Separarea pe baza diferențelor de polaritate
Fundația de Caritate V. Potanin are un amplu program de sprijin pentru tinerii profesori universitari care îmbină cu succes activitatea didactică cu cea științifică, care se desfășoară de câțiva ani. A fost organizat un concurs special pentru distribuirea de granturi. Există multe cerințe pentru solicitanți, dar, printre altele, tinerii profesori trebuie să susțină o prelegere de știință populară despre specialitatea lor studenților în vârstă. Implementarea acestei idei minunate, pe de o parte, face posibil să se înțeleagă dacă solicitantul își cunoaște materia, pe de altă parte, există beneficii destul de evidente de la astfel de prelegeri: studenții își lărgesc orizonturile, primind informații despre subiecte conexe și uneori complet. specialități îndepărtate. Fundația a oferit editorilor de la Science and Life posibilitatea de a se familiariza cu toate prelegerile susținute de solicitanții de granturi. Noi am publicat câteva dintre ele. Am fost atrași de aceste prelegeri de simplitatea și claritatea prezentării (prelegerea „Un zâmbet va face pe toți mai strălucitori”, „Știință și viață” nr. 3, 2009), importanța subiectului („La plecare, stinge lumina !”, „Știință și viață” nr. 6, 2009), o idee modernă a lucrurilor cunoscute („Speranță și sprijin”, „Știință și viață” nr. 8, 2009), o privire neașteptată la aparent evidentă fenomene („Câmpuri de semnal biologic...” , „Știință și viață” Nr. 1, 2009). Prezentăm cititorilor noștri o prelegere susținută de Lyudmila Trukhacheva, candidată la științe farmaceutice, profesor asociat la Academia Medicală din Moscova. I. M. Sechenov. Povestea este cu adevărat detectivă...
Într-o dimineață de început de august în 1961, sute de păsări înnebunite au atacat orașul de pe litoral Capitola din statul american California. Petrelii cenușii până acum inofensivi, în stoluri și individual, s-au izbit de ferestrele și pereții caselor cu viteză mare, s-au aruncat în lămpile stradale și au atacat trecătorii. Acest incident a inspirat filmul lui Alfred Hitchcock The Birds.
Un sfert de secol mai târziu, în iarna lui 1987, o altă poveste misterioasă s-a întâmplat pe Insula Prințului Eduard, în largul coastei Atlanticului de Nord a Canadei: peste o sută de oameni au devenit victime ale intoxicațiilor alimentare severe. S-a dovedit că toate victimele au mâncat midii albastre. Pe lângă simptomele obișnuite - vărsături, crampe, diaree și cefalee - pacienții au prezentat dezorientare, un sentiment de panică, amnezie și, în unele cazuri, convulsii și comă. Aproape toți au prezentat simptome ale unei tulburări mintale; pacienții au manifestat o agresivitate necontrolată, adesea însoțită de plâns sau râs. Din păcate, trei victime nu au putut fi ajutate - au murit în primele zile. Mai mult de un sfert dintre celelalte victime aveau tulburări de memorie pe termen scurt. Nu și-au putut aminti nimic din ce s-a întâmplat după otrăvire, unii nu și-au recunoscut pe cei dragi.
Ulterior s-a dovedit că ambele cazuri - primul cu „păsări nebune” și al doilea cu „midii otrăvite” - au fost rezultatul expunerii la același agent toxic. Afecțiunea pe care o provoacă este acum cunoscută sub numele de sindromul de otrăvire a crustaceelor amnestice (ASP). Cu toate acestea, nu au existat rapoarte anterioare de intoxicații alimentare cu midii cu astfel de consecințe neurologice.
Pentru a clarifica toate circumstanțele a ceea ce s-a întâmplat, precum și pentru a preveni cazuri similare, Departamentul de Pescuit din Canada a însărcinat un grup de biologi marini și chimiști să izoleze și să identifice agentul toxic.
