СОСТАВА СМЫВА С КОЖИ РУК ЧЕЛОВЕКА
Ю. Королева
Гимназия No 1, г. Красноярск
В работе доказывается гипотеза о том, что исследование экскретов кожной поверхности позволяет делать выводы о физиологическом состоянии организма в целом. При подборе соответствующих методов количественного анализа данная методика может использоваться в специализированных медицинских учреждениях.
Введение
Исследование ответных реакций организма на воздействие различных факторов является основой контроля за физическим состоянием человека [6].
Известно достаточно много работ, посвященных определению уровня различных метаболитов, гормонов, ферментов в организме людей. Однако выбор исследуемого материала для биохимических исследований довольно ограничен: венозная и капиллярная кровь, моча [1].
В связи с вышесказанным представляется привлекательным использование такого доступного материала, как экскреты кожной поверхности, получаемые простым смывом с определенных участков кожи [1].
Гипотеза: если внешние факторы влияют на изменение химического состава пота, то, исследовав смыв с кожи рук, можно сделать вывод о физиологическом состоянии организма в целом.
Объект исследования: смывы с кожи рук. Предмет исследования: качественные реакции на метаболиты организма человека, выделяемые с потом.
Цель: изучить качественный состав смывов кожи рук у людей разного пола.
Задачи:
1) изучить научную, научнопопулярную литературу по вопросам биохимического состава смыва кожи рук и качественные реакции на его компоненты;
2) выбрать группы практически здоровых юношей и девушек разных возрастов;
3) провести биохимический анализ смыва кожи рук по выбранным группам людей;
4) сравнить результаты, сделать выводы о возможности использования данного типа биохимического анализа для выявления половых, биохимических и физиологических особенностей человека.
Методы исследования: качественный анализ на метаболиты, выделяемые с потом.
Результаты
Площадь поверхности кожи у взрослого человека - 1,5-2 мм. Масса кожи вместе с подкожной клетчаткой составляет приблизительно 16 % массы всего тела. Толщина кожи без подкожной жировой клетчатки колеблется в пределах от долей мм до 4 мм. Подкожная жировая клетчатка местами почти полностью отсутствует, местами же достигает 10 см и больше (на животе, бедрах у тучных женщин). Форма кожи в основном соответствует костно-мышечной основе тела.
Кожа богата мышечными и эластичными волокнами, обладающими способностью растягиваться, придавать ей упругость и противостоять давлению. Благодаря этим волокнам кожа может после растяжения возвращаться к исходному состоянию. Почти на всем протяжении кожа человека покрыта волосами. Свободны от волос только ладони и подошвы, боковые поверхности и ногтевые фаланги пальцев, кайма губ и еще некоторые участки.
Кожа состоит из двух отделов: верхнего - эпидермиса, или наружного слоя, и нижнего - дермы, или собственно кожи. Оба отдела обособлены друг от друга и в то же время тесно связаны между собой. Дерма (или собственно кожа) в нижнем отделе непосредственно переходит в подкожную жировую клетчатку. Именно в дерме находятся протоки потовых желез, через которые осуществляется экстракция пота на поверхность кожи [7].
Пот - водный раствор солей и органических веществ, выделяемый потовыми железами. Пот являет собой конечный продукт механизма терморегуляции множества биологических видов. Больше всего потовых желез у человека на ладонях — до 500 на один квадратный сантиметр. Состав и объём жидкости пота может колебаться в очень широких пределах в зависимости от условий окружающей среды.
В состав пота входят и другие продукты минерального обмена, сернокислые соединения, фосфаты, хлористый калий, соли кальция, а также продукты белкового обмена: мочевину, мочевую кислоту, аммиак, некоторые аминокислоты, глюкоза. В состав пота входят летучие жирные кислоты. pH 3.8 - 6.2. Кислая реакция пота способствует бактерицидности кожи.
