МОУ Чурапчинская средняя школа им. С.А.Новгородова
Улусная НПК �Шаг в будущее�
Химический анализ смыва рук
Выполнила: ученица 10 �в� класса
МОУ ЧСОШ им. С.А.Новгородова
Христофорова Дайаана
Руководитель: учитель химии
Саввина С.А.
Чурапча 2021
Содержание
Введение ………………………………………………………………………-3-
Теоретическая часть…………………………………………………………..-4-
Практическая часть……………………………………………………………-7-
Выводы………………………………………………………………………..-20-
Заключение ………………………………………………………………….. -21-
Использованная литература …………………………………………………-22-
Введение
Здоровье – понятие комплексное. По определению Всемирной организации здравоохранения – это � состояние полного физического, духовного и социального благополучия, а не только отсутствие болезней и физических дефектов�.
Все это савит перед здравоохранением и медицинской науки ставит сложные задачи, прежде всего разработке комплекса мер общественной и индивидуальной профилактики.
Гигиена является наукой о здоровье населения. Современная гигиеническая наука изучает влияние разнообразных факторов на здоровье человека. Она включает ряд самостоятельных факторов, в том числе и школьную гигиену.
Многочисленные исследования показывают, что около 25-30% детей приходящих в первые классы, имеют те или иные отклонения в состоянии здоровья. Среди выпускников школ уже более 80% нельзя назвать абсолютно здоровыми.
В связи с этим, появилось необходимость провести профилактические мероприятия для школьников, с целью сохранения здоровья учащихся.
Целью данной работы является профилактика здоровья учащихся исследованием смыва рук.
Для этого были поставлены следующие задачи:
Анализ литературы по данной теме.
Выбор методики материала для исследования.
Проведения анализа и вывести результаты
Выводы
Объект исследования: смыв с рук учащихся МБОУ �Чурапчинская СОШ им.С.А.новгородова�.
Предмет исследования: наличие химических веществ на руках у учащихся.
Гипотеза: предположим, что на смывах рук находится множество химических элементов, которые могут указывать на состояния здоровья.
Практическая значимость данной работы заключается в том, что экспериментальным путем, в школьных условиях, можно определить наличие химических веществ. Самостоятельно изучитьк чему могут привести наличие этих веществ при профилактике заболеваний.
Теоретическая часть
Материал для анализа и способы его разбора
Материалом для анализа служат смывы с поверхности кожи. Удобнее всего производить смывы концевых с концевых фаланг пальцев рук. В мелкий химический стаканчик (годится также фарфоровый тигель, колпачок из под флакона для моющих или космических средств и т.п) с 5-10мл дистиллированной воды последовательно погружаются и тщательно ополаскиваются пальцы обеих рук. С полученным слегка мутноватым смывом можно выполнить целый ряд опытов.
Кожные покровы наряду с почками , легкими и кишечником относятся к органам выделения. Подсчитано что ежедневно человек в норме выделяет 0,8 – 1,2л пота. В жаркое время и при интенсивной физической работе эта величина может увеличиваться в 10 раз , достигая 15л в сутки. Если учесть, что концентрация хлорида натрия в поте составляет 0,6-0,7 %, получается, что через кожу человек выделяет ежедневно до 7 г этой соли. Эта величина сопоставима с выделением хлорида натрия через почки. В поте содержатся также разнообразные органические вещества, такие как молочная, пропионовая, мочевая кислоты, аммонийные соли, мочевина, различные аминокислоты и амины, глюкоза (при сахарном диабете уровень последней на коже повышается). Наличие в поте желчного пигмента (билирубина) говорит о проявлении болезни, называемой желтухой.
Помимо потоотделения, которое осуществляется через специальные потовые железы(в среднем их до 120 на кожной поверхности), вся поверхность кожного эпидермиса испаряет воду и летучие вещества. Человек не чувствует этого процесса, и потому он называется неощутимой перспирацией. Кроме того, через сальные железы кожи экскретируются и остаются на коже водонерастворимые липиды, в том числе, например, эфиры холестерина, триацилглицерины и др. Если добавить к этому еще постоянный процесс слущивания клеток ороговевшего эпидермиса, то можно себе представить, сколь разнообразен состав компонентов так легко полученных нами смывов кожи. В них есть все: от катионов тяжелых металлов до белков и полинуклеидов. Вопрос только в том, насколько чувствительны используемые нами аналитические методы, чтобы открыть следовые концентрации исследуемых веществ.
