Избранные главы коллоидной химии. Достаточно ли мытья рук для защиты от коронавируса? «Мыльная энциклопедия»

Умывайся мылом, да не поддавайся сплетням…
Русская народная поговорка


Я и раньше встречал людей, которые очень рьяно и уверенно говорили «коронавирус? да просто мойте руки мылом и все уйдет!». А сейчас такие люди почему-то начали объединяться и захватывать умы населения. И уже в поисковой выдаче Google можно встретить «Мыло как новая религия» или там «В борьбе с коронавирусом эффективно любое мыло!».
Не знаю, есть ли какой-то скрытый в этом всем смысл (как скрытый смысл в инстаграм-движениях антимасочников и т.п.) и есть ли смысл этот смысл искать. В этой заметке я просто расскажу, почему, с точки зрения химии интерфейсов, мыло от коронавируса не поможет (как и спирт) и лучше всего пользоваться где-то перекисью водорода, а где-то и горячо любимым гипохлоритом. Под катом — введение в механизм работы моющих средств в эпоху пандемии коронавируса + критика общемирового поветрия (заблуждения/вируса мозга/____вписать___нужное___). Глупостью и самонадеянностью микроорганизмы точно не победить. Ни вирусы, ни бактерии…
Спасибо подписчикам моего Patreon-а за активный «подогрев» и идеи!
Статья — из серии «закидываем в закладки и делимся с друзьями/знакомыми/врачами/копирайтерами медпорталов/научными сотрудниками etc.»

_4wqjca47dvqydmbh92b1k3qhlk.png


Перед тем, как приступить к высоким материям, скажу пару слов про свою специальность. Химия — это общее названия целого сонма дисциплин. И если рассматривать их все, то, как и в случае с наночастицами (а они классифицируются по своей мерности), здесь есть «одномерные науки» — вроде биохимии, или неорганической химии, которые изучают простые взаимодействия между молекулами, есть науки двух- и трехмерные — вроде химии супрамолекулярной, которые изучают взаимодействия между агрегатами молекул и есть науки четырехмерные, которые изучают взаимодействие агрегатов молекул с окружающим миром в течении времени.

картинка выдернутая из дипломного литобзора
astncw0hemcv-zpunmcoty8dsvy.png


К 4D химиям можно отнести «королевство коллоидной химии» (aнгл. — surface & interface chemistry), прекрасная дисциплина, которая заполняет «свято место» между молекулярной химией и физическими свойствами объектов реального мира. Классификация конечно условная, но вдруг да поможет понять почему в нынешнем случае нельзя хватать 1D/2D химические факты и экстраполировать их на сложную коронавирусную ситуацию. Традиционно, в очередном лонгриде, постараюсь сначала разбросать, а потом собрать самые интересные «камни» :) Ах, и да…

И здесь же информация для тех, кто планирует использовать материалы статьи в собственных научных и особенно учебных целях. В библиографию вашей работы нужно вписать вот это =>

ссылка для цитирования ~ cite me
Бесараб С.В. Избранные главы коллоидной химии. Достаточно ли мытья рук для защиты от коронавируса? «Мыльная энциклопедия» [Электронный ресурс] — Дата доступа: 28.06.2020. — Режим доступа: — habr.com/ru/post/503482



Про мытье и катанье


И ВОЗ-ская инструкция и множество других документов гласят — мылом смываем загрязнения, дезинфицируем руки антисептиком. Вроде все предельно ясно. Мыло — моет, дезинфектант — дезинфицирует. Но периодически в некоторые горячие (чаще от недостатка образования и желания верить чему-то кроме газет и пабликов в соцсетях) головы крамольная мысль приходит — «А зачем искать антисептик, помою я просто мылом и все».