Testarea inițială a midii pentru agenți patogeni bacterieni și virali cunoscuți a fost neconcludentă. Testele pentru metale grele și pesticide au fost, de asemenea, negative. Probele prelevate pentru analiză au inclus mii de compuși chimici diferiți. Cum se poate izola o componentă dintr-un amestec atât de complex fără a ști nimic despre proprietățile sale fizice sau chimice? Sarcina nu este mai ușoară decât să găsești un ac într-un car de fân.
Să presupunem că avem capacitatea de a determina dacă există sau nu un ac în stivă. Apoi algoritmul de căutare va fi după cum urmează. În primul rând, împărțim teancul în două jumătăți și verificăm dacă există un ac într-una dintre părți. Dacă nu, aruncați această jumătate, împărțiți jumătatea rămasă în jumătate și căutați acul în următoarele jumătăți. Astfel de manipulări „split-drop-divide” vor duce în cele din urmă la faptul că ultima parte rămasă nu va fi altceva decât acul dorit. Strategia principală a cercetătorilor, care s-au confruntat cu sarcina de a găsi și izola toxina, a fost construită după aceeași schemă.
În primul rând, a fost necesar să se elaboreze un test care să indice în mod fiabil toxicitatea obiectelor studiate. Și aici au fost experimente pe animale. S-a descoperit că șoarecii prezintă cea mai caracteristică reacție la toxină. După introducerea unor cantități mici din proba de testat, dacă în ea era prezentă o toxină, animalele experimentale au experimentat o reacție neurologică clară - șoarecii au început să se scarpine și să-și pieptene incontrolabil umerii cu picioarele din spate. Testul este crud, dar în lumina tragediei care a avut loc, oamenii de știință nu au avut altă opțiune.
Pentru a separa componentele complexe din probele de țesut de midii otrăvite, oamenii de știință au folosit metode fizico-chimice standard. Au fost prelucrate atât probe de midii toxice, cât și netoxice. Această abordare este necesară pentru analiza comparativă ulterioară, deoarece orice diferență între eșantioane ar putea oferi un indiciu pentru rezolvarea misterului.
Să urmăm toți pașii procesului indicați în diagramă și să încercăm să înțelegem ce s-a întâmplat în fiecare etapă.
Separarea bazată pe solubilitate și volatilitate
În primele trei etape, cercetătorii au folosit extracția și evaporarea ca strategie generală.
Extracția este separarea unui amestec de substanțe pe baza diferențelor de solubilitate. Gospodinele sunt conștiente de faptul că solubilitatea substanțelor în diferiți solvenți este diferită de exemplul vanillinei, care este puțin solubilă în apă și foarte solubilă în alcool. În extracția lichid-lichid, solutul este distribuit între două faze lichide nemiscibile. De obicei, o fază este apă, iar cealaltă este un solvent organic.
În timpul evaporării, soluția este concentrată ca urmare a evaporării solventului. Extractul poate fi evaporat la un volum mic și astfel crește concentrația componentului analizat.
Acum că cunoaștem beneficiile extracției și evaporării, să revenim la căutarea toxinei.
Pentru a preveni posibila distrugere a compusului dorit ca urmare a încălzirii sau a interacțiunii cu un solvent, extracția a fost efectuată la temperatura camerei cu o soluție apoasă de metanol, un solvent de tărie medie. Extracția a fost insuficientă, dar totuși reușită: șoarecii au prezentat același răspuns neurologic la extractul de metanol ca și la mostrele originale de stridii. Extractul a fost apoi concentrat prin evaporare. Aburul separat și condensat a fost netoxic, dar reziduul rezultat a dat reacția necesară la șoareci. A devenit clar că otrava este o substanță nevolatilă.
S-a efectuat o a doua extracție. De data aceasta extractul concentrat a fost agitat cu un amestec de solvenți polari și nepolari. Am folosit diclormetan și apă: acești solvenți nu se amestecă și formează două straturi separate.