Пот выделяется особыми железами, расположенны- ми в коже на глубине 1—3 мм. У здоровых людей на 98 — 99 % он состоит из воды. Из минеральных компонентов в состав пота входят ионы натрия, кальция, магния, меди, марганца, железа, а также хлоридные и иодидные анионы. Неприятный запах пота связан с бактериальным расщеплением его составляющих или с окислением их кислородом воздуха. Аминокислоты образуются в результате апоптоза клеток эпидермиса и гидролиза белков кожи. Во-вторых, аминокислоты попадают на кожу, так сказать, изнутри в результате потоотделения и неощутимой перспирации [6].
Цикл мочевины или орнитиновый цикл (цикл Кребса-Хензелейта) — последовательность биохимических реакций млекопитающих и некоторых рыб, в результате которой азотсодержащие продукты распада преобразуются в мочевину, которая в свою очередь выделяется почками. В большинстве случаев таким образом происходит превращение аммиака.
Необходимость в данном цикле реакций возникает вследствие того, что высокие концентрации аммиака, образующиеся в больших количествах в результате деградации нуклеотидов, оказывают угнетающее воздействие на нейроны. Мочевина же, являясь нейтральным соединением с небольшими размерами и высокой растворяемостью в физиологических жидкостях, способна легко проникать через биологические мембраны, легко переноситься кровью и выделяться с мочой [4, 5].
Те источники энергии, для которых не существует пути непосредственного биохимического превращения в глюкозу, могут быть использованы клетками печени для выработки АТФ и последующего энергетического обеспечения процессов глюконеогенеза, ресинтеза глюкозы из молочной кислоты, либо энергообеспечения процесса синтеза запасов полисахарида гликогена из мономеров глюкозы. Из гликогена путём простого расщепления опять-таки легко производиться глюкоза.
Молочная кислота формируется при распаде глюкозы. Иногда называемая «кровяным сахаром», глюкоза является главным источником углеводов в нашем организме. Это основное топливо для мозга и нервной системы, так же как и для мышц во время физической нагрузки. Когда расщепляется глюкоза, клетки производят АТФ (аденозина трифосфат), который обеспечивает энергией большинство химических реакций в организме [5].
У всех позвоночных и некоторых беспозвоночных креатин образуется из креатинфосфата ферментом креатинкиназой. Наличие такого энергетического запаса сохраняет уровень АТФ/АДФ на достаточном уровне в тех клетках, где необходимы высокие концентрации АТФ [3].
При нарушениях обмена веществ, например, при сахарном диабете, в моче и крови повышается содержание ацетона. Незначительная часть ацетона, превращается в оксид углерода (IV), ;который выделяется с выдыхаемым воздухом. Некоторое количество ацетона выделяется из организма в неизменном виде с выдыхаемым воздухом и через кожу, а некоторое — с мочой.
Таким образом, все перечисленные вещества могут присутствовать в смывах с кожи рук человека и могут быть определены качественными реакциями.
Материалом для анализа служат смывы с поверхности кожи. Удобнее всего производить смывы с концевых фаланг пальцев рук. В мелкий химический стаканчик (годится также фарфоровый тигель, колпачок из-под флакона для моющих или косметических средств и т. п.) с 5- 10 мл дистиллированной воды последовательно погружаются и тщательно ополаскиваются пальцы обеих рук. С полученным слегка мутноватым смывом можно выполнить целый ряд опытов [1].
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 [6].
Приготовить вытяжку пота 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 %-ый ацетоновый раствор 1-нитрозо,2-нафтола и 10 %-ый 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 [4].
Для определения аргинина готовим достаточно концентрированный смыв. К 1 мл этого смыва добавляют последовательно два реактива: 0,1 - 0,2 мл 0,1 %-го спиртового раствора 8-оксихинолина (оксина) и 0,5 мл раствора гипохлорита натрия. Последний готовим растворением таблетки «Жавел-солид» в 200 мл дистиллированной воды. После добавления второго реагента в течение 1-2 ми- нут развивается красно-оранжевое окрашивание (цвет мяса семги), что указывает на присутствие аминокислоты аргинина [4].