Начнем с того, что есть вещества, которые влияют на микроорганизмы, а есть вещества которые на них не влияют. Те, которые микроорганизмы уничтожают или останавливают их рост — называются противомикробными агентами. Все противомикробные агенты могут классифицироваться в соответствии с их функциями. Микробиоцидные — уничтожают микроорганизмы, биостатические — замедляют и подавляют их рост. Основными классами микробиоцидных агентов являются:

  • Дезинфектанты — не селективные «грубые» химические соединения, которые инактивируют или уничтожают широкий спектр микроорганизмов на инертных, неживых поверхностях. Дезинфицирующие средства действуют, разрушая клеточную стенку микробов или нарушая их метаболизм. Дезинфекцию не стоит путать со стерилизацией, которая уничтожает все без исключения виды микроорганизмов, т.к. например бактериальные споры не всякий дезинфектант в силах повредить. К этой группе относятся спирты, альдегиды, пероксикислоты, фенолы, ЧАС-ы, неорганические кислоты, галогены и т.п.
  • Антисептики — такие же, не особо селективные соединения, но которые наносятся на живые ткани/кожу для того, чтобы снизить риск заражения (предотвратить развитие болезни). Некоторые антисептики обладают истинной бактериоцидностью, т.е. микробы в прямом смысле уничтожают, а некоторые являются бактериостатическими, т.е. предотвращают или замедляют рост бактерий. Антисептики, способные дезактивировать или разрушать вирусы, называются вирулицидами (или вируцидами, как кому удобнее). Сюда относятся все те же спирты, хлоргексидин (вспомним и октенидин), раствор Дакина (см. Белизна), медицинская перекись водорода, спиртовая настойка йода, гипохлорит натрия (в ветеринарии) и т.п.
  • Антибиотики  — достаточно селективные соединения, работающие с узким спектром микроорганизмов, и уничтожающие их внутри организма-носителя (человеческого тела или тела животного). Я думаю примеры приводить излишне, все и так знают, что такое тетрациклин, азитромицин, пенициллин и т.д. Вещества сходного функционала, но селективные к вирусам — называются противовирусными препаратами. Главное их отличие от антибиотиков в том, что противовирусные препараты не уничтожают вирус, они просто препятствуют его развитию. Так же дело обстоит и с противогрибковыми препаратами, противопаразитарными и даже со спермицидами.
  • Биоциды — функциональный аналог дезинфектантов, но предназначенный для уничтожения всех форм жизни, а не только микроорганизмов. Это могут быть как химические вещества, так и микроорганизмы. В эту группу входят пестициды, инсектициды, родентициды всякие и даже репелленты+ аттрактанты.


Для всех групп веществ ключевым словосочетанием является «наличие доказанной способности воздействовать на микроорганизмы».


Из-за определения, выделенного мной в абзаце выше, мыло и не попадает ни в один из классов веществ. Т.е. если в каких-то сферических условиях отвар моркови подействовал на золотистого стафилококка — это не повод использовать его для обработки больниц. Хотя можно сказать, что «ситуация с COVID-19» развивалась слишком стремительно, чтобы изучить воздействие мыла». И не важно, что коронавирусы известны давно, как и множество других вирусов с липидными мембранами, для удаления которых никто не советует мыло. Можно вспомнить вирус бешенства, вирус гепатита, вирус Зика, лихорадку Денге, крутой и ядреный вирус Марбург (интересно, что ответили бы работающие с ним сотрудники НИИ Вектор на совет «просто мойте руки мылом!»).

«камень №1» — для ПАВ не принято говорить о микробиоцидному воздействию на микроорганизмы. Есть данные по снижению обсемененности, что вполне укладывается в концепцию мытья рук. Моем ведь чтобы убрать загрязнения. Можем даже оценивать степень очистки. Но не дезинфицируем.


А что там с коронавирусом?


uifzr47s7dyn2wxhcuz9rh9dpgw.png


Обозначения: 1- структурный белок (гликопротеин) шипа = «S», 2- структурный белок (гликопротеин) мембраны = «E», 3- поверхностный белок гемагглютинэстераза (HE), 4 — оболочка, 5 — РНК и белковый нуклеокапсид («кармашек для РНК») = «N», 6 — структурный белок (гликопротеин) оболочки =«M»