Substanțe colorate au fost găsite în fracția diclormetan – pigmenți fitoplancton (cu alte cuvinte, alge). Și aceasta ar putea fi deja cheia pentru clarificarea naturii toxinei. Cu toate acestea, pigmenții înșiși nu sunt otrăvitori, iar fracția de diclormetan a dat un rezultat negativ la șoarecii experimentali. Dar toxina era prezentă în stratul de apă. Acest lucru ne-a permis să credem că obiectul dorit a fost aparent o substanță polară, ionizabilă. Acum, cercetătorii s-ar putea concentra asupra fracțiunii de apă.
În etapele următoare s-au folosit metode cromatografice de analiză. Aici trebuie să mergem puțin mai adânc în teorie...
Despărțirea în mișcare
Analiza cromatografică, una dintre cele mai sensibile metode, propusă pentru prima dată de omul de știință rus Mihail Semenovici Tsvet la începutul secolului al XX-lea, până la începutul secolului al XXI-lea s-a transformat într-un instrument puternic, fără de care este greu de imaginat chimia analitică. , și nu numai atât.
Primul experiment de separare și analiza unei substanțe cu compoziție complexă, realizat de M. S. Tsvet în 1903, este surprinzător de simplu. Cercetătorul a trecut o soluție de clorofilă printr-un tub (sau, după cum se spune acum, o coloană) care conținea pulbere de cretă, diluând-o treptat cu benzen. După ceva timp, în coloana de cretă au devenit vizibile inele colorate cu componente de clorofilă în culori diferite. După ce a tăiat coloana, M. S. Tsvet le-a izolat în forma lor pură și a efectuat o analiză chimică a fiecărei componente individuale.
Probabil că toți am fost implicați în cromatografie într-un fel sau altul, iar părinții noștri au fost deosebit de norocoși în acest sens. La urma urmei, în anii precedenți, școlarii scriau cu cerneală. Și dacă un blotter a căzut pe o pată de cerneală, atunci soluția de cerneală a fost împărțită în mai multe „fronturi” pe ea.
Cromatografia în sine se bazează pe distribuția uneia dintre mai multe substanțe între două faze (de exemplu, între un solid și un gaz, între două lichide etc.), cu una dintre faze în mișcare constantă. Cu cât o substanță este mai bine absorbită (absorbită) sau dizolvată în faza staționară, cu atât este mai mică viteza de mișcare a acesteia și invers, cu cât un compus este mai puțin absorbit, cu atât este mai mare viteza de mișcare. Drept urmare, dacă la început avem un amestec de compuși, apoi treptat toți, împinși de faza mobilă, se deplasează spre „linia de sosire” cu viteze diferite și în cele din urmă se separă.
După separare, toate componentele trebuie identificate și cuantificate. Acest lucru se realizează folosind detectoare care au puțin de-a face cu procesul cromatografic în sine și se bazează pe diferitele proprietăți fizico-chimice ale substanțelor studiate.
În cromatografele moderne, lungimea coloanelor în care sunt separate substanțele ajunge la sute de metri. Câteva miligrame (10 -3 g) de amestec sunt suficiente pentru analiză, iar componentele care cântăresc până la câteva picograme (10 -12 g) pot fi detectate în el.
Acestea sunt, în termeni generali, bazele analizei cromatografice. Acum este timpul să revenim la căutarea unui agent toxic în probele de midii.
Separarea pe baza diferențelor de polaritate
Deci, cromatografia pe coloană a fost folosită pentru a separa amestecul din stratul apos rămas în componentele sale simple. Proba a fost trecută printr-un tub îngust care conține microsfere de rășină XAD-2. Aceste microsfere rețin molecule nepolare, neîncărcate și permit ionilor încărcați să treacă. XAD-2 este deosebit de eficient pentru separarea bazelor organice și a acizilor.
Acizii ionizați trec prin coloană și ies înaintea altor compuși organici.
Dintre multele fracții care au trecut prin XAD-2, doar una s-a dovedit a fi toxică. În etapa finală, această fracție a fost separată folosind cromatografie lichidă de înaltă performanță (HPLC). Din nou, soluția polară care conține proba a fost trecută printr-o coloană cu un sorbent nepolar ca fază staționară. Fracția înalt purificată rezultată conținea toată otrava midii otrăvite. Deci, în cele din urmă, toxina a fost izolată.