С целью определения гистидина потребуются три реактива:
1) 1%-ный раствор сульфаниловой кислоты, приготовленный на 1 нормальном растворе соляной кислоты;
2) 0,5 %-ный раствор нитрита натрия;
3) 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) [4].
Чтобы обнаружить мочевину, К 0,5-1,0 мл кожного смыва надо добавить последовательно два реактива:
а) 0,1 мл 1 %-ного спиртового раствора диметилглиокси- ма (C4H8N202);
б) 1,0 мл 0,025 %-ного раствора тиосемикарбазида (CN3H4S) в 25 %-ной серной кислоте. Проба перемеши вается и ставится в кипящую водяную баню на 5-10 ми- нут. Развивается красное, точнее, пурпурное окрашивание, указывающее на присутствие мочевины в смыве. Для большей наглядности опыта ставим еще пробу с водой (окраски нет) и с 1 %-ным раствором мочевины (ярко-пурпурная окраска) [5].
Для обнаружения аммиака к 1-2 мл смыва добавить 0,1-0,2 мл 5 %-ного раствора фенола с добавлением 25 мг нитропруссида натрия (катализатор реакции) и 0,5 мл щелочного раствора гипохлорита натрия; перемешать и поставить на 2-3 минуты в теплую водяную баню. Развивается окрашивание раствора от голубого до темно-синего цвета в зависимости от содержания аммиака в пробе [4].
Для обнаружения глюкозы к 1-2 мл смыва надо добавить 0,1 – 0,2 мл свежеприготовленного гидроксида меди и нагреть на спиртовке. В случае присутствия глюкозы образуется красный осадок меди. По скорости изменения окрашивания можно судить о концентрации глюкозы [3].
Для обнаружения креатина к 1 мл смыва с кожи последовательно добавляем 0,1 мл 1 %-ного раствора пикриновой кислоты и 0,2 мл 10 %-ного раствора гидроксида натрия. Проба перемешивается и ставится в кипящую во- дяную баню на 10 минут. Исходное бледно-желтое окрашивание (за счет пикриновой кислоты) переходит в оранжевое, что указывает на присутствие в смыве креатина и (или) его ангидрида креатинина [3].
Работа по биохимическому анализу смыва с кожи рук делалась 5 раз, чтобы результаты были как можно более точными. Было выбрано 4 человека разного пола (2 юноши и 2 девушки, учащиеся 10 классов нашей школы).
Уровень суммарного аминоазота выше в образцах 1 и 4, об этом можно судить по интенсивности окраски нингидринового пятна, оно насыщенно фиолетового цвета. У образцов 2 и 3 концентрация амино-азота примерно одинакова и проявления окраски менее интенсивны, чем у образцов 1 и 4.
Определение аргинина, тирозина, гистидина показало, что все аминокислоты были обнаружены во всех образцах смывов с кожи рук, но их концентрация (по интенсивности окраски) была разной. У образца 1 отмечено повышенная концентрация гистидина. Образцы 1, 2 и 3 дали среднее значение результатов при открытии аминокислот.
При обнаружении мочевины и аммиака, исходя из полученных данных, оказалось, что после физических нагрузок уровень мочевины возрос только у образцов 1 и 4. У 2 и 3 остался неизменным. Такая же закономерность наблюдалась и в случае обнаружения аммиака.
При обнаружении глюкозы выяснилось, что качественная проба на глюкозу не была успешной. Определить ее наличие не удалось.
При обнаружении креатина интенсивность окраски проб до физической нагрузки была у всех практически одинакова. Однако, после урока физической культуры появились изменения: 1 и 4 показали повышенный уровень креатина, а 2 и 3 не изменились в окраске по сравнению с первыми анализами.
В результате качественного анализа обнаружения Fe3+ этот катион не был найден ни у одной из проб, но Fe2+ был выявлен у всех образцов. У 3 концентрация Fe2+ была меньше, чем у других.