А с ним вроде как и ничего такого. Картинку прикрепляю для проформы, чтобы напомнить тем кто не знает (а такие есть вообще?) как устроены коронавирусы (в т.ч. и этот ваш COVID-19). В целом это, фактически «шарик жира» из которого выходят белковые отростки разной, хм, длины. Соотношение белков гликопротеинов №6, №1 и №2 = 1:20:300. В среднем частица коронавируса имеет 74 шипа №1. Каждый шип длиной порядка 20 нм. Сам шарик размером 85–100 нм (0,08–0,1 мкм). Коронавирус — это вирус оболочечный (англ. enveloped). Из чего ж эта оболочка/конвертик состоит. Конвертик состоит из т.н. фосфолипидов и сидящих в промежутках между ними белков (1,2,3,6). Фосфолипиды выглядят примерно так:

fhsbqpv3lksjpnjuunezbidhmrs.png


Слева — фосфолипид, справа он же, но в виде химической формулы

Фосфолипиды — это вещества, которые состоят из полярной гидрофильной «головы» и гидрофобного «хвоста». В случае фосфолипидов «голова» — это отрицательно заряженная фосфатная группа, а «хвост» — цепи жирных кислот, соединено все это добро между собой через молекулу глицерина.

под спойлером — трехмерное, можно пощупать
Возможно, так кому-то будет нагляднее. Кстати помимо фрагмента глицерина «мостиком» может выступать холин, этаноламин, серин… Некоторые из групп фосфолипидов будут рассмотрены ниже, когда речь пойдет о пространственной геометрии. На картинке фосфатидилхолиновый липид (если что, яичный лецитин) и его строение.
xwttnngtl137rmbxnpll1skhnh8.png


Гидрофобность «хвостов» заключается в том, что они выталкиваются из воды (а гидрофильность «голов» — в том, что они в воду погружаются). Одновременное желание каждого хвоста вылезть из воды приводит к тому, что они формируют некую гребенку-монослой, для минимизации взаимодействия с молекулами воды. Часто доводится слышать слово амфифильность (ранее как-то больше применяли «дифильность») в применении к фосфолипидам. Оно значит что вещество может одновременно проявлять как гидрофобные, так и гидрофильные свойства, в зависимости от ориентации своей молекулы. Такими свойствами обладают поверхностно-активные вещества (ПАВ), многие белки (и пептиды), полимеры.

Благодаря такой, нестабильной в жидких средах, структуре подобные молекулы могут агрегировать с образованием различных надмолекулярных структур (т.н. мицелл, бислоев (двойных слоев), липосом и т.п.). Например липидный бислой (возникает, когда гидрофобные хвосты выстраиваются в линию друг против друга, образуя мембрану из гидрофильных головок с обеих сторон, обращенных к воде (ниже даже можно будет увидеть это все схематически). Форма агрегатов (надмолекулярных структур) зависит от химической структуры поверхностно-активных веществ, а именно от баланса в размерах между гидрофильной головкой и гидрофобным хвостом. Мера этого — т.н. гидрофильно-липофильный баланс (ГЛБ). Несмотря на многие преимущества, шкала ГЛБ не учитывает дополнительные свойства, связанные с разделением зарядов и гидрофильных групп, и не предсказывает поведение веществ в отношении, например, белков. Работают другие механизмы, для которых я тоже нашел место в статье.

Все мембраны, моно- и бислои, липосомы и т.п. — все это образуется и удерживается рядом с друг другом благодаря связям слабым и сверхслабым, нековалентным силам межмолекулярного взаимодействия (в том числе т.н. силам Ван-Дер-Ваальса — дисперсионным силы Лондона/Дебая/Кеезома). Их масштабы можно оценить с помощью картинки (и сопоставить с «мощнейшими» связями, наподобие ионных — как в неорганических солях, металлических — как в металлах, или ковалентных — как в какой-нибудь органике):

gdw-jroyz_k33vnz0a94ihhv9ve.png


Ниже показано, где эти взаимодействия (в частности слабые) можно увидеть в реальной жизни. Лучше всего это иллюстрируется на примере механизма смешивания различных жидкостей (да, жидкости растворяются друг в друге благодаря наличию слабых взаимодействий):

qqulhxlqxlhn0igkw7armndqfrk.png


Надеюсь, %USERNAME%, теперь ты запомнишь, что соль растворяется в воде благодаря ион-дипольному взаимодействию, а метанол (да и этанол, чего уж тут) смешивается с водой благодаря образованию водородных связей :)

Липидная оболочка вируса, надмолекулярные структуры из РНК и белков — все это собрано и удерживается вместе только за счет слабых взаимодействий, никаких ковалентных (или, не дай бог, ионных и металлических связей) там и в помине нет. Т.е. молекулы (те же липиды в мембране) «прилипают» друг к другу. Кстати, к поверхностям (и коже) вирус так же крепится за счет водородных связей (ну еще могут быть гидрофильные или липофильные взаимодействия — по сути «растворение», которое возникает тоже благодаря образованию слабых связей — на этом пункте я также подробно остановлюсь).