Separarea pe baza încărcăturii, mărimii și formei moleculelor
Cu toate acestea, cercetătorii au trebuit să se asigure că fracția finală izolată prin HPLC conținea de fapt aceeași componentă toxică. Pentru a face acest lucru, s-a decis să se separe din nou fracția apoasă a XAD-2, dar folosind electroforeza de înaltă tensiune pe hârtie.
Electroforeza este o metodă de separare a ionilor bazată pe diferențele dintre sarcinile lor relative (raportul dintre sarcină și masă). Ionii aflați între electrozii pozitivi și negativi, sub influența câmpului electric, încep să se deplaseze spre electrod cu o sarcină de semn opus. De obicei, cu cât este mai mare raportul sarcină-masă al unui ion, cu atât acesta se deplasează mai repede către electrod. Ionii mici, foarte încărcați, se deplasează înaintea ionilor mari, cu încărcare scăzută. Forma moleculelor afectează și viteza de mișcare. Astfel, moleculele cu sarcini mai concentrate se deplasează mai repede.
Cercetătorii au plasat proba pe o bandă de hârtie de filtru. Ambele capete ale benzii au fost scufundate în soluții tampon, fiecare dintre acestea conținând un electrod. În timpul analizei, ionii substanțelor conținute în proba analizată s-au deplasat cu viteze diferite și au fost separați sub formă de dungi separate pe hârtie. Pentru ca aceste dungi să „apare”, hârtia a fost pulverizată cu un reactiv special.
În timpul electroforezei fracției XAD-2, a fost detectată o bandă necunoscută lângă banda de acid glutamic (una dintre probele de referință). Această bandă a fost absentă în probele de țesut martor de midii netoxice. În plus, culoarea benzii necunoscute a fost complet diferită de culoarea benzii de acid glutamic. Banda care conține substanța necunoscută a fost îndepărtată de pe hârtie și proba rezultată a fost injectată în coloana HPLC. S-a dovedit că această probă a fost identică ca timp de retenție cu substanța principală din fracția finală separată prin HPLC. În plus, această probă a prezentat aceeași toxicitate ca și proba studiată prin HPLC.
Identificarea toxinelor prin sarcină și masă
În etapa finală, a trebuit să se determine formula chimică și greutatea moleculară a toxinei izolate. Problema a fost rezolvată cu ajutorul spectrometriei de masă.
Această metodă vă permite să determinați compoziția moleculei unei substanțe prin măsurarea raportului dintre masa ionilor și sarcina lor. În primul rând, moleculele și atomii neutri sunt transformați în particule încărcate - ioni și apoi separați folosind legile mișcării particulelor încărcate într-un câmp magnetic sau electric.
Deci, folosind spectrometria de masă, oamenii de știință au găsit greutatea moleculară
(312 g/mol) și formula moleculară (C15H21NO6) a toxinei izolate. Analiza spectroscopică a relevat prezența legăturilor duble și a spectrelor caracteristice unei grupări amino. Și la compararea spectrelor substanței cu spectrele dintr-o bază de date internațională, compusul a fost identificat ca acid domoic.
Acidul domoic este un fel de „cal troian” în lumea moleculelor. Celulele nervoase (neuroni) îl confundă cu molecule de acid glutamic, iar această greșeală devine fatală pentru ei. Glutamatul (forma ionizată a acidului glutamic) este un neurotransmițător, o moleculă ale cărei responsabilități includ transmiterea impulsurilor nervoase de la o celulă la alta. Când o moleculă de glutamat se leagă de un receptor de glutamat de pe suprafața unei celule, receptorul deschide un canal special pentru ca ionii de calciu să intre în celulă. Influxul de sarcini are ca rezultat un potențial electric care se propagă de-a lungul membranei celulare și transmite informații despre excitație altor neuroni. Stimularea frecventă a acestui mecanism poate duce la apariția de noi conexiuni între neuroni, astfel încât glutamatul joacă un rol cheie în procesele de gândire, învățare și memorare a informațiilor.