Na+ был выявлен у всех образцов. Концентрация Ca2+ была разная во всех пробах, так у 1 концентрация Ca2+ была не явно выражена, а у 4 Ca2+ не был обнаружено. Ион PO43- был обнаружен во всех образцах. Ион Cl - также был выявлен во всех образцах, но у 1 его концентрация была выше, чем у других образцов.
Выводы и заключения
1. Суммарная концентрация аминоазота в смывах с кожи рук может быть интерпретирована как показатель уровня белкового обмена в организме. У девушек уровень аминоазота выше, чем у юношей, что связано с физиологическими особенностями функционирования организма.
2. Повышенный уровень гистидина в ходе обнаружения у объекта 2 подтвердил наличие аллергической реакции на продукты питания во время проведения анализа.
3. Аминокислоты – основные метаболиты пота, по их уровню (интенсивность окраски смыва при проведении качественных реакций) можно судить о таких факторах, как аллергические реакции, уровень кровеносного давления, тип питания.
4. Тирозин является предшественником многих биохимических реакций, связанных с функционированием гормонов щитовидной железы. У всех объектов исследования уровень находится в пределах нормы, что свидетельствует об их состоянии щитовидной железы.
5. Концентрация аргинина зависит от типа питания: регулярное потребление икры рыб, семян подсолнечника и миндаля определяет повышенную концентрацию этой аминокислоты, как у образца No1.
6. Физическая нагрузка определяет повышенный уровень креатина, мочевины и аммиака в смывах с кожи рук. Данный факт может быть полезен для тренеров и учителей физической культуры с целью мониторинга интенсивности тренировки у спортсмена, а также утомляемости мышц.
7. Различия в содержании минеральных веществ в смывах незначительно, что говорит о схожести процессов метаболизма в организмах школьников.
8. Одинаковая концентрация ацетона в смывах указывает на нормальность обменных процессов и на отсутствие ;патологий почек и уровня сахара в крови.
9. Подобный метод аналитического анализа может быть широко использован при написании творческих работу учащихся, с целью систематического наблюдения за реакцией организма на физические нагрузки, так как он легок и не приносит болезненных ощущений, как в случае с анализом капиллярной крови.
10. Цель работы достигнута. Действительно с помощью подобного метода проведения анализа можно качественно определить наличие определенных метаболитов пота и по их присутствию определить функциональное состояние организма человека. Если подобрать соответствующие методы количественно анализа, то данная методика может использоваться и в специализированных медицинских учреждениях.
Литература
1. Храмов В.А. Аналитическая биохимия. 10-11 классы: элективный курс/авт.-сост. В.А.Храмов. – Волгоград: Учитель, 2007. 2. Жаркова Г.М., Петухова Э.Е. Аналитическая химия. Качественный анализ: Учебник для техникумов. – Л.: Химия, 1993. 3. Соколов Н.А. Определение химических веществ упрощенным способом. - 3-е изд., стереотип.- М.: Высш. школа, 1994.
4. Козлова Г.Г., Галинурова Э.И. Опыты по теме «Амины. Аминокислоты. Белки» // ;Химия в школе. 2001. No 3. С.61-64.
5. Храмов В.А., Папичев Н.В., Гиззатова Г.Л. Определение молочной кислоты и мочевины в смывах с кожи рук// Химия в школе. 2004, No 9.с. 59-60.
6. Определение в одной пробе лактата и ряда азотистых шлаков, экскретируемых кожей человека / В.А. Храмов/ Волгоградский государственный институт физической культуры. - 1995. 7. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология: В 3 т. Т.1.: Пер. с англ./ Под ред. Р. Сопера . – М.: Мир., 1990.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ
КОРОЛЕВА Юлия
Лауреат Всероссийского конкурса исследовательских ра- бот «Юность, наука, культура» в 2010-2011 учебном году, секция «Медицина»
Ученица 10 класса, гимназия «Универс» No 1
г. Красноярск