Система построенная на слабых взаимодействиях — достаточно динамична и гибка. Хрупкая и неустойчивая? Скорее нет, именно динамична и гибка. Весь окружающий нас мир, вся химия интерфейсов (=«коллоидная химия») в отличие от традиционных вещей вроде химии неорганической, или биохимии, строится на привязке НЕ к взаимодействию сильных связей, а к комбинациям связей слабых.

Множество наиболее важных химических и физических процессов на нашей планете происходят на поверхности или границе раздела между фазами (твердое вещество-жидкость, жидкость-газ и т.п.). Граница раздела (англ. interface) — переходный слой между двумя фазами или поверхность касания между объектами. Атомы и молекулы на границах раздела проявляют абсолютно иные свойства, нежели атомы и молекулы в объеме фазы или материала. В связи с этим изучение свойств вещества на границах раздела и возникающих там явлений составляет особую область физики и химии — науку об интерфейсах, поверхностях и молекулярных взаимодействиях (Colloid and Interface Chemistry). Область, для работы в которой необходим широкие знания химии, физики, биологии и сонма смежных дисциплин.


Мыло и коронавирус. Насколько тесна связь?


Попытаемся это выяснить, пока «коронавирус шагает по планете». Объекты эти сосуществуют тысячи лет. Эпидемии шагают, а мыло-моет. Притом моет тысячелетиями.

А почему оно moet?
Отдельно эту тему я даже не выносил. Потому что тысячи раз все кому не лень писали про то, как поверхностно-активные вещества проникают-прилипают-адсорбируются к комочкам грязи, дробят их, а потом с раздробленными «запчастями» всплывают на поверхность воды.
tsw3yku8tr6cb8eiw7ui6ncj9lq.png

На картинке показаны стадии взаимодействия ПАВ с грязью: 1 — смачивание и проникновение внутрь загрязнения, 2 — адсорбция на поверхности загрязнений, 3 — эмульгирование/солюбилизация/диспергирование, 4 — образование коллоидной системы (эмульсии/суспензии, в зависимости от того, жидкое загрязнение или твердое.

Так как в этом статье я «под микроскопом» рассматриваю действие на белки и жиры (липиды), то не вижу смысла подробно останавливаться сейчас на этом. Любой кто статью прочитает — без проблем сможет масштабировать все написанное и на какие-нибудь заляпанные жиром от чебурека штаны и представит, как с ними лучше поступить (=какой ПАВ в моющем средстве искать). А если не сможет — придется подписаться на steanlab и следить за обновлениями.


Первая запись про мыло, как таковое, была найдена в древнем Вавилоне, датируется 2200 г. до н.э. и описывает приготовление мыла из воды, щелочи (из костного пепла) и масла кассии (привычная нам корица). Стоит вспомнить, что и древние египтяне, увлекающиеся купанием, изготавливали мылА из растительных и животных жиров в сочетании со щелочными солями. Известный древнеримский медик Гален в своих работах прямым текстом упоминал об использовании щелочи (=гидроксида натрия) для изготовления мыла.

Первое упоминание о применении мытья рук для медицинской гигиены можно отнести к работам Игнаца Филиппа Земмельвейса — венгерского врач-акушера 19 века, одного из основоположников асептики, «отца методики обработки рук».

sjsr-nlu9fu_-jmqqjbkhxvhvwk.png


Картина «Игнац Земмельвейс моет руки в хлорной известковой воде перед операцией» из книги 2016 года «The Hand Book: Surviving in a Germ-Filled World» (в дословном переводе «Ручная» книга. Выживание в мире микробов»). Фотография Bettmann, Getty

Ну и как то уж так повелось, что самый простой и доступный способ обеспечения чистоты рук — это их мытье. Ну, а мыть приходится как — водой с мылом (=«не по Земмельвейсу», он все ж «гипохлоритчик»). В некоторых случаях, кстати, вода (с нужной гидродинамикой — см. раздел Не мылом единым II или Когда гидродинамика важнее ПАВ) может дать неплохой результат. «Внесение мыла в уравнение» позволяет повысить эффективность (но не до «уровня Земмельвейса»). Остановимся на этом «простом, да не простом» объекте подробнее.