Dar o cantitate în exces de glutamat duce la excitarea necontrolată a celulei și în cele din urmă la moartea acesteia. Mai mult, acest proces este în cascadă, deoarece supraexcitarea unei celule pe moarte este transmisă de-a lungul lanțului către neuronii din apropiere. În cele din urmă, această cascadă biochimică poate provoca leziuni ale creierului și tulburări neurodegenerative.
Acidul domoic este similar cu acidul glutamic. Cu toate acestea, inelul cu cinci membri conținut în structura sa face molecula mai puțin flexibilă decât glutamina, ceea ce face ca acidul domoic să se lege mai strâns de receptorul de glutamină. Și, ca urmare, efectul său de stimulare este de 30-100 de ori mai mare.
Dar întrebarea rămâne - cum a pătruns acidul domoic în țesuturile midii, precum și în hamsii cu care se hrănesc păsările de pe coasta Californiei? Aici trebuie să ne amintim că pigmenții fitoplanctonului au fost găsiți într-una dintre fracțiile după extracție. Un studiu amănunțit al acidului domoic a condus la descoperirea purtătorilor săi - diatomee în formă de ac numite Pseudo-nitzschia pungens. Aceste alge se găsesc în toate oceanele lumii și, prin urmare, ar putea deveni începutul lanțului trofic în multe regiuni. Așa se face că păsările care mâncau hamsii, care la rândul lor mâncau alge otrăvitoare, au devenit otrăvite cu acid domoic.
În prezent, majoritatea țărilor de coastă efectuează monitorizarea continuă a fructelor de mare folosind metoda HPLC pentru a detecta rapid prezența acidului domoic. Măsurile au avut succes și nu au existat raportări de otrăviri din 1987.
Soluția la această poveste polițistă ar fi fost cu greu posibilă fără metodele fizice și chimice moderne de analiză.
Literatură:
V. S. Asatiani. Chimia corpului nostru. - M.: Nauka, 1969, 304 p.
F. Bayburtsky. Cromatografia este o modalitate simplă de a analiza substanțe complexe// Știință și viață, 1998, nr. 2.
Ca un ac într-un car de fân. Expres Deci este imposibil de găsit. Partizanii, ca un ac într-un car de fân, s-au pierdut în pădure, dar în fiecare noapte se făceau simțiți, și foarte sensibil(N. Biryukov. Pescăruș).
Dicționar frazeologic al limbii literare ruse. - M.: Astrel, AST. A. I. Fedorov. 2008.
Vedeți ce înseamnă „Ca un ac într-un car de fân” în alte dicționare:
ca un ac într-un car de fân- Ca (parcă, parcă) un ac într-un car de fân (să dispară, să se piardă) Despre cine, ce, cine (ce) nu poate fi găsit... Dicționar cu multe expresii
ac- Și; pl. gen. uite, dat. lkam; și. = acul 1), 2), 3), 4) Coaseți mătasea cu un ac subțire. Ac/arcul pentru o mașină de cusut. Un ac dintr-un gramofon. Ace de pin înțepător. Ace moi de cactus... Dicționar cu multe expresii
ac- Și; pl. gen. uite, dat. lkam; și. = Ac (1 4 cifre). Coaseți mătasea cu un ac subțire. I. pentru o maşină de cusut. I. de la gramofon. Ace de pin înțepător. Ace moi de cactus. Ace de arici. * Unde merge acul, la fel merge și firul (Last.). ◊ Dintr-un ac. = Nou-nouț. Nu un ac care... Dicţionar enciclopedic
grămadă- A; propoziție, aproximativ o sută/ge, într-o stivă/ și în o sută/ge; pl. carpi de fan/; m. vezi si. grămadă de fân, stivă O grămadă mare de fân, paie sau pâine netreierată, de formă rotundă sau pătrangulară, care se îngustează spre vârf și se pliază în aer liber pentru depozitare. Un teanc de fân... Dicționar cu multe expresii
fi invizibil- ▲ a ieși în evidență (decât) puțină invizibilitate. discret, ușor proeminent. neobservat. discretă. discretă. imperceptibil. evaziv (# aromă). insensibil. insensibil. intangibil (# rezultate). invizibil ascunde (#… … Dicționar ideologic al limbii ruse