Вещества, выделяемые кожей в более или менее высоких концентрациях, могут быть извлечены методом бумажной аппликации. С этой целью на поверхность ладони, предплечья пинцетом накладывая влажная полоска снимается и опускается в пробирку с 2-3 мл воды для экстрагирования веществ, впитавшихся в бумажную полоску с поверхности кожи. Достоинства такого приема: возможность исследовать кожу разных участков тела, а также точное значение размера исследуемой поверхности.
Можно предложить и другие варианты забора материала. Например, на горизонтально расположенную ладонь в ладонную ямку наносится 2-3 мл воды. Через некоторое время этот водный экстракт сливается в пробирку по кожной складке на мизиничной стороне. Можно измерить площадь смачиваемой поверхности, что важно для количественных анализов. Такой способ забора материала требует некоторой сноровки, чтобы не пролить вытяжки мимо пробки.
Наконец, извлекаем вещества с поверхности кожи с помощью увлажненных ватных тампонов. В магазинах и аптеках продаются ватные палочки для чистки ушей. Мы рекомендуем такой прием , например, для извлечения веществ с конъюктивы глаз: последняя неоднократно протирается влажным тампончиком , который при этом ополаскивается в пробирке с водой. Получается относительно мутная суспензия, содержащая помимо экскретируемых через конъюктиву веществ также какое- то количество бактерий и слущенных клеток эпителия конъюктивы. В таких смывах помимо выделяющихся веществ обнаруживается активность некоторых ферментов (фосфатаза, аргиназа, протеолитические ферменты и др.). Тут открывается возможность небольшой научной разработки: сравнение состава конъюнктивальных смывов у девушек, не пользующихся косметикой, и у школьных модниц.
Следует отметить, что кожные смывы человека могут быть предметом клинической лабораторной диагностики. Несколько примеров. У больных сахарным диабетом с повышенным содержанием глюкозы в крови (гипергликемия) уровень глюкозы повышен и в кожных смывах. Обнаружено, что при хронической почечной недостаточности с уремией в кожных смывах обнаруживается высокое содержание мочевины, о накоплении в коже желчных пигментов при заболеваниях печени уже упоминалось выше. В лаборатории академика Ю. М. Лопухина установлено, что при атеросклерозе и гиперхолестеринемии на коже выделяются повышенные количества холестерина.
Итак, путем достаточно простых и безболезненных процедур мы получаем объект исследования: водный раствор экскретируемых через кожу школьника веществ. Далее следует описание анализа этих веществ.
Практическая часть
ОПЫТ 1. ОБНАРУЖЕНИЕ МОЛОЧНОЙ КИСЛОТЫ В СМЫВАХ С КОЖИ (РЕАКЦИЯ БЕРГА)
К 1 мл смыва добавить 1-2 капли 1 %-ного раствора хлорида железа; встряхиваем и наблюдаем бледно-желтое окрашивание комплексного соединения лактата железа. Для сравнения ставится контрольная проба: 1 мл воды + хлорид железа (здесь окраски нет).
В школьных условиях можно сравнить цветную реакцию с хлорным железом до и после физической нагрузки, например, после урока физподготовки.
В медицинской практике данную цветную реакцию используют для качественного обнаружения молочной кислоты в желудочном соке.
Реакция с хлоридом железа недостаточно специфична. Ее дают и другие оксикислоты, например, лимонная, винная кислоты, а также калий-натриевая соль последней (сегнетова соль).
Добавим также, что есть более чувствительная и специфичная реакция на лактат с параоксидифенилом, однако эта методика достаточно сложна и не может быть рекомендована для школы.