Рассказ начать стоит с самого определения. Русская википедия нам говорит что:

Мыло — жидкий или твёрдый продукт, поверхностно-активное вещество, в соединении с водой используемое для очищения и ухода за кожей.


Википедия английская, традиционно, более энциклопедична, и утверждает, что:

Мыло — это соль жирной кислоты, которая в домашних условиях используется для стирки и т.п.


Зато в отличие от русской Википедии, в англоязычном варианте появилась вот такая интересная штука (обведено):

5m-9haswitx17ver9bqxarzz_4c.png


Кажется я знаю, откуда растут ноги «мыло — заменит все антисептики»

В вольном переводе там написано следующее «при мытье с небольшим количеством воды, мыло убивает микроорганизмы, дезорганизуя их мембранный липидный бислой и денатурируя белки». Плюс, обратите внимание — никаких ссылок (!), хотя а) во время пандемии и б)для ресурса уровня Википедии ссылки на подобные утверждения как минимум должны были бы быть. Но, ОК, оставим на совести тех, кто это написал (/me вспомнил эпизод из Мr.Robot с созданием фейковой страницы википедистом с высоким рейтингом).

Но опять же, допустим, что так оно и есть. Можно даже ролик ниже посмотреть, чтобы «мыло зашло» :)


Посмотрели? Ну, а теперь стоит на этом моменте остановиться подробнее. Меня вообще в последнее время больше всего удивляет то, что даже грамотные специалисты не могут просто сказать «не знаю» и начинают городить чушь с умным лицом. Действительно уж,»…something is rotten in the state of Denmark». И чаще всего, применимо к «мыло vs коронавирус» любят рассказывать про растворение «сферических липидных мембран в вакууме». Надо разобраться с этим, пока «в небольшом количестве воды денатурируются белки» :)

Общепринятое (what?) сейчас мнение гласит, что поверхностно-активные вещества растворяют липидную двухслойную мембрану вирионов, хотя при детальном рассмотрении оказывается, что точный механизм этого действия неизвестен, равно как нет и стройной картины различия эффектов различных ПАВ на различные вирусы в различных условиях. Да что говорить, про вирусы, ПАВ-ы работают даже с мембранами в лабораторной пробирке далеко НЕ по одному механизму. Фактически, сколько ПАВ-ов, столько и механизмов. Логично, что в зависимости от пространственной структуры молекулы могут происходить разные механизмы встраивания в липидную мембрану (а не так как в видео, прям захватили две молекулы «мыла» кусок вируса и понесли наверх, «к Солнцу»). Так и хочется сказать, что »… жизнь она сложнее чем любое, даже самое красочное видео на youtube».

Еще с конца прошлого века, применимо к клеточным мембранам, чаще всего считалось что ПАВ лишают мембрану барьерных свойств за счет увеличения проницаемости. Притом, практически везде оговаривалось, что цитотоксические клеточные эффекты зависят как от абсолютных концентраций, так и от молярных отношений липид/ПАВ. Чаще всего эквивалентные или просто высокие концентрации ПАВ вызывают лизис клеток. Т.е. «накатанный» ответ на вопрос «как ПАВ действует на клетки?» — это нарушение целостности клеточной мембраны и лизис клеток (по сути и то и то можно считать «мембранными процессами»).

Лизис (греч. λύσις «разделение») — растворение клеток и их систем, в том числе микроорганизмов, под влиянием различных агентов, например ферментов, бактериолизинов, бактериофагов, антибиотиков. По сути это разрушение мембраны клетки. В лабораториях молекулярной биологии, биохимии и клеточной биологии клеточные культуры могут подвергаться лизису в процессе очистки их компонентов, таких как очистка белка, экстракция ДНК, экстракция РНК или очистка органелл. <...> Пенициллин и родственные β-лактамные антибиотики вызывают гибель бактерий в результате ферментативного лизиса, который происходит после того, как лекарство заставляет бактерию образовывать дефектную клеточную стенку.


Многие подобные исследования проводились в применении к организму человека, возможно именно из-за них и появляется периодически упоминание о «токсичности ПАВ» (этому я посвятил даже отдельный подраздел Мыло — как «вселенское зло»).

Так как все функциональные возможности ПАВ — зависят от химической природы этих веществ, их концентраций и условий внешней среды, то пока стоит остановится именно на этом. По крайней мере на тех общих моментах, которые в дальнейшем упростят понимание мембранных проницаемостей/солюбилизаций/мицеллообразований и т.д. и т.п.

ПАВ-и можно считать любое вещество, которое влияет на поверхностное натяжение. ПАВ-и в плане «мыло» (=«коллоидные» или «мицеллярные») можно считать только те вещества, которые способны образовывать мицеллы. Низкомолекулярные спирты, амины и кислоты с небольшой длиной углеводородного остатка (менее десяти групп — CH2 —) вроде как ПАВ могут считаться, да вот не моющими свойствами не обладают, не мицеллярны-с. Так что в статье разговор больше про ПАВ которые способны мыть.

Существует много различных разновидностей таких ПАВ, «нормируемых» по тому, какой заряд несет на себе их гидрофильная «голова» (и несет ли она его вообще):

xxj9ettomdn5cffnv-tech1p7u8.png


Анионные = отрицательный заряд, катионные = положительный заряд, амфотерные (или цвиттер-ионные)=± в зависимости от рН среды, неионогенные = 0. Рекомендую это определение «в душу заронить», т.к. оно еще пригодится.

Как их отличать, по названию. Оно состоит как правило из названия углеводородного «хвоста» (обозначим его ~…~) и названия гидрофобной «головы» (…). Углеродный остаток ~…~ может определятся либо общим словом «алкил», либо более конкретным вроде «додецил-» и т.п. К анионным относятся привычные отечественному уху названия веществ состава: ~алкил~ + (сульфаты)/(сульфонаты)/(карбоксилаты)/(фосфаты), вроде алкилбензолсульфоната натрия, лаурилсульфата натрия, лауретсульфат натрия, стеарата/пальмитата натрия, олеата натрия, алкилсульфосукцината натрия, алкилсаркозинат натрия, перфтор (алкил)аты и т.п. К катионным ПАВ относятся все четвертичные аммониевые соединения (ЧАС), cостава ~алкил~ + (соль аммония)/(соль пиридиния)/(соль имидазолиния), вроде бензилдиметиламмония хлорид, цетилпиридиния хлорид, октенидина дигидрохлорида и т.п. К неионогенным относятся вещества состава: ~алкил~ + (жирный спирт)/(этоксилаты)/(этоксилированный жирный спирт)/(глюкозид). В качестве примером можно привести этилэтоксилаты, отечественные неонолы/синтанолы/оксанолы/олеосы/стеароксы, спаны, твины, синтамиды, известные еще со времен СССР-ской гражданской обороны ОП-X (где X=4/7/10). Ну и наконец к амфотерным (или цвиттер-ионным) ПАВ, относятся вещества, которые в водных растворах (в зависимости от значения рН среды) действуют по разному — в кислом растворе проявляют свойства катионных ПАВ, а в щелочном растворе — анионных ПАВ. В синтетических амфотерных ПАВ катионная часть — это амины или четвертичный аммоний, а анионная часть — сульфонаты или карбоксилаты. В природных амфоторных ПАВ чаще всего работает комбинация фосфата с амином. Примеры синтетики — алкиламинобетаины, алкиламфоацетат натрия, гидросилтаин. К природным относятся все фосфолипиды о которых мы сегодня говорим (фосфатидилсерин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилхолин он же лецитин, сфингомиелины), белки, пептиды и т.д. и т.п. Все ионогенные ПАВ после ионизации в растворе образуют поверхностно-активные ионы, неионогенные ПАВ не диссоциируют, поверхностной активностью обладает вся молекула.

найди мыло в себе
Не стоит думать, что ПАВ и мылА — они только там где-то, в далеких мыловарнях и на жировых комбинатах. Есть и вполне себе биогенные, присутствующие в каждом человеке с детства. Первым важным примером может служить т.н. легочный сурфактант. Смесь (липопротеиновый комплекс), благодаря которой мы можем дышать. Я бы называл ее «пневмо-ПАВ» :) По сути — комбинация поверхностно-активных веществ, выстилающая лёгочные альвеолы изнутри. Основной состав — это 40% дипальмитоилфосфатидилхолин, 40% других фосфолипидов, 10% поверхностно-активных белков (они еще называются коллектины), 10% холестерина. Основная функция этой смеси ПАВ заключается в уменьшении поверхностного натяжения на границе раздела воздух/жидкость в легких. Секретируется клетками пневмоцитами из компонентов плазмы крови (на заметку — именно на поверхности пневмоцитов находится большая часть ACE2 он же ангиотензинпревращающий фермент 2 — точка входа коронавируса в организм). Кстати, пневмо-ПАВ входит в ВОЗ-ский список ЖНВЛП (в российский, кстати, тоже, а вот есть ли в РБ такой список — я не знаю). Чтобы разбавить сухой текст, добавлю картинку, на которой показано, как к липидной мембране прикрепляется протеин из состава пневмо-ПАВ. Картинка кликабельна, можно подробно рассмотреть как упакованы фосфолипиды (что-то завораживающее в этом есть).
ipgagbpbhky8cudgzfcc6hwmtuk.png

Второй важный пример — это т.н. желчные кислоты. Назовем их «пища-ПАВ». Если кто-то забыл, напомню, что желчь — это щелочной секрет, вырабатываемый гепатоцитами печени. Он накапливается в желчном пузыре и выделяется в двенадцатиперстную кишку как только в ней появляется пища. Основная функция желчи — помочь переварить (=эмульгировать жиры). пище-ПАВ — это не совсем традиционные ПАВ с точки зрения структуры и поведения. Синтезируются они из холестерина и имеют стероидную структуру. Отличие от традиционных поверхностно-активных веществ в том, что пище-ПАВ ориентируется параллельно вдоль границы раздела фаз. Если что, все привычные ПАВ из моющих веществ — ориентируются перпендикулярно. Поэтому красивые плотно упакованные надмолекулярные структуры с помощью желчных кислот/солей не получить, у них цель одна — обволакивать и поглощать.
eoz9bub1qfrcebfys2sdgspfmpm.png


Применимо к вопросам повреждения мембран с помощью ПАВ чаще всего вспоминают такую вещь как ККМ или в CMC (спанбонд-мельтблаун-спанбонд…) в английском варианте. ККМ она же критическая концентрация мицеллообразования — это такая концентрация ПАВ, при которой индивидуальные молекулы ПАВ начинают самоорганизовываться в т.н. мицеллы.

что за мицеллы и при чем здесь мицеллярная вода
Мицелла представляет собой «общественное объединение» из молекул ПАВ, находящихся в водной среде. Мицеллы могут быть небольшими сферами или дисками (как упомянутые выше желчные кислоты), сплющенными или вытянутыми эллипсоидами, длинными цилиндрами, двухслойными плоскими (бислои) или даже формировать некие кубические фазы. Кстати увидеть все это можно только с помощью одного метода — криоэлектронной микроскопии.
j5cwnxdwlw3bnvbhyelg8apdudk.png

Что же до формы мицелл, то по тексту статьи я объясню, от чего это зависит. Пока же ограничусь тем, что скажу что форма одних и тех же ПАВ часто зависит от их концентраций в воде. По достижению ККМ (о ней ниже) чаще всего образуются маленькие сферические мицеллы.
ecfysgtdqmva29_q4wit_-ihga0.png

Далее с ростом концентрации ПАВ «шарики» (в кавычках, потому что на самом деле сферические мицеллы не сохраняют симметричную форму и не имеют идеально прилегающих друг к другу гидрофильных «голов», просто так их привычнее изображать) превращаются червеобразные/дискообразные мицеллы или в «мицеллы внутри нашего организма» -везикулы. Картинка ниже maybe поможет представить что это за везикулы такие и сравнить их размер с обычными мицеллами обычных поверхностно-активных веществ.
md0-xnonqoauhtbnxtb2kg0ialc.png

Переход от одного типа мицеллы к другому может протекать как самопроизвольно, так и управляемо (с помощью, опять же, повышения концентрации ПАВ до уровня т.н. «второй ККМ»). Термическое воздействие на «голову» тоже приводит к росту мицелл. Для некоторых ПАВ (неионогенных, в частности) температуру при которой гидрофильная группа максимально обезвожена и ПАВ отделены от водной фазы еще называют точкой помутнения и используют для идентификации конкретных веществ. Кстати, мицеллы ионогенных ПАВ при высоких температурах распадаются на более мелкие ассоциаты — димеры и тримеры (т.н. демицеллизация). Поэтому в кипятке мыло мыть не будет (равно как и в ледяной воде). А в теплой — работает, т.к. достигается оптимальная концентрация ПАВ. Под спойлером «про необычное в обычной воде» есть пару предположений на этот счет.

Авторское замечание: чаще всего в современном поглупевшем и утратившем уважение к знаниям мире, при упоминании слова «мицелла», обыватель (особенно женского пола) вспоминает такую навязанную рекламой вещь, как «мицеллярная вода». Какой в ней смысл, я, честно, затрудняюсь ответить. Вода с мицеллами ПАВ?! Так это получаются помои какие-то, почему просто не сделать себе слабееенький раствор любимого «БИО-шампуня» в 10–20–50 раз дешевле. Эмульсия каких-то увлажняющих жиров ?! Допустим, но причем здесь вода? Есть конечно вероятность, что таким путем «хитрый маркетолог» пытается безграмотному покупателю всучить очередное «платье голого короля», но как-то уж от каких-нибудь Garnier или Roche непривычно таких ходов ожидать… Наболевшее, в общем. Никакой мицеллярной воды нет — есть раствор моющего средства с концентрацией ПАВ достаточной для образования мицелл. И внушать себе что эта «вода» вот просто прям и лечит и омолаживает это так… так по потребительски :)


При низких концентрациях поверхностно-активные вещества образуют истинные растворы. Истинный раствор, это например, раствор чая/сахара в стакане, т.е. никаких там структур не образуется. С ростом концентрации и приближением к ККМ начинают формироваться надмолекулярные структуры из мицелл и истинный раствор переходит в коллоидный (или мицеллярный). Выше ККМ весь избыток ПАВ находится в виде мицелл. При очень большом содержании ПАВ в системе вообще образуются жидкие кристаллы (т.н. лиотропные мезофазы) или гели.

i4pwtcgml-rykiggc21vo-umw74.png


При разбавлении раствора мицеллы распадаются, а при увеличении концентрации ПАВ вновь возникают. т.е. все обратимо. Понимание, что такое ККМ в применении к ПАВ настолько же важно, как и понимание что такое температура в применении к бане например. Но в отличие от температуры, которую измеряет любой копеечный термометр, значения ККМ для каких-то определенных поверхностно-активных веществ найти и определить не так то и просто. Некоторая справочная информация для расчетов есть здесь или здесь. По последней ссылке и таблица ККМ, которую я принес хабра-читателю и спрятал под спойлером.

Значения ККМ для распространенных типов ПАВ
xxqgzrsly4kx6ugf9dh6yptmyog.png


В целом, ККМ может еще и выступать в роли некого субъективного критерия для оценки эффективности ПАВ («что лучше будеть мыть»). Хотя в случае поверхностно-активных веществ сложно сказать которое лучше, которое хуже. Чаще всего здесь оперируют несколькими комплексными критериями сравнения, вроде:
— Чем ниже ККМ, тем лучше ПАВ может самоорганизовываться с образованием мицелл, а значит тем меньше вещества понадобится для взаимодействия с гидрофобными соединениями
— Чем лучше снижается поверхностное натяжение на границе воздух-вода — тем лучше поверхностно-активные вещества могут упаковываться на границе раздела воздух-вода (ориентируя углеводородные цепи в направлении воздуха и гидрофильные группы в направлении водной фазы)
— Насколько хорош эффект эмульгирования (= насколько хорошо ПАВ стабилизируют не смешивающиеся в обычных условиях смеси воды (гидрофильное) и масла (гидрофобное) в виде микроскопических капель одной жидкости в другой). Чем выше эта способность, тем легче будет отмываться жир.

про необычное в обычной воде
Cам факт явления образования мицелл обязан тому, что вода то жидокость НЕ нормальная. Но благодаря ее «ненормальности» (высокое поверхностное натяжение, очень высокая энергия когезии (см. мою классную статью Опусы про Его Величество Клей. Часть первая — вводная, она как раз про адгезии и когезии), высокая диэлектрическая константа, высокая температура кипения и т.п.), благодаря этому наш чудесный биологический мир и существует…

К слову, решил я вспомнить покойного своего руководителя, академика В.С. Комарова

© Habrahabr.ru