Złote runo – keratyna

Doświadczenie 1

W pojemniku na mocz rozpuść pół łyżeczki NaOH (np. ze środka do udrożniania rur) w 40 ml wody. Z rozerwanej poduszki wyjmij kilka (białych, najlepiej puchowych) piór i umieść po jednym w czterech nowych pojemnikach na mocz. Do pierwszego dodaj 20 ml wody, do drugiego – 20 ml wody z NaOH, do trzeciego – 20 ml roztworu octanu miedzi (dzień wcześniej zanurz mufkę miedzianą w occie wymieszanym pół na pół z wodą utlenioną), a w czwartym – 10 ml octanu miedzi i tyle samo roztworu NaOH. Dopilnuj, aby całe pióra były zanurzone w płynach. Zakręć pojemniki i odstaw na całą noc. Porównaj wygląd piór w pojemnikach. Możesz następnie powtórzyć doświadczenie, stosując ścięte włosy zamiast piór.

Wyjaśnienie: W przypadku użycia wody lub roztworów wodorotlenku sodu i octanu miedzi nie widać istotnych zmian, gdyż keratyna nie rozpuszcza się w wodzie i jest dość odporna na działanie zasad. Natomiast w wyniku reakcji NaOH i octanu miedzi powstaje osad wodorotlenku miedzi, który może tworzyć z białkami kompleksy o barwie fioletowej, ułatwiając ich rozpuszczanie. Drobniejsze fragmenty piór wyglądają na nadtopione i zmieniają kolor na fioletowy, podobnie jak zmienia się barwa roztworu. Ale nawet zastosowanie takiego odczynnika nie rozpuszcza piór całkowicie. Jeszcze słabiej ta metoda działa wobec włosów – roztwór tylko nieznacznie zmienia barwę. Rozpuszczone białko można ponownie wytrącić w formie zawiesiny, zakwaszając roztwór np. octem. Niestety, metoda ta nie nadaje się do przemysłowego wykorzystania ze względu na zużycie stosunkowo drogich odczynników, jak również brak możliwości całkowitego odpłukania związków miedzi, której toksyczne pozostałości nie powinny znaleźć się np. w kosmetykach.

Doświadczenie 2

Przygotuj 3 pojemniki na mocz. W dwóch umieść na dnie plaster świeżego kiwi, a w trzecim kawałek wilgotnego ręcznika. Na jednym z plasterków połóż pióro z poduszki i dokładnie dociśnij, by wszystkie jego fragmenty stykały się z owocem. W pozostałych dwóch pojemnikach połóż na owocu i ręczniku kawałki drobno pokrojonego ugotowanego białka jaja kurzego. Zakręć i odstaw na całą noc, a rankiem porównaj wygląd i konsystencję pióra i kawałków białka jaja kurzego.

Wyjaśnienie: W owocach kiwi znajdują się enzymy określane ogólnie jako papainy – mogą one trawić inne białka, czyli ciąć je na mniejsze fragmenty. Dlatego drobno pokrojone białko jaja łatwo rozpada się pod wpływem najlżejszego dotyku. Ale na keratyny nie działają typowe enzymy trawiące białka – w pojemniku z piórem nie dostrzeżemy żadnych różnic. Na keratynę nie działają także enzymy trawienne wydzielane w przewodzie pokarmowym ssaków, w tym człowieka. Wiele zwierząt wylizujących futro własne lub swoich młodych wypluwa potem kłaczki sierści. W przeciwnym razie gromadząca się w przewodzie pokarmowym sierść mogłaby zbijać się w kulki zmniejszające drożność jelit.

Doświadczenie 3

W jednym pojemniku na mocz zalej pióra 20 ml środka do trwałej ondulacji (zabieg fryzjerski), zawierającego tioglikolan sodu, a w drugim użyj NaOH z dodatkiem pół tabletki nadmanganianu potasu (dostępny w aptece). Zakręć pojemniki. Po dobie wyjmij (pracuj w rękawiczkach ochronnych) pióra i dokładnie opłucz pod bieżącą wodą. Użyj tych piór, by powtórzyć trawienie z wykorzystaniem enzymów kiwi z doświadczenia 2.

