipsy z ziemniaków, które wcześniej przebadała pod kątem zawartości akrylamidu. Chipsy smażone w temperaturze przekraczającej 120 stopni nabierały wysokich poziomów akrylamidu, którego nie było w ziemniakach. A więc musiał on w jakiś sposób podczas smażenia powstawać. [1]

Kluczem okazała się znana od dawna reakcja Maillarda. W rzeczywistości jest to zespół reakcji o podobnym przebiegu, podczas których cukry redukujące reagują z aminami w podwyższonej temperaturze. Powstałe produkty ulegają izomeryzacji, dekarboksylacji, dehydratacji, kondensacji itp. w najrozmaitszych możliwych kombinacjach. 20 aminokwasów i jeden cukier redukujący tworzą setki produktów. W żywności zachodzą podczas każdej termicznej obróbki produktów zawierających białka i węglowodany, a więc podczas pieczenia, smażenia, duszenia czy wędzenia; podczas gotowania w mniejszym stopniu.
Powstałe wielkocząsteczkowe produkty kondensacji odpowiadają za brązowy kolor dobrze podpieczonego jedzenia, natomiast te mniejsze wpływają wyraźnie na smak i zapach. Większość składników aromatu pieczonego mięsa, pieczonego chleba czy prażonych ziaren kawy to właśnie produkty reakcji Mailarda, są więc niezbędne aby żywność nabrała pożądanych właściwości smakowych. Jak się jednak okazało, nie każde z możliwych reakcji są dobre.

W jednej z możliwych dróg grupa aminowa aminokwasu reaguje z grupą aldehydową cukru redukującego, a więc na przykład glukozy. Powstaje przejściowy produkt w którym dwie części połączone przez azot zawierają grupę karboksylowa i hydroksylową w pobliżu tego połączenia. W wysokiej temperaturze następuje odszczepienie cząsteczki wody i powstanie iminy w formie zasady Schiffa. Ta z kolei dekarboksyluje odszczepiając cząsteczkę dwutlenku węgla. Powstały nietrwały produkt bądź rozpada się z wytworzeniem podwójnego wiązania, bądź hydrolizuje. Jednym z produktów ostatecznych jest akrylamid. Ze względu na budowę najlepszym substratem do reakcji jest aminokwas asparagina, zaś cukrem redukującym jest najczęściej glukoza występująca w formie wolnej lub powstająca w wyniku rozpadu skrobi.[2]
W odpowiednio wysokich temperaturach możliwa jest też formacja bez cukrów, z gliceryny towarzyszącej tłuszczom. Gliceryna utlenia się do akroleiny, będącej aldehydem; ta reaguje z wolnymi aminami i w podobny sposób jak opisane wcześniej reakcje, zamienia się w akrylamid.
Reakcje te wymagają odpowiedniej temperatury, zaczynają ruszać w temperaturach powyżej 120 stopni i w większości produktów zachodzą najwydajniej około 140-150 stopni.

Największe stężenia wykrywa się w takich produktach jak frytki, chipsy ziemniaczane, mocno palona kawa, kawa rozpuszczalna, przypalone tosty, prażone orzechy. Ogółem są to zatem połączenia typu "skrobia + białko". Ważnym źródłem jest też dym papierosowy i dym ze spalania śmieci w niskich temperaturach.

Toksyczność
Jak już wspominałem, w badaniach na zwierzętach wykazano, że ekspozycja na akrylamid wywołuje różnego rodzaju nowotwory. Tymczasem w przypadku ludzi wpływy są najwyraźniej dużo subtelniejsze i trudne do precyzyjnego wyrażenia. Jak wracają uwagę krytycy, w badaniach na zwierzętach efekty kancerogenne pojawiały się przy stężeniach wielokrotnie większych niż spotykane w jedzeniu i ciężko jest je przełożyć na skutki dla ludzkiego organizmu. Zakładając liniową zależność prawdopodobieństwa dodatkowych nowotworów od stężenia, przy przeciętnej diecie wzrost ryzyka staje się tak mały, że mniejszy niż wpływ narażenia na dym.

Badania populacyjne osób narażonych na tą substancję w jedzeniu są niejednoznaczne. Chętnie spożywający chipsy i frytki mają zwiększoną częstość różnych chorób, ale ciężko przypisać to wyłącznie temu składnikowi a nie spożyciu tłuszczów, nadmiaru soli czy narażeniu na utlenione nienasycone kwasy tłuszczowe. Badania pracowników narażonych w pracy na akrylamid w większych niż w żywności stężeniach dawały różne wyniki, od większej częstości chorób po brak efektu. Ze względu na to, że stykamy się z nim od początków gatunku, gdy tylko zaczęliśmy piec mięso mamutów nad ogniskiem, możliwe że wykształciliśmy sobie jakiś sposób detoksyfikacji. Dlatego też formalnie składnik ten jest klasyfikowany jako substancja podejrzewana o rakotwórczość u ludzi.[3]
Przesadne są więc internetowe artykuły straszące szybkimi skutkami zdrowotnymi i wysoką toksycznością, czy opinie w rodzaju "zjadłem smażeninę, od razu rozbolała mnie głowa, to przez akrylamid". No nie, raczej od okazjonalnego zjadania czegoś mocno podpieczonego wiele się nam nie stanie, niemniej warto pamiętać o tym, że pewne trudne do określenia ryzyko faktycznie jest. I wobec tego może jednak trochę się ograniczyć ze spożywaniem czegoś przypalonego, podpieczonego do ciemnego brązu czy podprażonego. 

Redukcja
Czy da się tak produkować żywność, aby z jednej strony nie utracić wartości smakowych a z drugiej zredukować poziomy akrylamidu do możliwie najniższych wartości? Da się, i to na kilka różnych sposobów. Zauważono na przykład, że reakcji w której powstaje sprzyjają sole amonowe, w związku z czym więcej jest go w ciasteczkach w których jako spulchniacza użyto amoniaczku (węglan amonu) niż proszku do pieczenia (wodorowęglan sodu), można więc zastąpić jeden spulchniacz innym i zauważalnie zmniejszyć zawartość niepożądanego składnika.
Innym czynnikiem hamującym są sole zawierające kationy dwudodatnie, w przypadku pieczywa możliwe jest więc wzbogacenie ciasta w sole wapnia. Kolejny inhibitor to aminokwas glicyna. Ma on najprostszą możliwą budowę, tylko dwa węgle w cząsteczce. Ulega reakcji Maillarda ale nie może zamienić się w akrylamid. Wzbogacenie glicyną pierwotnego produktu przed obróbką termiczną powoduje, że część wolnych cukrów redukujących łączy się z nią zamiast z innymi aminokwasami co zużywa niezbędny substrat. Ma to jednak tą wadę, że produkty reakcji z glicyną powodują dużo mocniejsze zbrązowienie oraz niekiedy niepożądany posmak, więc nie wszędzie da się ją zastosować.

Najbardziej oczywistym sposobem jest obniżenie temperatury tak aby nie przekraczała 120 stopni lub skrócenie czasu ogrzewania. (jeśli macie wrażenie, że w ostatnich latach ciastka kruche i herbatniki są jakby mało wypieczone, to możliwe że to jest tego przyczyną). W przypadku chipsów i frytek pewne znaczenie ma też branie do produkcji bulw krótko przechowywanych. Podczas przechowywania, w ziemniakach zachodzi proces rozpadu skrobi z powstaniem wolnej glukozy, będącej przecież cukrem redukującym. W skrajnych przypadkach długo przechowywane ziemniaki mogą się stać słodkawe w smaku.[4]
-------
*  http://www.efsa.europa.eu/en/topics/topic/acrylamide

[1] Eden Tareke et. al., Analysis of Acrylamide, a Carcinogen Formed in Heated Foodstuffs,
. Agric. Food Chem., 2002, 50 (17), pp 4998–5006

[2] Maria D. Villagran et al. Acrylamide Formation Mechanism in Heated Foods, J. Agric. Food Chem. 2003, 51, 4782−4787
[3]  https://www.cancer.gov/about-cancer/causes-prevention/risk/diet/acrylamide-fact-sheet
[4]  Guidance on reducing acrylamide in food, FDE