ОПЫТ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АМИНОАЗОТА (АМИНОКИСЛОТ) НА КОЖЕ
К 1-2 мл водного смыва с кожи добавить 4—5 капель 0,5 %-ного водного раствора нингидрина; перемешать, поставить в хорошо кипящую водяную баню на 10-15 минут. За это время развивается сине-фиолетовое окрашивание.
Параллельно выполнить такую реакцию с водой (окраски не будет) и с раствором какой-нибудь аминокислоты, например, глицина (аминоуксусной кислоты).
Реакция аминосоединений с нингидрином весьма чувствительна и широко применяется в биохимической практике. Она была предложена еще в 1910 году немецким химиком Руэманном. Поэтому полученный окрашенный продукт с длинным названием ди- кетогидриндилиден-дикетогидриндамин называется просто �пурпур Руэманна�.
Широкое распространение получил капельный вариант этой реакции, который легко выполнить на уроке.
Итак, на полоску фильтровальной бумаги нанести каплю смыва или раствора аминокислоты, подсушить, смочить или опрыскать 0,1-0,5 %-ным ацетоновым или спиртовым раствором нингидрина, после чего хорошо прогреть над электроплиткой или в сушильном шкафу до появления фиолетового пятна. Можно даже написать раствором аминокислоты какую-либо фигуру или слово и затем проявить его нингидрином.
При попадании раствора нингидрина на кожу через некоторое время появляются фиолетовые пятна, которые проходят через 2-3 дня. С помощью нингидриновой реакции можно проявить отпечатки пальцев на бумаге, дереве и т. п. Таким образом эту реакцию используют в криминалистике.
Откуда на коже аминокислоты? Во-первых, они образуются в результате апоптоза клеток эпидермиса и гидролиза белков кожи. Во-вторых, аминокислоты попадают на кожу, так сказать, изнутри в результатетате потоотделения и неощутимой перспирации.
С присутствием аминокислот на коже связана интересная история. В 60-е годы при изучении метеоритов ученые-аналитики обнаружили аминокислоты. Отсюда был сделан однозначный вывод о наличии в космосе белкового вещества и каких-то форм белковой жизни. Позже, однако, выяснилось, что эти аминокислоты попали на метеоритные камни с рук исследователей. Эта �детективная� история изложена в статьях известного аналитика-аминокис-лотника Пола Гамильтона.
Другая история сообщена в интересной книге Р. Райта �Наука о запахах�. Оказалось, что смыв с кожи человека или шкуры животного вызывает тревогу у рыб. Это так называемый �фактор звериной шкуры�. Методом исключения удалось выяснить природу этого фактора. Оказалось, что это вполне конкретное соединение: аминокислота серин (-амино, -гидроксипропионовая кислота). Любопытно, что среди различных аминокислот, экскретируемых через кожу, доля серина составляет до 25 %. Наверное, поэтому в процессе эволюции серин и закрепился у рыб как сигнал опасности.
Как химический реагент нингидрин широко применяется в современной аналитической биохимии и, следовательно, достаточно доступен и недорог, в порошке в темной склянке он неограниченно долго сохраняется. Также устойчивы его водные и спиртовые растворы. Думаю, что любой учитель химии средней школы должен иметь в шкафу своего химического кабинета флакончик с бледно- желтым порошком нингидрина.
В свое время Гамильтон обнаружил в смывах с большого пальца практически все аминокислоты, входящие в состав белков. Как хорошо известно, отличаются друг от друга белковые аминокислоты строением боковой группы (радикала). Например, серин и треонин имеют дополнительно гидроксильную группу, глутаминовая и аспарагиновая кислоты - карбоксильную группу, триптофан и гистидин - гетероциклы и т. д. Воспользовавшись этой особенностью аминокислот, нетрудно определить конкретную аминокислоту в сложной смеси разных аминокислот, например, в том же смыве с кожи.
Опыт 3. ОБНАРУЖЕНИЕ ГИСТИДИНА В СМЫВЕ
Для опыта потребуются три реактива:
1 %-ный раствор сульфаниловой кислоты, приготовленный на 1 нормальном растворе соляной кислоты;
0,5 %-ный раствор нитрита натрия;
20 %-ный раствор карбоната натрия.