grămadă- A; propoziție despre un car de fan, intr-un car de fan si intr-un car de fan; pl. carpi de fan; m. O grămadă mare de fân, paie sau pâine netreierată, de formă rotundă sau dreptunghiulară, care se îngustează spre vârf și îngrămădită în aer liber pentru depozitare. C. fân, paie. Cară carile de fân la carul de fân... Dicţionar enciclopedic
ac- și, gen. pl. uite, dat. lkam, w. La fel ca acul (în 1, 2, 3 și 4 cifre). Unde merge acul, la fel merge și firul. Proverb. [Anyuta] și-a înfășurat în tăcere broderia în hârtie și a adunat firele și acele. Cehov, Anyuta. Samorodov deschise ocupat gramofonul, înfășura arcul și... ... Mic Dicţionar Academic
grămadă- Ah, propoziție despre un car de fan, intr-un car de fan si intr-un car de fan, pl. carul de fân, m. O grămadă mare de fân, paie sau pâine netreierată, îngrămădită în aer liber pentru depozitare. Cai înșeuți stăteau în tufișuri, smulgând fân parfumat dintr-un teanc proaspăt. Sholokhov Sinyavsky,...... Mic Dicţionar Academic
MULT - PUȚIN- Rareori, dar exact. Odată, da mult. Există o pildă mai scurtă decât nasul unei păsări (și una bună). Și un ochi, dar unul ascuțit, nu ai nevoie de patruzeci. Și o vacă, și este sănătos să mănânci. Râul este puțin adânc, dar malurile sunt abrupte. Fluxul nu este larg, dar ține. Nu mare, dar caftanul este larg și scurt.... ... IN SI. Dahl. Proverbe ale poporului rus
În general, ace într-un vis înseamnă probleme sau lucruri pe care nu ai chef să le faci. Un ac plictisitor, atât în viață, cât și în vis, nu poate face prea mult rău, dar nu face niciun bine. Acest vis sugerează că o persoană dragă va deveni în curând indiferentă față de tine.
Scoaterea unui ac dintr-o parte a corpului într-un vis înseamnă că obstacolele în afaceri vă provoacă multe necazuri și probleme, dar după un astfel de vis totul ar trebui să se schimbe - veți simți ușurare.
Cumpărarea de ace într-un vis înseamnă împăcarea cu un prieten. Un ac și un fir într-un vis înseamnă că relația ta cu o persoană dragă sau partenerul tău va fi ca un fir și un ac. Unde merge acul, la fel merge și firul.
Firul urmează întotdeauna acul. Încercați să vă dați seama la cine se înțelege prin ață și la cine se înțelege prin ac. Un astfel de vis poate prezice, de asemenea, că vei încerca să obții același succes ca o altă persoană. Lungimea firului în acest caz indică cât de apropiată va fi relația ta cu cealaltă persoană. Vezi interpretare: fire.
Dacă visezi că te-ai înțepat cu un ac, atunci așteaptă-te la o ceartă cu cei dragi. Vezi interpretare: înţepătură.
Un vis în care ai văzut că ai pierdut un ac înseamnă pierderea unui prieten sau a unei persoane dragi. A căuta un ac înseamnă efort irosit. Nu degeaba există o vorbă „căut un ac într-un car de fân”.
Găsirea unui ac într-un vis este un indiciu al pericolului care vă amenință, care va veni de unde nu vă așteptați. Căutarea și găsirea unui ac este un vis bun. Înseamnă că în curând vei găsi noi prieteni.
Un ac rupt într-un vis înseamnă o întrerupere a relației cu o persoană iubită. După un astfel de vis, așteptați-vă experiențe grozave și singurătate.
Un vis în care te-ai văzut lucrând cu un ac înseamnă: așteaptă-te la o ceartă cu persoana iubită. Pentru soți, un astfel de vis prezice că viața lor de familie se va sparge în curând.
Interpretarea viselor din Cartea de vis de familie