Wyjaśnienie: Odporność keratyny na trawienie wynika m.in. z ciasnego splecenia jej włókien, co uniemożliwia dostęp typowym enzymom trawiącym białka. Czynniki zrywające wiązania disiarczkowe – jak tioglikolan lub merkaptoetanol – ułatwiają enzymom penetrację i umożliwiają rozkład keratyny. Inaczej działa nadmanganian potasu – silny utleniacz, niszczący niektóre reszty aminokwasowe i powodujący rozpad długich keratynowych nici na krótsze fragmenty, także bardziej podatne na trawienie. Nadmiar nadmanganianu może nawet spowodować rozpad piór na drobne kawałki. Metody te są jednak drogie lub zbyt toksyczne, żeby stosować je na masową skalę. Alternatywnym wyjściem są metody biologiczne: poszukuje się bakterii i grzybów wydzielających enzymy zwane keratynazami, które zrywają wiązania disiarczkowe i trawią białka. Właśnie w biotechnologii upatruje się rozwiązanie na wydajną utylizację lub przetwarzanie keratynowych odpadów.

dr Paweł Jedynak
Zakład Fizjologii i Biochemii Roślin WBBiB UJ

***

Zestaw przyrządów i materiałów

jaja, kiwi, nadmanganian potasu, środek do udrożniania rur, płyn do trwałej ondulacji, pojemniki na mocz, poduszka wypełniona piórami, miedziana mufka, woda utleniona, ocet, rękawiczki ochronne, papierowy ręcznik

Czas przygotowania: 3 godz. i 24 godz. oczekiwania

Koszt: 75 zł

***

Uwaga!

NaOH jest żrący! Zachowaj ostrożność, a podczas wykonywania doświadczeń używaj rękawiczek ochronnych.

***

Wiedza w pigułce

Wełna to nic innego jak białka. Aż 90% z nich stanowi keratyna, która tworzy długie nici, splatające się w mocne sznury. Struktury te dodatkowo sczepiane są działającymi jak klej mostkami disiarczkowymi. Trudno je rozerwać, bo keratyna jest niezwykle odporna – nic więc dziwnego, że natura znalazła dla niej zastosowanie wszędzie tam, gdzie liczy się wytrzymałość. Białko to znajdziemy we włosach, odpornych gadzich łuskach, lekkich piórach ptaków (typ b), a także paznokciach czy pazurach (typ a). Dzięki niemu nasza skóra nie rozrywa się przy naciąganiu – wyspecjalizowane komórki (keratynocyty) nieustannie tkają keratynowe nici, by zachować jej elastyczność.

Balsamy i odżywki do włosów często zawierają keratynę, która jak wypełniacz zasklepia w nich ubytki. Zwykle jej łatwo dostępnym źródłem jest owcza wełna. Wszak przy produkcji nici powstaje wiele ścinków, które żal potraktować tylko jako odpad. Lecz zanim ten cenny materiał trafi do kosmetyków, należy go rozdrobnić, a to niełatwe zadanie w przypadku tak odpornego materiału, który nie powinien w dodatku utracić nic ze swych właściwości. Opatentowane metody sugerują kilkunastogodzinne mielenie, często z użyciem ciekłego azotu.

Keratyny są odporne na działanie kwasów i do pewnego stopnia także zasad. Rozpuścić je można w niektórych cieczach jonowych lub stopionym w temperaturze ponad 160°C moczniku. Taka odporność to także nie lada problem – pierze poubojowe staje się kłopotliwym odpadem, którego bardzo ciężko się pozbyć. Najczęściej resztki wełniane lub pióra kompostuje się lub zaparza i po gwałtownej zmianie ciśnienia rozrywa – powstaje przy tym niskiej jakości mączka paszowa (utracone zostają cenne aminokwasy, np. tryptofan czy cysteina). To z tego powodu poszukuje się lepszych metod zagospodarowania nadmiarowym materiałem, np. przerobienie keratynowych odpadów na bioplastik, wodoodporny papier, a także znajdujące zastosowanie w medycynie hydrożele, wszczepiane jako wypełnienia ubytków tkankowych.

***

Uwaga!

Redakcja nie ponosi odpowiedzialności za ewentualne szkody powstałe wskutek doświadczeń.