К 1-2 мл смыва прибавить последовательно по 0,1 мл вышеуказанных реактивов и наблюдать появление ярко-оранжевого окрашивания. Желательно, чтобы реактивы были охлажденными (из холодильника).
Как и в предыдущих опытах, для сравнения параллельно поставить реакцию с водой и раствором гистидина или тирозина, если таковые имеются.
Описанная реакция была предложена химиком Г. Паули в начале XX века, она основана на известном процессе диазотирования и азосочетания между сульфаниловой кислотой и боковой группой гистидина или тирозина. Подобные реакции лежат в основе получения анилиновых красителей и описаны в любом учебнике по органической химии.
В отношении кожных смывов требуется некоторое пояснение. Дело в том, что в поверхностном слое кожи имеет место ферментативная реакция внутримолекулярного дезаминирования гистидина (гистидазная реакция). В результате этой реакции образуются аммиак и урокановая (имидазолилакриловая) кислота. Последняя тоже дает реакцию Паули. Таким образом, с помощью данной цветной реакции мы фактически определяем одновременно гистидин, урокановую кислоту, тирозин и, возможно, гистамин. Однако установлено, что два последних вещества на коже содержатся в настолько малых количествах, что практически не влияют на диа- зореакцию Паули. Следовательно, данной реакцией мы открываем в кожном смыве гистидин и урокановую кислоту. Последние можно разделить с помощью хроматографии на бумаге: будучи плохо растворимой в водной фазе, урокановая кислота при восходящей хроматографии высоко поднимается по полоске, тогда как гистидин практически остается на старте (см. рис. 1 на с. 43). Обнаружить урокановую кислоту и гистидин можно, смочив хромато- грамму свежеприготовленной смесью вышеуказанных реактивов. Сразу появляются оранжевые пятна, соответствующие гистидину (на старте) и урокановой кислоте (в верхней части хроматограммы). Разгонка хроматограммы занимает 20-25 минут. Можно использовать хорошую фильтровальную бумагу, лучше, конечно, специальную хроматографическую, но она в последние годы стала в России совершенно недоступной.
Несколько слов о биологической роли образующейся в эпидермисе урокановой кислоты. Имея в своей структуре л-электронную сопряженную систему, урокановая кислота улавливает кванты ультрафиолетового излучения солнечного света и тем самым предохраняет кожу от поражения солнечными лучами. В связи с этим приходит в голову идея использовать урокановую кислоту и, возможно, гистидин в составе солнцезащитных кремов и мазей.
Диазорекция обладает высокой чувствительностью, образующееся цветное соединение весьма устойчиво. Сохранность растворов реагентов в холодильнике практически неограниченна.
Опыт 4. ОБНАРУЖЕНИЕ ТИРОЗИНА В СМЫВАХ С РУК
Ароматическая аминокислота тирозин выделяется через кожу в очень малых количествах, однако эту аминокислоту можно качественно обнаружить в кожных смывах, если последние немного сконцентрировать.
Итак, смываем тщательно все десять пальцев в 10 мл воды. Этот объем упариваем в фарфоровой чашке примерно до 1 мл, сливаем в пробирку, охлаждаем. Образец готов для анализа. Потребуются два реактива: 0,1 %-ный ацетоновый раствор 1-нитрозо,2- нафтола и 10 %-ный раствор азотной кислоты (можно воспользоваться просто концентрированной азотной кислотой, добавляя ее в пробу в количестве всего 1-2 капель).
К 1 мл упаренного смыва добавить 0,1 мл (2-3 капли) раствора нитрозонафтола и 1 мл раствора азотной кислоты, перемешать и нагревать в кипящей водяной бане до появления вишнево-красного окрашивания. Естественно, оно появляется, если в смыве есть тирозин. Реакция весьма чувствительна, но не очень специфична, например, фенол также дает такую цветную реакцию.
