Химия по жизни. Как устроен наш быт, отношения, предметы и вещи с точки зрения химических реакций, атомов и молекул: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Аспирин – или чудо-таблетка, как его называют СМИ – впервые был описан Гиппократом в XIV веке до нашей эры, когда люди варили целебный чай из коры ивы. Давайте перенесемся в 1763 год, когда английский священник Эдвард Стоун опубликовал письмо, в котором сообщалось о новых исследованиях свойств коры ивы. Он высушил ее, а затем раздал пятидесяти разным людям. Те использовали сушеную кору для лечения распространенных заболеваний и даже в форме лосьона.

Тем не менее все «пациенты» Стоуна столкнулись с двумя проблемами: (1) кора ивы имела неприятный вкус и (2) из-за нее у людей появлялись проблемы с желудком. Тем не менее все были готовы продолжать употреблять кору, поскольку она уменьшала головную боль и воспаления. Некоторым пациентам кора даже помогала облегчить симптомы артрита.

Спустя сто лет химик Феликс Хоффман занялся поиском альтернативы салициловой кислоте (C₇H₆O₃), которая и является действующим веществом в ивовой коре. Больной отец ученого испытывал сильную тошноту после лекарств с салициловой кислотой, так что Хоффман решил найти что-то, что сможет помочь старику. С помощью своего начальника, Артура Эйхенгрина, Хоффман начал проводить эксперименты с салициловой кислотой и вскоре открыл эффективный способ получения родственной кислоты, ацетилсалициловой (C₉H₈O₄), позже названной аспирином.

К сожалению, Артур и Феликс столкнулись с трудностями на этапе клинических испытаний нового вещества, так как салициловая кислота ослабляла сердце. Тогда Феликса заняли другими исследованиями, где он использовал свои знания об ацетилсалициловой кислоте для синтеза одного наркотика – диаморфина, также известного как героин. Что удивительно, он довольно легко смог убедить людей попробовать диаморфин.

Поскольку Артур был главным, он не собирался так просто заканчивать исследования ацетилсалициловой кислоты. Химик передал новое обезболивающее врачам, которые начали проводить собственные клинические испытания. Результат не заставил долго ждать: все пациенты (и врачи) были в восторге от того, что появилось лекарство, способное облегчить боль или вылечить простуду, при этом не вызывая проблем с желудком. Новость о чудесном лекарстве быстро распространилась, так что вскоре аспирин Bayer можно было получить без рецепта.

Но чем так хорош аспирин (ацетилсалициловая кислота) и почему он лучше коры ивы (салициловая кислота)? Сначала химики поняли, что если в салициловой кислоте заменить одну спиртовую группу (OH) на сложноэфирную группу (OCOCH₃), то можно добиться приятного вкуса аспирина и уменьшить проблемы с желудком. Они также выяснили, что активность аспирина равна активности салициловой кислоты. Но как такое возможно? Ведь крупной молекуле намного сложнее добраться до нужного места из-за ее размеров.

Ученые быстро установили, что на самом деле Артур и Феликс не открыли новое лекарство. Да, принимать аспирин было намного проще, но в желудке он снова распадался на салициловую кислоту. Проще говоря, аспирин просто уменьшил количество побочных эффектов, возникающих при употреблении коры ивы.

Аспирин идеально подходит для приема после спортивной травмы, поскольку помогает уменьшить боль от воспаления или отека. Попадая внутрь организма, салициловая кислота блокирует одну важную химическую реакцию, из-за чего фермент (циклооксигеназа) не может производить две молекулы (простагландин и тромбоксан). Простагландин вызывает вазодилатацию (кровеносные сосуды открываются), после чего лейкоциты направляются к месту повреждения. Другими словами, если вы подвернете лодыжку и сразу же выпьете аспирин, ваша нога не распухнет.

Этот процесс также является частью механизма действия нестероидных противовоспалительных препаратов, или НПВП. Например, ибупрофен – это НПВП, он используется для лечения воспалений, высокой температуры, а также для уменьшения боли. Если сравнивать его с аспирином, то ибупрофен считается «молодым» препаратом. Его открыли в 1960-х годах, и тогда было обнаружено, что он может подавлять активность циклооксигеназа. Ибупрофен имеет молекулярную формулу C₁₃H₁₈O₂ с одним шестичленным кольцом между двумя углеводородными цепочками. Возможно, вы уже знаете, что ибупрофен отлично справляется с высокой температурой, а также уменьшает боль, вызванную камнями в почках.

Ацетаминофен – это дешевый препарат; обычно его называют тайленолом. Многим он известен как парацетамол – лекарство, способное облегчить симптомы простуды. Парацетамол имеет молекулярную формулу C₈H₉NO₂ с шестичленным кольцом.

