3. Полимеры синтетические и натуральные
Очень часто наше время называют «веком полимеров», а некоторые материаловеды даже склонны считать, что мы живем во времена смены железного века веком полимеров – столь большое значение имеют синтетические и искусственные полимеры, ворвавшиеся в нашу жизнь во второй трети ХХ века, для современной техники и технологии.
Не стоит, правда, забывать, что природные полимеры – целлюлоза (основной компонент древесины) и кератин (белок, из которого состоит шерсть, рога и копыта) применялись нашими далёкими предками еще во времена каменного века, и поскольку заострить деревянную палку было делом более простым, чем придать нужную форму камню, полимерными орудиями труда, обороны и нападения наши предки начали пользоваться даже раньше, чем каменными. Природные полимеры и их аналоги и сейчас интересны ученым – и как химическое сырье, альтернативное нефти и продуктам нефтепереработки (та же целлюлоза или ее ближайший родственник – хитин), и как конструкционные материалы, изделия из которых не будут разлагаться в лесу три сотни лет, как полиэтиленовый пакет, а мирно утилизуются за сезон (биоразлагаемый пакет из полимолочной кислоты). Этот раздел посвящен полимерам – макромолекулам, без которых мы не можем представить нашу жизнь.
3.1. Кератин
Вряд ли производители косметики уделяют столь пристальное внимание какому-либо другому замечательному веществу, как кератину. Он интересен для них как вещество, образующее ткани, за которыми требуется постоянный уход и, соответственно для ухода за этими тканями выпускаются все новые и новые препараты.
Кератин представляет собой прочный структурный белок, придающий форму и жесткость коже, волосам и ногтям человека. К нашему счастью, у нас нет копыт, клювов, чешуи и рогов, иначе бы нам приходилось приобретать косметические средства для поддержания функций кератина и в этих органах.
Строго говоря, кератин не представляет собой индивидуальное химическое вещество – кератинами мы называем семейство фибриллярных белков, обладающих механической прочностью, которая среди материалов биологического происхождения уступает лишь структурному углеводу хитину. К фибриллярным относятся белки, имеющие вытянутую нитевидную структуру, в которой отношение поперечной оси к продольной больше 1:10. Другими представителями фибриллярных белков являются белок шелкового волокна фиброин или белок соединительной ткани коллаген. Обычно длинные нити фибриллярных белков организуются, формируя защиту и поддержку других молекул в живой ткани. Точно так же как отдельные волокна шерсти или целлюлозы свиваются в нити, мономеры кератинов, сплетаясь друг с другом, образуют нити, которые и образуют столь знакомые нам волосы и другие биологические структуры.
Термин «кератин» происходит от греческого слова «кера» – рог. Рождение этого названия датируется серединой XIX века. Первое упоминание о кератине появилось в литературе в научной работе 1849 года, в которой говорится, что белок «кератине» Саймона (именно так – «Simon’s keratine») входит в состав рогов, волос и копыт. К сожалению, это единственное упоминание о вероятном первооткрывателе кератина – Саймоне, и история не донесла до нас более подробную информацию о нем. Столь ранее описание кератина как белка, возможно, связано с тем, что кератин (как и большинство других фибриллярных белков) не похож на другие природные полимеры, с которыми работали химики XIX века: в отличие от большинства белков, открытых на заре становления биохимии, он не растворяется не только в воде, но и во множестве других растворителей, способных растворять белки. Не растворяется, однако к нашему счастью – представьте, что бы было, если бы он растворялся, – решили вы, скажем, помыть голову, а волосы смылись (хотя не исключаю, что некоторых такая перспектива даже порадовала бы).
Написать точную формулу кератина сложно, примерно так же сложно, как записать в общем виде формулу ДНК – и то и другое вещество индивидуально для того типа организма, из которого мы его выделяем. Сложность тут еще и в том, что молекулы кератинов различного типа обладают различным набором вторичных структур. В кератинах комбинируются и альфа-спиралевидная вторичная структура (правозакрученные спирали белка, сохраняющие устойчивость благодаря сетке водородных связей), так и бета-складчатая структура – в ней противолежащие цепи белков также за счет водородных связей объединяются в почти плоские листовидные агломераты. Отдельные участки кератинов с альфа- и бета-вторичной структурой связываются друг с другом за счет дисульфидных мостиков – связей S – S. Именно комбинация этих взаимодействий и придает кератинам их прочность. Различное соотношение альфа- и бета-фрагментов кератинов, различная плотность дисульфидных связей могут быть характерны и для кератинов одного организма, образующих различные ткани и обладающих различной прочностью – например, кератинов волос и ногтей.
Если говорить конкретно о кератине волос человека, то этот кератин является плотным в сравнении с другими веществами биологического происхождения веществом (плотность равна 1,3 г/см3), практически не проводит электричество, зато способен накапливать на поверхности статические заряды (вспоминаем детский сюжет «Ералаша»).
При комнатной температуре волос человека можно растянуть на 30–60 %. С повышением температуры и влажности окружающей среды растяжимость волоса увеличивается, а в чрезвычайно влажной атмосфере растяжимость может достичь 100 %. Прочность кератина при растяжении зависит от межмолекулярных связей. Прочность сухого волоса больше, чем мокрого. Это объясняется тем, что вода, вызывая набухание кератина, ослабляет межмолекулярные связи (например, водородные и солевые). На прочность сухого кератина разрыв дисульфидных связей существенно не влияет.
При создании новых межмолекулярных связей в кератине увеличивается прочность волос к растяжению и снижается их способность к сворачиванию (это происходит при известной парикмахерской процедуре, известной под названием «химия», суть которой заключается, если объяснять на пальцах, в том, что сначала дисульфидные и межмолекулярные водородные связи между молекулами кератина внутри волоса разрушаются, а потом опять же искусственно создаются при помощи тиогликолевой кислоты). Если говорить не о волосах, то дополнительные связи между нитями кератинов способствуют повышению устойчивости шерсти к действию различных химических реагентов, а также к действию моли, плесени, бактерий и ферментов.
Кератин волос человека характеризуется значительным сродством к воде. В нем содержится около 5 % связанной воды. Количество удерживаемой в кератине влаги при его насыщении достигает 33 % сухой массы. Диаметр волоса при насыщении его водой может увеличиваться приблизительно на 20 %, а длина – на 1–2 %.
Кератины обладают высокой химической стойкостью. Они более устойчивы к воздействию кислот, чем щелочей. Пищеварительный сок, выделяемый гусеницами моли, питающимися шерстью, имеет щелочную среду (рН = 9,9) и содержит вещества, способные разрушать дисульфидные связи кератинов, чем и пользуются эти проклятые поедатели шуб и других изделий из шерсти и меха.
Хотя кератины чрезвычайно важны для жизни животных и человека, существует не так уж много продуктов, полученных на основе кератинов. Существует набор косметических продуктов, содержащих кератин, а также ряд косметических линий, основными разработчиками которых являются косметологи из Бразилии и Японии. Что касается последних, то заявлено, что они исправляют кератин волос, придавая волосам блеск и понижая их ломкость. Наверное, более важным является нанесение кератиновых покрытий на трансплантаты сосудов – такое покрытие понижает вероятность свертывания крови и тромбообразования. В настоящее время специалисты по медицине и фармацевтике пытаются найти способы заставить кератины работать в системах целенаправленной доставки лекарственных препаратов или систем для заживления ран.
Несмотря на то, что кератинсодержащие фрагменты организма важны для внешнего вида как человека, так и животных, нелишне заметить, что большинство этих кератинсодержащих органов нашего тела (равно как и наших домашних животных), за которыми мы так тщательно ухаживаем, на самом деле мертвы. Без волос, ногтей и внешнего слоя кожи мы бы смотрелись довольно отталкивающе, однако и волосы, и ногти и эпидермис в общем-то безжизненны сами по себе. Это обстоятельство всегда заставляет улыбнуться, когда я слышу, как с рекламы нам бодро обещают вдохнуть жизнь в обезжизненные волосы.
Лучше не надо эти волосы оживлять. Пожалуй, единственное существо, оставшееся в письменной истории человечества, у которого волосы были действительно живыми, была горгона Медуза, у которой была, в общем-то, непростая судьба: сначала ее изнасиловал Посейдон, совершив это кощунственным образом в храме Афины, а Афина, хоть и была богиней мудрости, покарала не виновника сего деяния Посейдона, а почему-то горгону Медузу, модифицировав ее волосяной покров генами от гидры. Ну, и как мы знаем, первый эксперимент по столь буквальному оживлению волос прервал Персей, уничтожив подопытный образец.
Тем не менее кератин все рано можно считать замечательным веществом – без него не существовало бы то, за уходом над чем мы тратим столько времени – кожи, волос и ногтей. Да, в основном мы существа из плоти и крови, но благодаря кератину мы выглядим так, что не пугаемся своего отражения в зеркале, и даже если временами боимся того, кто сидит в зеркале, всегда знаем, как привести себя в порядок.