Тирозин - это аминокислота, заслуживающая того, чтобы о ней поговорить. Прежде всего, это одна из первых аминокислот, открытых в белках. Еще в 1848 году ее выделил из молочного белка казеина молодой немецкий химик Бопп. Произошло это в лаборатории Юстуса Либиха, и именно Либих, по-видимому, предложил название �тирозин�. А то, что именно тирозин был так рано открыт, связано с тем, что эта аминокислота очень плохо растворима в воде (0,05 %) и легко выпадала в осадок.
В организме животных и человека тирозин активно метаболи- зируется и является предшественником многих биологически важных соединений. В частности, в ткани щитовидной железы из тирозина образуется жизненно важный гормон тироксин, вернее, ряд гормонов - йодтиронины. Для этого синтеза кроме самого тирозина необходимы еще атомы йода, по 3-4 на каждую молекулу гормона. Недостаточное образование тироксина в щитовидной железе ведет
к серьезным нарушениям функций организма. Если дефицит тироксина имеет место в детские годы, развивается существенное отставание в развитии, обозначаемое медиками как кретинизм. У взрослых это приводит к микседеме (слизистый отек). Тирозин сам ограниченно синтезируется в организме из другой аминокислоты фенилаланина.
В ткани мозгового вещества надпочечников из тирозина образуются еще два гормона: норадреналин и адреналин. Общая схема этого синтеза представлена на рисунке.
Синтез адреналина
При отнятии от тирозина карбоксильной группы (реакция де- карбоксилирования) образуется местный тканевой гормон тирамин. Он обладает разнообразным биологическим действием: повышает кровяное давление, усиливает пото- и слюноотделение, расширяет зрачки. Однако образование тирамина более характерно для микроорганизмов, например, он накапливается в процессе созревания сыров.
Наконец, в клетках кожи из тирозина синтезируются пигменты- меланины, придающие коже смуглый оттенок и защищающие кожу от солнечных лучей. У людей обнаружен генетический дефект фермента тирозиназы, проявляющийся в форме альбинизма. Таких людей называют альбиносами. У них абсолютно белые волосы и кожа, и они плохо переносят солнечное облучение (солнечные ожоги).
Метаболически тирозин тесно связан с другой ароматической аминокислотой, а именно с фенилаланином. Примерно 0,01 % детей рождается с врожденным молекулярным дефектом, у них отсутствует фермент, превращающий фенилаланин в тирозин. Естественно, что у такого ребенка в крови очень много фенилаланина и с мочой выделяется повышенное количество фенилпировиноградной кислоты. Все это приводит к развитию слабоумия (фенилпиро- виноградная олигофрения) и ранней смерти. Если вовремя выявить это заболевание, оно поддается лечению путем резкого ограничения в пище фенилаланина. Можно сказать: подумаешь 0,01 %, редкое заболевание! Однако если учесть, что на Земле более 6 млрд жителей, оказывается, что носителей этого генетического дефекта не менее 600 ООО, то есть население большого города.
Отметим, что нитрозонафтол используется в синтезе красителей, а также как реактив, обнаруживающий соли железа (стойкое темно-зеленое окрашивание).
Опыт 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРЕАТИНИНА НА КОЖЕ
К 1 мл смыва с кожи последовательно добавляем 0,1 мл 1%-ного раствора гидроксида натрия. Проба перемешивается и ставится в кипящую водяную баню на 10 минут. Исходое бледно-желтое окрашивание (за счет пикриновой кислоты) переходит в оранжевое, что указывает на присутствие в смыве креатина (или) его ангидрида креатинина. Поскольку эти гуанидовые производные экскретируются через кожу в небольших количествах , для получения положительного результата необходимо сделать смыв не менее чем с десяти фланг пальцев, еще лучше полученный объем смыва упарить в фарфоровой чашке в 2-5 раз с этим концентратом поставить цветную реакцию с пикриновой кислотой.
Креатин – соединение, мало известно в широких кругах. Он активно синтезируются в мышечной ткани при участии трех аминокислот : аргинина, глицина, метеонина. Содержание креатина в мышцах находится на уровне 200-550 мг на 100 г мышечной ткани. Таким образом, стандартный человек носит в себе от 60 до 160 г чистого креатина. Креатин в мышечных клетках – миоцитах – взаимодействует с аденозинтрифосфатом (АТФ) с образованием креатинофосфата.