Ученые до сих пор не выяснили, как именно работает ацетаминофен. В отличие от ибупрофена и аспирина (а также остальных НПВП), парацетамол не блокирует фермент циклооксигеназа. Кажется, что этот препарат действует совсем иначе, не так, как другие обезболивающие. Считается, что в процессе участвует фермент, но ученые до сих пор не уверены в работе парацетамола на 100 %. Однако кое-что они знают наверняка: так как парацетамол не блокирует фермент, он не работает так же хорошо, как другие противовоспалительные средства. Сейчас химики полагают, что парацетамол может блокировать фермент в мозге, и именно это является причиной, по которой этот препарат используется для облегчения боли и лечения простуды.

Каждая молекула по-своему влияет на организм, так что разные обезболивающие будут действовать по-разному при одной и той же травме. Лично я очень часто использую алив (напроксен), еще одно НПВП. Так как я не врач, то не могу рекомендовать вам это обезболивающее, однако предупреждаю: пожалуйста, обращайте внимание на любые негативные побочные эффекты, например, повреждение органов. Мне вот нельзя злоупотреблять аливом, поскольку он вызывает почечную недостаточность.

Но как бы сильно у меня ни болели колени, я всегда буду заниматься спортом (я на это надеюсь). Я люблю начинать свой день в беговых кроссовках и в милой спортивной форме. И хотя я не должна этого делать, но я использую занятия спортом как оправдание моей зависимости от сладкого.

Хорошая тренировка утром пробуждает меня и готовит к трудному дню. Но перед тем, как выйти из дома и встретиться с другими людьми, мне нужно несколько минут (или часов) на то, чтобы привести себя в порядок. В следующей главе я расскажу вам о том, что происходит в ванной. Что общего между шампунем, феном и яркокрасной помадой, которую вы носите на работе? Правильно, это все – химия!

7. Be·YOU·tiful (Вы прекрасны). Приводим себя в порядок

После интенсивной тренировки я иду в душ, где начинается основной процесс подготовки. Долгое время это была моя самая нелюбимая часть дня; во времена, когда я училась в аспирантуре, у меня никогда не хватало на это времени. Я просто собирала влажные волосы в хвост, надевала чистую футболку и бежала на учебу. Теперь же я могу позволить себе заниматься утренней рутиной, и у меня есть целая коллекция косметики, которая просто не помещается в ванной. Неудивительно, что везде, от средств по уходу за волосами до помады и духов, есть химия. И знаете, в правильных пропорциях и сочетаниях она может дать волшебные результаты.

Хотите верьте, хотите нет, но даже в обычном спокойном душе есть необычная наука. Когда горячая вода попадает на ваше тело, то молекулы воды образуют водородные связи с другими молекулами воды на вашей коже и волосах; образование связи происходит еще до того, как вода стечет с вашего тела на пол. Иногда адгезионные свойства воды настолько сильны, что вода из душа притягивает к себе молекулы воды из эпидермиса, образуя на нашей коже капли воды. Если это происходит, то значит, что притяжение между молекулами воды сильнее притяжения между молекулами воды и молекулами солей на вашей коже.

Изучать шампуни и кондиционеры для волос еще интереснее. В большинстве из них содержатся молекулы, о которых вы, я уверена, никогда не слышали (и о них не пишут на обратной стороне упаковки): четвертичные соли и катионные поверхностно-активные вещества. Не бойтесь, они не так сложны, как может показаться; однако их влияние на волосы трудно переоценить. Но перед тем, как мы начнем обсуждать эти уникальные соединения, давайте разберемся с основами.

Основной белок наших волос – альфа-кератин. Возможно, вы слышали, что кератин нужен для роста здоровых ногтей, он применяется в средствах по уходу за кожей, а также содержится в рогах и перьях животных. В салоне вам могут предложить лечение волос кератином, чтобы на время выпрямить волнистые или вьющиеся пряди; кератин также может быть добавкой в шампуне или кондиционере.

Любой кератин представляет собой полипептидную цепь аминокислот. Порядок, расположение и тип аминокислот могут отличаться, однако в общем белке (альфа-кератин) обязательно будет содержаться хотя бы одна молекула цистеина. Цистеин представляет собой небольшую аминокислоту, которая иногда действует как фермент и может запускать биохимические реакции. Почему? Дело в том, что когда две полипептидные цепи (или кератиновые цепи) закручиваются вместе, образуется спираль. Тогда атом серы в молекуле цистеина из кератина А образует ковалентную связь с атомом серы в молекуле цистеина из кератина В. В результате реакции образуется новая молекула – цистин. И хотя названия двух молекул практически одинаковые, цистин – это крупная молекула, образованная из комбинации двух молекул.

Данный процесс происходит снова и снова, создавая ступенчатую структуру (подобную ДНК); каждая ступень представляет собой связь между атомами серы аминокислот цистеина. Эта химическая реакция очень важна, поскольку в результате образуется молекула цистина (ступень), где и случается вся химия!

Каждый раз, когда вы моете, сушите или выпрямляете волосы, вы работаете со своими молекулами цистина. Мыться мы начинаем с мытья головы, так что я предлагаю сначала рассмотреть этот процесс. Шампунь удаляет с кожи жир и масла, однако это достаточно щадящее средство, которое не вызывает покалывание или жжение. Ученые подобрали химические вещества, которые могут образовывать связи с поврежденными молекулами в ваших волосах; при этом такие вещества мягко воздействуют на ваш волосяной покров, кроме того, их можно легко смыть, а еще они не наносят вреда экологии.

В каждом бренде продуктов для душа предлагается уникальная комбинация молекул, которые успешно удаляют жир, бактерии и другие побочные продукты из наших волос. Эти молекулы могут быть вязкой жидкостью (чрезвычайно густой сольвент гликоль), лимонной кислотой (содержится в лимонах) или солью (хлорид аммония). Но я думаю, в контексте шампуней и кондиционеров чаще всего вы слышите о парабенах, сульфатах и силиконах. Трудно не услышать, когда все только о них и говорят.

Начнем с парабенов. Они используются для блокировки роста бактерий в косметических продуктах. Самые распространенные парабены – это метилпарабен, этилпарабен, пропилпарабен и бутилпарабен. Все они были получены из пара-гидроксибензойной кислоты. На языке химии «мет» обозначает «один», «эт» – «два», «проп» – «три», «бут» – «четыре». Эти приставки используются для обозначения количества атомов углерода в молекуле парабена.

Метилпарабен – это противогрибковый консервант, использующийся не только в шампунях, но и во многих продуктах питания (противогрибковый означает, что бактерии и связи внутри грибков угнетаются, а связи между ними – разрушаются). Если вы живете в Европе, то метилпарабен обозначается как Е218. Этилпарабен (Е214) и пропилпарабен (Е216) тоже добавляются в шампуни и парабены, но в антибактериальных целях их используют не так часто, как бутилпарабен.

Бутилпарабен представляет собой цепочку из четырех атомов углерода, соединенную с основным атомом кислорода в молекуле парабена. Из-за длинной углеводородной цепочки бутилпарабен имеет физические свойства, отличные от других парабенов. Он используется в более чем 20 тысячах косметических средств, однако многие удивляются тому, что он также содержится в обычных лекарствах, например ибупрофене.

К сожалению, несмотря на то, что парабены предотвращают рост бактерий в шампунях и кондиционерах, они негативно влияют на организм человека. В 2004 году было опубликовано исследование, в котором говорилось, что парабены были обнаружены в опухолях восемнадцати женщин из двадцати с раком молочной железы. На тот момент не проводились другие подобные исследования, поэтому не было никакой дополнительной информации. Значит ли это, что парабены увеличивают шанс заболеть раком молочной железы? Не всегда. Когда женщины массово перестали пользоваться продуктами с парабенами, компании начали производить косметику без этих веществ.

Многие бренды, производящие продукты без содержания парабенов, используют безвоздушные емкости для дозировки. Все просто: сначала бутылка наполняется шампунем или кондиционером, потом из нее выкачивают весь воздух и плотно закрывают. Как вы понимаете, сделать такое в душе практически невозможно. Тем не менее это очень важный шаг, поскольку недостаток кислорода замедляет рост бактерий и грибков.

Еще одна молекула, которой я стараюсь избегать, – силикон. И нет, она не может вызвать рак; однако эта молекула ответственна за то, что среди парикмахеров называется наслоением (придает волосам блеск и гладкость). К сожалению, я слишком поздно поняла, что мои волосы в средней школе были сальными и плоскими из-за силиконов в шампуне. Да и мыть голову каждый день одним и тем же шампунем – не лучшее решение.

Полисилоксан, обычно называемый силиконом, – большой полимер, который обязательно есть в вашем душе или в ванной – в герметике. Поскольку силикон – это неполярная молекула, он обладает хорошей водостойкостью и жаропрочностью. Силикон, содержащийся в шампунях, покрывает каждый волосяной фолликул пленкой и защищает волосы от вредного воздействия окружающей среды. Силикон также заполняет пустоты в волосе, уменьшая их пушистость и делая гладкими.