Weird Science

Ab ovo

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Che­mia w Szkole (6/2014):

Ilustracja

Ples M., Ab Ovo - flu­o­re­scen­cja roz­tworu por­fi­ryn wyi­zo­lo­wa­nych ze sko­rupy jaja kurzego, Che­mia w Szkole, 6 (2014), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 19-21

Flu­o­re­scen­cja por­fi­ryn wyi­zo­lo­wa­nych ze sko­rupy jaja kurzego

Wyra­że­nie ab ovo pocho­dzi z łaciny i dosłow­nie zna­czy „od jaja”, co przez wielu jest uwa­żane za skrót łacińs­kiego przy­sło­wia ab ovo ad mala („od jaja do jabłka”), które opi­sy­wało rzym­ską ucztę, tra­dy­cyj­nie roz­po­czy­na­jącą się wła­śnie spo­ży­ciem jaj. Zwrot ten jest pow­szech­nie uży­wany w zna­cze­niu „od początku” [3]. Co ma jed­nak wspól­nego kurze jajo z che­mią?

Otóż w sko­ru­pie jaj, szcze­gól­nie tych z rodzaju brązo­wych, znaj­duje się zna­cząca ilość związ­ków z grupy por­fi­ryn. Z che­micz­nego punktu widze­nia są one pochod­nymi por­finy, której cząsteczka składa się z czte­rech pięcio­czło­no­wych, hete­ro­cy­klicz­nych pier­ścieni piro­lo­wych, połączo­nych ze sobą most­kami meti­no­wymi (Rys.1) [1].

Ilustracja
Rys. 1 – Cząsteczka por­finy

Szkie­let por­fi­ry­nowy jest obecny w struk­tu­rze wielu związ­ków pełn­iących ważne funk­cje bio­lo­giczne. Występuje choćby w cząsteczce hemu (jako kom­pleks z żela­zem), będącego grupą pro­ste­tyczną, m.in. hemo­glo­biny, mio­glo­biny, czy cyto­ch­ro­mów, a także w cząstecz­kach chlo­ro­fili (jako kom­pleks z magne­zem).

Pochodne por­fi­ryny w odpo­wied­nich warun­kach wyka­zują często dosyć silną flu­o­re­scen­cję. W pre­zen­to­wa­nym doświad­cze­niu opi­szę, w jaki spo­sób, z wyko­rzy­sta­niem pro­stych środ­ków wyi­zo­lo­wać te związki z pow­szech­nie dostęp­nego mate­riału, jakim są sko­rupy jaj kurzych.

Doświad­cze­nie

Wielką zaletą pro­po­no­wa­nego doświad­cze­nia jest to, że można je prze­pro­wa­dzić z wyko­rzy­sta­niem łatwych do zdo­by­cia i sto­sun­kowo mało nie­bez­piecz­nych sub­stan­cji [2]. Pod­sta­wo­wym surow­cem są tu sko­rupy jaj, w szcze­gól­no­ści te o brązo­wej bar­wie (Fot. 1). Jaja o bia­łej sko­rupce się nie nadają, ponie­waż zawiera ona zna­cząco mniej inte­re­su­jących nas związ­ków che­micz­nych.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot. 1 - Sko­rupa jaja wyko­rzy­stana w doświad­cze­niu

Po roz­bi­ciu jaja sko­rupę należy umyć w cie­płej wodzie, tak aby oczy­ścić ją z pozo­sta­ło­ści białka, a następ­nie wysu­szyć.

W celu wyi­zo­lo­wa­nia por­fi­ryn zawar­tych w sko­ru­pie, musimy mieć do dys­po­zy­cji:

Naj­lep­sze wyniki zapew­nia zasto­so­wa­nie kwasu chlo­ro­wo­do­ro­wego HCl, można go jed­nak zastąpić octem spo­żyw­czym, czyli roz­two­rem kwasu octo­wego CH3COOH o stęże­niu docho­dzącym do 10%. Octan etylu naj­le­piej wyko­rzy­stać czy­sty che­micz­nie. Wcho­dzi on jed­nak w skład wielu zmy­wa­czy lakieru do paznokci, więc próby ich wyko­rzy­sta­nia mogą sta­no­wić dodat­kowe pole do eks­pe­ry­men­tów.

Przy­go­to­wa­nie doświad­cze­nia nie nastręcza trud­no­ści. Oczysz­czoną sko­rupę jaja należy pokru­szyć na nie­wiel­kie frag­menty, które trzeba zalać 2 cm3 roz­tworu kwasu chlo­ro­wo­do­ro­wego HCl lub podobną ilo­ścią kwasu octo­wego CH3COOH.

Natych­miast zaczyna zacho­dzić reak­cja kwasu z węgla­nem wap­nia CaCO3 zawar­tym w sko­ru­pie, zgod­nie z reak­cją opi­saną rów­na­niem:

CaCO3 + 2H+ → Ca2+ + H2O + CO2

przy czym wytwa­rza­nie dużych ilo­ści gazo­wego dwu­tlenku węgla CO2 wywo­łuje pie­nie­nie się mie­sza­niny. Pod­czas roz­twa­rza­nia węglanu wap­nia CO2 zostają także uwol­nione por­fi­ryny, wcze­śniej uwięzione w struk­tu­rze sko­rupy – można więc doko­nać ich eks­trak­cji. Do pie­niącej się mie­sza­niny doda­jemy 5-7cm3 octanu etylu CH3COOC2H5, całość wytrząsamy i pozo­sta­wiamy na pewien czas (Fot. 2). O ile w przy­padku kwasu chlo­ro­wo­do­ro­wego wystar­czy kil­ka­na­ście minut, to wyko­rzy­sta­nie kwasu octo­wego wymaga pozo­sta­wie­nia mie­sza­niny na czas do kilku godzin.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot. 2 - Rea­gu­jące z kwa­sem frag­menty sko­rupy jaja uno­szące się na gra­nicy faz

Po upły­wie wspom­nia­nego wyżej czasu wytrząsamy mie­sza­ninę raz jesz­cze, odsączamy stałe pozo­sta­ło­ści, a ciecz wle­wamy do cylin­dra mia­ro­wego. Dosyć szybko docho­dzi do roz­dzie­le­nia faz: u dołu znaj­duje się faza wodna, zaś u góry faza roz­pusz­czal­nika orga­nicz­nego, zawie­ra­jąca wyek­s­tra­ho­wane por­fi­ryny (Fot. 3A). Obie war­stwy nie wyka­zują widocz­nego zabar­wie­nia.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot. 3 - Mie­sza­nina pore­ak­cyjna. Widoczne dobrze roz­dzie­lone fazy: A – w świe­tle widzial­nym, B – w świe­tle ultra­fio­le­to­wym (λ=366nm)

Obraz zmie­nia się jed­nak rady­kal­nie, kiedy próbkę oświe­tlimy świa­tłem ultra­fio­le­to­wym (o dłu­go­ści fali λ=366nm). Faza górna (orga­niczna), dzięki roz­pusz­czo­nym w niej por­fi­ry­nom wyka­zuje wyraźnie widoczną jasno­czer­woną flu­o­re­scen­cję (Fot. 3B). Warto zwrócić uwagę na to, że dolna faza wodna nie wyka­zuje żad­nej widocz­nej flu­o­re­scen­cji.

Wyja­śnie­nie

Sko­rupa jaja kurzego zawiera wiele pochod­nych por­fi­ryn, między innymi pro­to­por­fi­rynę IX, kopro­por­fi­rynę, uro­por­fi­rynę i inne. W sko­ru­pie brązo­wych jaj kurzych w naj­więk­szej ilo­ści występuje pro­to­por­fi­ryna IX, nazy­wana także oopor­fi­ryną (Rys. 2), która nadaje im cha­rak­te­ry­styczną barwę [5].

Pro­to­por­fi­ryna IX jest jed­nym z pre­kur­so­rów wspom­nia­nych uprzed­nio ważn­ych bio­lo­gicz­nie związ­ków (hem, chlo­ro­file, cyto­ch­romy). Nie dziwi więc to, że sekwen­cja pro­ce­sów che­micz­nych pro­wa­dzących do jej syn­tezy jest w dużym stop­niu zacho­wy­wana w toku roz­woju życia na Ziemi – nie występują tu zna­czące różn­ice nawet między tak odle­głymi ewo­lu­cyj­nie orga­ni­zmami jak bak­te­rie i ssaki [4].

Ilustracja
Rys. 2 – Cząsteczka pro­to­por­fi­ryny IX (oopor­fi­ryny)

Roz­twór pro­to­por­fi­ryny IX w roz­pusz­czal­niku orga­nicz­nym, podob­nie jak i innych pochod­nych por­finy (np. chlo­ro­filu), wyka­zuje silną flu­o­re­scen­cję o bar­wie czer­wo­nej przy oświe­tle­niu świa­tłem ultra­fio­le­to­wym.

Można tu zaob­ser­wo­wać zja­wi­sko prze­su­nięcia Sto­kesa. Polega ono na prze­su­nięciu mak­si­mum widma emi­sji w sto­sunku do mak­si­mum widma absorp­cji dla okre­ślo­nego stanu wzbu­dzo­nego. Przy prze­su­nięciu Sto­kesa mak­si­mum emi­sji przy­pada na zakres więk­szej dłu­go­ści fali λ niż absorp­cja (Rys. 3).

Ilustracja
Rys. 3 – Prze­su­nięcie Sto­kesa; wykres nie­bie­ski – widmo absorp­cji, czer­wony – widmo emi­sji (flu­o­re­scen­cji), Δλ – prze­su­nięcie Sto­kesa

Łatwo to wyja­śnić przy wyko­rzy­sta­niu uprosz­czo­nego dia­gramu Jabłońs­kiego (Rys. 4).

Ilustracja
Rys. 4 – Dia­gram Jabłońs­kiego

Cząsteczka w sta­nie pod­sta­wo­wym, czyli o naj­niższej ener­gii, może poch­ło­nąć okre­śloną por­cję ener­gii (w tym przy­padku w postaci pro­mie­nio­wa­nia ultra­fio­le­to­wego), a tym samym przejść na jeden ze sta­nów wzbu­dzo­nych, o wyższej ener­gii. Część ener­gii zostaje jed­nak szybko roz­pro­szona na sku­tek przejść bez­pro­mie­ni­stych, na przy­kład między sta­nami oscy­la­cyj­nymi, na sku­tek czego cząsteczka prze­cho­dzi na niższy stan wzbu­dzony. Oczy­wi­ście sytu­a­cja taka jest nie­tr­wała – cząsteczka szybko więc wraca do stanu pod­sta­wo­wego, odda­jąc pozo­stałą ener­gię w postaci pro­mie­nio­wa­nia. Pro­mie­nio­wa­nie wye­mi­to­wane ma więc niższą ener­gię niż poch­ło­nięte, co obja­wia się zwięk­sze­niem dłu­go­ści fali λ.

Lite­ra­tura:

Życzę miłej i pou­cza­jącej zabawy:)

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Marek Ples

Aa