Эту реакцию катализирует специальный фермент , точнее семейство ферментов (изоферменты) под названием креатинофосфокиназы.
Креатинофосфат играет важную роль в мышечном сокращении. Дело в том , что связь N – P в креатинофосфате является микроэргической. А это значит, что при ее гидролизе освобождается повышенное количество энергии. Последняя и используется для сокращения мышечных волокон (миофибрилл). Здесь мы сталкиваемся с интересным фактом превращения химической энергии ( распад N – P связи) в биомеханическую (сокращение мышцы).
Гидролиз креатинофосфата обеспечивает быстрые и резкие мышечные усилия, например, бокс , прыжки, толкание штанги и т.п. При длительной мышечной работе включаются другие биохимические механизмы, а именно анаэробный гликолиз, то есть распад глюкозы, который приводит к синтезу аденозинтрифосфата.
Можно ожидать, что у человека с большой мышечной массой содержание креатинофосфата и креатина будет повышено. Не случайно , что грамотные специалисты по спортивной медицине живо интересуются метоболизмом креатина и ищут пути стимуляции биосинтеза креатинофосфата.
Опыт 6. Определение хлорид-анионов
Ионы хлора , присутствующие в кожных смывах, обнаруживаются довольно просто. К 1-2 мл смыва добавить 1-2 капли 0,2%-ного раствора нитрата серебра. Наблюдается нарастающее помутнение пробы , свидетельствующие о реакции.
Помутнение, однако, может быть достаточно слабым , поэтому лучше параллельно поставить контрольную пробу (дистиллированная вода + нитрат серебра) и сравнить обе пробы. Попутно отметим, что данная реакция очень хорошо получается с морской и минеральной водой, что вполне понятно.
Результаты исследований.
Исходя из проделанных исследований можно вывести следующие результаты:
В первом исследовании: обнаружение молочной кислоты наблюдается у 2-х исследуемых учащихся. Избыток молочной кислоты приводит к таким заболеваниям, как болезни суставов и бесплодия.
Во втором исследовании: обнаружение аминокислот наблюдается у 3 исследуемых учащихся. Избыток в организме аминокислоты приводит к заболеванием желудочно-кишечного тракта.
Исследование гистидина: обнаружены следы гистидина у 4 учащихся. Избыток гистидина наблюдается у людей с воспалительными заболеваниями.
Исследование тирозина: обнаружение наблюдается у 4-х исследуемых учащихся. Избыток тирозина означает нехватку витаминов и приводит к синдрому хронической усталости.
Исследование креатинина: наличие креатинина указывает на болезнь почек. В нашем исследовании бледно-желтое окрашивание раствора, которое указывает на присутствие креатинин наблюдается у 1 из исследуемых учащихся.
Исследование хлорид-анионов: обнаружено помутнение пробы, которое указывает на присутствие хлорид-анионов у 4 учащихся. Избыток хлорид-анионов может привести к нарушению обмена веществ.
Выводы
Кожные покровы наряду с почками , легкими и кишечником относятся к органам выделения. Подсчитано что ежедневно человек в норме выделяет 0,8 – 1,2л пота. В жаркое время и при интенсивной физической работе эта величина может увеличиваться в 10 раз , достигая 15л в сутки.
Кожные смывы человека могут быть предметом клинической лабораторной диагностики.
Использованная литература
1. Биологический энциклопедический словарь/Гл. ред. М.С.Гиляров. – М.: Сов. энциклопедия, 1986. – 831с.
2. Микробиология. Пяткин К.Д.. – М.: издательство �Медицина�, 1970.
3. Молекулярная биология: Учеб. для студ. пед. вузов/ А.С. Коничев, Г.А.Севастьянова. – 2-е изд., испр. – М.: Издательский центр �Академия�, 2005. – 400с.
4. Основы микробиологии, вирусологии и иммунологии, H. В. Прозоркина, П. А. Рубашкина, 2002.
5. �Систематика бактерий�:

6. Микробиология - Систематика бактерий: