Избранные главы коллоидной химии. Достаточно ли мытья рук для защиты от коронавируса? «Мыльная энциклопедия»

Умывайся мылом, да не поддавайся сплетням…
Русская народная поговорка

Я и раньше встречал людей, которые очень рьяно и уверенно говорили «коронавирус? да просто мойте руки мылом и все уйдет!». А сейчас такие люди почему-то начали объединяться и захватывать умы населения. И уже в поисковой выдаче Google можно встретить «Мыло как новая религия» или там «В борьбе с коронавирусом эффективно любое мыло!».
Не знаю, есть ли какой-то скрытый в этом всем смысл (как скрытый смысл в инстаграм-движениях антимасочников и т.п.) и есть ли смысл этот смысл искать. В этой заметке я просто расскажу, почему, с точки зрения химии интерфейсов, мыло от коронавируса не поможет (как и спирт) и лучше всего пользоваться где-то перекисью водорода, а где-то и горячо любимым гипохлоритом. Под катом — введение в механизм работы моющих средств в эпоху пандемии коронавируса + критика общемирового поветрия (заблуждения/вируса мозга/____вписать___нужное___). Глупостью и самонадеянностью микроорганизмы точно не победить. Ни вирусы, ни бактерии…
Спасибо подписчикам моего Patreon-а за активный «подогрев» и идеи!
Статья — из серии «закидываем в закладки и делимся с друзьями/знакомыми/врачами/копирайтерами медпорталов/научными сотрудниками etc.»

Перед тем, как приступить к высоким материям, скажу пару слов про свою специальность. Химия — это общее названия целого сонма дисциплин. И если рассматривать их все, то, как и в случае с наночастицами (а они классифицируются по своей мерности), здесь есть «одномерные науки» — вроде биохимии, или неорганической химии, которые изучают простые взаимодействия между молекулами, есть науки двух- и трехмерные — вроде химии супрамолекулярной, которые изучают взаимодействия между агрегатами молекул и есть науки четырехмерные, которые изучают взаимодействие агрегатов молекул с окружающим миром в течении времени.


К 4D химиям можно отнести «королевство коллоидной химии» (aнгл. — surface & interface chemistry), прекрасная дисциплина, которая заполняет «свято место» между молекулярной химией и физическими свойствами объектов реального мира. Классификация конечно условная, но вдруг да поможет понять почему в нынешнем случае нельзя хватать 1D/2D химические факты и экстраполировать их на сложную коронавирусную ситуацию. Традиционно, в очередном лонгриде, постараюсь сначала разбросать, а потом собрать самые интересные «камни» :) Ах, и да…

И здесь же информация для тех, кто планирует использовать материалы статьи в собственных научных и особенно учебных целях. В библиографию вашей работы нужно вписать вот это =>

---

Про мытье и катанье

И ВОЗовская инструкция и множество других документов гласят — мылом смываем загрязнения, дезинфицируем руки антисептиком. Вроде все предельно ясно. Мыло — моет, дезинфектант — дезинфицирует. Но периодически в некоторые горячие (чаще от недостатка образования и желания верить чему-то кроме газет и пабликов в соцсетях) головы крамольная мысль приходит — «А зачем искать антисептик, помою я просто мылом и все».

Начнем с того, что есть вещества, которые влияют на микроорганизмы, а есть вещества которые на них не влияют. Те, которые микроорганизмы уничтожают или останавливают их рост — называются противомикробными агентами. Все противомикробные агенты могут классифицироваться в соответствии с их функциями. Микробиоцидные — уничтожают микроорганизмы, биостатические — замедляют и подавляют их рост. Основными классами микробиоцидных агентов являются:

• Дезинфектанты — неселективные «грубые» химические соединения, которые инактивируют или уничтожают широкий спектр микроорганизмов на инертных, неживых поверхностях. Дезинфицирующие средства действуют, разрушая клеточную стенку микробов или нарушая их метаболизм. Дезинфекцию не стоит путать со стерилизацией, которая уничтожает все без исключения виды микроорганизмов, т.к. например бактериальные споры не всякий дезинфектант в силах повредить. К этой группе относятся спирты, альдегиды, пероксикислоты, фенолы, ЧАС-ы, неорганические кислоты, галогены и т.п.
• Антисептики — такие же, не особо селективные соединения, но которые наносятся на живые ткани/кожу для того, чтобы снизить риск заражения (предотвратить развитие болезни). Некоторые антисептики обладают истинной бактериоцидностью, т.е. микробы в прямом смысле уничтожают, а некоторые являются бактериостатическими, т.е. предотвращают или замедляют рост бактерий. Антисептики, способные дезактивировать или разрушать вирусы, называются вирулицидами (или вируцидами, как кому удобнее). Сюда относятся все те же спирты, хлоргексидин (вспомним и октенидин), раствор Дакина (см. Белизна), медицинская перекись водорода, спиртовая настойка йода, гипохлорит натрия (в ветеринарии) и т.п.
• Антибиотики — достаточно селективные соединения, работающие с узким спектром микроорганизмов, и уничтожающие их внутри организма-носителя (человеческого тела или тела животного). Я думаю примеры приводить излишне, все и так знают, что такое тетрациклин, азитромицин, пенициллин и т.д. Вещества сходного функционала, но селективные к вирусам — называются противовирусными препаратами. Главное их отличие от антибиотиков в том, что противовирусные препараты не уничтожают вирус, они просто препятствуют его развитию. Так же дело обстоит и с противогрибковыми препаратами, противопаразитарными и даже со спермицидами.
• Биоциды — функциональный аналог дезинфектантов, но предназначенный для уничтожения всех форм жизни, а не только микроорганизмов. Это могут быть как химические вещества, так и микроорганизмы. В эту группу входят пестициды, инсектициды, родентициды всякие и даже репелленты+ аттрактанты.

Для всех групп веществ ключевым словосочетанием является «наличие доказанной способности воздействовать на микроорганизмы».

Из-за определения, выделенного мной в абзаце выше, мыло и не попадает ни в один из классов веществ. Т.е. если в каких-то сферических условиях отвар моркови подействовал на золотистого стафилококка — это не повод использовать его для обработки больниц. Хотя можно сказать, что "ситуация с COVID-19" развивалась слишком стремительно, чтобы изучить воздействие мыла". И не важно, что коронавирусы известны давно, как и множество других вирусов с липидными мембранами, для удаления которых никто не советует мыло. Можно вспомнить вирус бешенства, вирус гепатита, вирус Зика, лихорадку Денге, крутой и ядреный вирус Марбург (интересно, что ответили бы работающие с ним сотрудники НИИ Вектор на совет «просто мойте руки мылом!»).

«камень №1» — для ПАВ не принято говорить о микробиоцидному воздействию на микроорганизмы. Есть данные по снижению обсемененности, что вполне укладывается в концепцию мытья рук. Моем ведь чтобы убрать загрязнения. Можем даже оценивать степень очистки. Но не дезинфицируем.

А что там с коронавирусом?

Обозначения: 1- структурный белок (гликопротеин) шипа = «S», 2- структурный белок (гликопротеин) мембраны = «E», 3- поверхностный белок гемагглютинэстераза (HE), 4 — оболочка, 5 — РНК и белковый нуклеокапсид («кармашек для РНК») = «N», 6 — структурный белок (гликопротеин) оболочки =«M»

А с ним вроде как и ничего такого. Картинку прикрепляю для проформы, чтобы напомнить тем кто не знает (а такие есть вообще?) как устроены коронавирусы (в т.ч. и этот ваш SARS-CoV-2, причина COVID-19). В целом это, фактически «шарик жира» из которого выходят белковые отростки разной, хм, длины. Соотношение белков гликопротеинов №6, №1 и №2 = 1:20:300. В среднем частица коронавируса имеет 74 шипа №1. Каждый шип длиной порядка 20 нм. Сам шарик размером 85-100 нм (0,08-0,1 мкм). Коронавирус — это вирус оболочечный (англ. enveloped). Из чего ж эта оболочка/конвертик состоит? Конвертик состоит из т.н. фосфолипидов и сидящих в промежутках между ними белков (1,2,3,6). Фосфолипиды выглядят примерно так:


Слева — фосфолипид, справа он же, но в виде химической формулы

Фосфолипиды — это вещества, которые состоят из полярной гидрофильной «головы» и гидрофобного «хвоста». В случае фосфолипидов «голова» — это отрицательно заряженная фосфатная группа, а «хвост» — цепи жирных кислот, соединено все это добро между собой через молекулу глицерина.


Гидрофобность «хвостов» заключается в том, что они выталкиваются из воды (а гидрофильность «голов» — в том, что они в воду погружаются). Одновременное желание каждого хвоста вылезть из воды приводит к тому, что они формируют некую гребенку-монослой, для минимизации взаимодействия с молекулами воды. Часто доводится слышать слово амфифильность (ранее как-то больше применяли «дифильность») в применении к фосфолипидам. Оно значит что вещество может одновременно проявлять как гидрофобные, так и гидрофильные свойства, в зависимости от ориентации своей молекулы. Такими свойствами обладают поверхностно-активные вещества (ПАВ), многие белки (и пептиды), полимеры.

Благодаря такой, нестабильной в жидких средах, структуре подобные молекулы могут агрегировать с образованием различных надмолекулярных структур (т.н. мицелл, бислоев (двойных слоев), липосом и т.п.). Например липидный бислой (возникает, когда гидрофобные хвосты выстраиваются в линию друг против друга, образуя мембрану из гидрофильных головок с обеих сторон, обращенных к воде (ниже даже можно будет увидеть это все схематически). Форма агрегатов (надмолекулярных структур) зависит от химической структуры поверхностно-активных веществ, а именно от баланса в размерах между гидрофильной головкой и гидрофобным хвостом. Мера этого — т.н. гидрофильно-липофильный баланс (ГЛБ). Несмотря на многие преимущества, шкала ГЛБ не учитывает дополнительные свойства, связанные с разделением зарядов и гидрофильных групп, и не предсказывает поведение веществ в отношении, например, белков. Работают другие механизмы, для которых я тоже нашел место в статье.

Все мембраны, моно- и бислои, липосомы и т.п. — все это образуется и удерживается рядом с друг другом благодаря связям слабым и сверхслабым, нековалентным силам межмолекулярного взаимодействия (в том числе т.н. силам Ван-Дер-Ваальса — дисперсионным силы Лондона/Дебая/Кеезома). Их масштабы можно оценить с помощью картинки (и сопоставить с «мощнейшими» связями, наподобие ионных — как в неорганических солях, металлических — как в металлах, или ковалентных — как в какой-нибудь органике):


Ниже показано, где эти взаимодействия (в частности слабые) можно увидеть в реальной жизни. Лучше всего это иллюстрируется на примере механизма смешивания различных жидкостей (да, жидкости растворяются друг в друге благодаря наличию слабых взаимодействий):


Надеюсь, %USERNAME%, теперь ты запомнишь, что соль растворяется в воде благодаря ион-дипольному взаимодействию, а метанол (да и этанол, чего уж тут) смешивается с водой благодаря образованию водородных связей :)

Липидная оболочка вируса, надмолекулярные структуры из РНК и белков — все это собрано и удерживается вместе только за счет слабых взаимодействий, никаких ковалентных (или, не дай бог, ионных и металлических связей) там и в помине нет. Т.е. молекулы (те же липиды в мембране) "прилипают" друг к другу. Кстати, к поверхностям (и коже) вирус так же крепится за счет водородных связей (ну еще могут быть гидрофильные или липофильные взаимодействия — по сути «растворение», которое возникает тоже благодаря образованию слабых связей — на этом пункте я также подробно остановлюсь).

Система построенная на слабых взаимодействиях — достаточно динамична и гибка. Хрупкая и неустойчивая? Скорее нет, именно динамична и гибка. Весь окружающий нас мир, вся химия интерфейсов (=«коллоидная химия») в отличие от традиционных вещей вроде химии неорганической, или биохимии, строится на привязке НЕ к взаимодействию сильных связей, а к комбинациям связей слабых.

Множество наиболее важных химических и физических процессов на нашей планете происходят на поверхности или границе раздела между фазами (твердое вещество-жидкость, жидкость-газ и т.п.). Граница раздела (англ. interface) — переходный слой между двумя фазами или поверхность касания между объектами. Атомы и молекулы на границах раздела проявляют абсолютно иные свойства, нежели атомы и молекулы в объеме фазы или материала. В связи с этим изучение свойств вещества на границах раздела и возникающих там явлений составляет особую область физики и химии – науку об интерфейсах, поверхностях и молекулярных взаимодействиях (Colloid and Interface Chemistry). Область, для работы в которой необходим широкие знания химии, физики, биологии и сонма смежных дисциплин.

Мыло и коронавирус. Насколько тесна связь?

Попытаемся это выяснить, пока «коронавирус шагает по планете». Объекты эти сосуществуют тысячи лет. Эпидемии шагают, а мыло-моет. Притом моет тысячелетиями.


Первая запись про мыло, как таковое, была найдена в древнем Вавилоне, датируется 2200 г. до н.э. и описывает приготовление мыла из воды, щелочи (из костного пепла) и масла кассии (привычная нам корица). Стоит вспомнить, что и древние египтяне, увлекающиеся купанием, изготавливали мылА из растительных и животных жиров в сочетании со щелочными солями. Известный древнеримский медик Гален в своих работах прямым текстом упоминал об использовании щелочи (=гидроксида натрия) для изготовления мыла.

Первое упоминание о применении мытья рук для медицинской гигиены можно отнести к работам Игнаца Филиппа Земмельвейса — венгерского врач-акушера 19 века, одного из основоположников асептики, «отца методики обработки рук».


Картина «Игнац Земмельвейс моет руки в хлорной известковой воде перед операцией» из книги 2016 года «The Hand Book: Surviving in a Germ-Filled World» (в дословном переводе «Ручная» книга. Выживание в мире микробов"). Фотография Bettmann, Getty

Ну и как то уж так повелось, что самый простой и доступный способ обеспечения чистоты рук — это их мытье. Ну а мыть приходится как — водой с мылом (=«не по Земмельвейсу», он все ж «гипохлоритчик»). В некоторых случаях, кстати, вода (с нужной гидродинамикой — см. раздел Не мылом единым II или Когда гидродинамика важнее ПАВ) может дать неплохой результат. «Внесение мыла в уравнение» позволяет повысить эффективность (но не до «уровня Земмельвейса»). Остановимся на этом «простом, да не простом» объекте подробнее.

Рассказ начать стоит с самого определения. Русская википедия нам говорит что:

Мыло — жидкий или твёрдый продукт, поверхностно-активное вещество, в соединении с водой используемое для очищения и ухода за кожей.

Википедия английская, традиционно, более энциклопедична, и утверждает, что:

Мыло — это соль жирной кислоты, которая в домашних условиях используется для стирки и т.п.

Зато в отличие от русской Википедии, в англоязычном варианте появилась вот такая интересная штука (обведено):


Кажется я знаю, откуда растут ноги «мыло — заменит все антисептики»

В вольном переводе там написано следующее «при мытье с небольшим количеством воды мыло убивает микроорганизмы, дезорганизуя их мембранный липидный бислой и денатурируя белки». Плюс, обратите внимание — никаких ссылок (!), хотя а) во время пандемии и б)для ресурса уровня Википедии ссылки на подобные утверждения как минимум должны были бы быть. Но, ОК, оставим на совести тех, кто это написал (/me вспомнил эпизод из Мr.Robot с созданием фейковой страницы википедистом с высоким рейтингом).

Но опять же, допустим, что так оно и есть. Можно даже ролик ниже посмотреть, чтобы «мыло зашло» :)


Посмотрели? Ну а теперь стоит на этом моменте остановиться подробнее. Меня вообще в последнее время больше всего удивляет то, что даже грамотные специалисты не могут просто сказать «не знаю» и начинают городить чушь с умным лицом. Действительно уж, "...something is rotten in the state of Denmark". И чаще всего, применимо к «мыло vs коронавирус» любят рассказывать про растворение «сферических липидных мембран в вакууме». Надо разобраться с этим, пока «в небольшом количестве воды денатурируются белки» :)

Общепринятое (what?) сейчас мнение гласит, что поверхностно-активные вещества растворяют липидную двухслойную мембрану вирионов, хотя при детальном рассмотрении оказывается, что точный механизм этого действия неизвестен, равно как нет и стройной картины различия эффектов различных ПАВ на различные вирусы в различных условиях. Да что говорить, про вирусы, ПАВ-ы работают даже с мембранами в лабораторной пробирке далеко НЕ по одному механизму. Фактически, сколько ПАВ-ов, столько и механизмов. Логично, что в зависимости от пространственной структуры молекулы могут происходить разные механизмы встраивания в липидную мембрану (а не так как в видео, прям захватили две молекулы «мыла» кусок вируса и понесли наверх, «к Солнцу»). Так и хочется сказать, что "… жизнь она сложнее чем любое, даже самое красочное видео на youtube".

Еще с конца прошлого века, применимо к клеточным мембранам, чаще всего считалось что ПАВ лишают мембрану барьерных свойств за счет увеличения проницаемости. Притом, практически везде оговаривалось, что цитотоксические клеточные эффекты зависят как от абсолютных концентраций, так и от молярных отношений липид/ПАВ. Чаще всего эквивалентные или просто высокие концентрации ПАВ вызывают лизис клеток. Т.е. «накатанный» ответ на вопрос «как ПАВ действует на клетки?» — это нарушение целостности клеточной мембраны и лизис клеток (по сути и то и то можно считать «мембранными процессами»).

Лизис (греч. λύσις «разделение») — растворение клеток и их систем, в том числе микроорганизмов, под влиянием различных агентов, например ферментов, бактериолизинов, бактериофагов, антибиотиков. По сути это разрушение мембраны клетки. В лабораториях молекулярной биологии, биохимии и клеточной биологии клеточные культуры могут подвергаться лизису в процессе очистки их компонентов, таких как очистка белка, экстракция ДНК, экстракция РНК или очистка органелл. <...> Пенициллин и родственные β-лактамные антибиотики вызывают гибель бактерий в результате ферментативного лизиса, который происходит после того, как лекарство заставляет бактерию образовывать дефектную клеточную стенку.

Многие подобные исследования проводились в применении к организму человека, возможно именно из-за них и появляется периодически упоминание о «токсичности ПАВ» (этому я посвятил даже отдельный подраздел Мыло — как «вселенское зло»).

Так как все функциональные возможности ПАВ — зависят от химической природы этих веществ, их концентраций и условий внешней среды, то пока стоит остановиться именно на этом. По крайней мере на тех общих моментах, которые в дальнейшем упростят понимание мембранных проницаемостей/солюбилизаций/мицеллообразований и т.д. и т.п.

ПАВами можно считать любое вещество, которое влияет на поверхностное натяжение (для тех, кого такая формулировка не устроит — предложу «вещество, которое адсорбируется на границе раздела фаз»), а ПАВами в плане «мыло» (=«коллоидные» или «мицеллярные») можно считать только те вещества, которые способны образовывать мицеллы. Низкомолекулярные спирты, амины и кислоты с небольшой длиной углеводородного остатка (менее десяти групп — CH₂ — ) вроде как ПАВ могут считаться, да вот моющими свойствами не обладают, не мицеллярны-с. Так что в статье разговор больше про ПАВ, которые способны мыть.

Существует много различных разновидностей таких ПАВ, «нормируемых» по тому, какой заряд несет на себе их гидрофильная «голова» (и несет ли она его вообще):


Анионные = отрицательный заряд, катионные = положительный заряд, амфотерные (или цвиттер-ионные)=± в зависимости от рН среды, неионогенные = 0. Рекомендую это определение «в душу заронить», т.к. оно еще пригодится.

Как их отличать? По названию. Оно состоит, как правило из названия углеводородного «хвоста» (обозначим его ~...~) и названия гидрофобной «головы» (...). Углеродный остаток ~...~ может определяться либо общим словом "алкил", либо более конкретным вроде «додецил-» и т.п. К анионным относятся привычные отечественному уху названия веществ состава: ~алкил~ + (сульфаты)/(сульфонаты)/(карбоксилаты)/(фосфаты), вроде алкилбензолсульфоната натрия, лаурилсульфата натрия, лауретсульфат натрия, стеарата/пальмитата натрия, олеата натрия, алкилсульфосукцината натрия, алкилсаркозинат натрия, перфтор(алкил)аты и т.п. К катионным ПАВ относятся все четвертичные аммониевые соединения (ЧАС), cостава ~алкил~ + (соль аммония)/(соль пиридиния)/(соль имидазолиния), вроде бензилдиметиламмония хлорид, цетилпиридиния хлорид, октенидина дигидрохлорида и т.п. К неионогенным относятся вещества состава: ~алкил~ + (жирный спирт)/(этоксилаты)/(этоксилированный жирный спирт)/(глюкозид). В качестве примера можно привести этилэтоксилаты, отечественные неонолы/синтанолы/оксанолы/олеосы/стеароксы, спаны, твины, синтамиды, известные еще со времен СССР-овской гражданской обороны ОП-X (где X=4/7/10). Ну и наконец к амфотерным (или цвиттер-ионным) ПАВ относятся вещества, которые в водных растворах (в зависимости от значения рН среды) действуют по-разному — в кислом растворе проявляют свойства катионных ПАВ, а в щелочном растворе — анионных ПАВ. В синтетических амфотерных ПАВ катионная часть — это амины или четвертичный аммоний, а анионная часть — сульфонаты или карбоксилаты. В природных амфотерных ПАВ чаще всего работает комбинация фосфата с амином. Примеры синтетики — алкиламинобетаины, алкиламфоацетат натрия, гидросилтаин. К природным относятся все фосфолипиды, о которых мы сегодня говорим (фосфатидилсерин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилхолин=лецитин, сфингомиелины), белки, пептиды и т.д. и т.п. Все ионогенные ПАВ после ионизации в растворе образуют поверхностно-активные ионы, неионогенные ПАВ не диссоциируют, поверхностной активностью обладает вся молекула.


Применимо к вопросам повреждения мембран с помощью ПАВ чаще всего вспоминают такую вещь как ККМ или в CMC (спанбонд-мельтблаун-спанбонд...) в английском варианте. ККМ она же критическая концентрация мицеллообразования — это такая концентрация ПАВ, при которой индивидуальные молекулы ПАВ начинают самоорганизовываться в т.н. мицеллы.


При низких концентрациях поверхностно-активные вещества образуют истинные растворы. Истинный раствор, это например, раствор чая/сахара в стакане, т.е. никаких там структур не образуется. С ростом концентрации и приближением к ККМ начинают формироваться надмолекулярные структуры из мицелл и истинный раствор переходит в коллоидный (или мицеллярный). Выше ККМ весь избыток ПАВ находится в виде мицелл. При очень большом содержании ПАВ в системе вообще образуются жидкие кристаллы (т.н. лиотропные мезофазы) или гели.


При разбавлении раствора мицеллы распадаются, а при увеличении концентрации ПАВ вновь возникают. т.е. все обратимо. Понимание, что такое ККМ в применении к ПАВ настолько же важно, как и понимание, что такое температура в применении к бане, например. Но в отличие от температуры, которую измеряет любой копеечный термометр, значения ККМ для каких-то определенных поверхностно-активных веществ найти и определить не так-то и просто. Некоторая справочная информация для расчетов есть здесь или здесь. По последней ссылке и таблица ККМ, которую я принес хабра-читателю и спрятал под спойлером.


В целом, ККМ может еще и выступать в роли некого субъективного критерия для оценки эффективности ПАВ («что лучше будеть мыть»). Хотя в случае поверхностно-активных веществ сложно сказать которое лучше, которое хуже. Чаще всего здесь оперируют несколькими комплексными критериями сравнения, вроде:
— Чем ниже ККМ, тем лучше ПАВ может самоорганизовываться с образованием мицелл, а значит тем меньше вещества понадобится для взаимодействия с гидрофобными соединениями
— Чем лучше снижается поверхностное натяжение на границе воздух-вода — тем лучше поверхностно-активные вещества могут упаковываться на границе раздела воздух-вода (ориентируя углеводородные цепи в направлении воздуха и гидрофильные группы в направлении водной фазы)
— Насколько хорош эффект эмульгирования (= насколько хорошо ПАВ стабилизируют не смешивающиеся в обычных условиях смеси воды (гидрофильное) и масла (гидрофобное) в виде микроскопических капель одной жидкости в другой). Чем выше эта способность, тем легче будет отмываться жир.


Одним из обширных «белых пятен» современной химии интерфейсов можно считать отсутствие систематических исследований, которые бы затрагивали широкий спектр ПАВ в применении к изучению какой-то характеристики (=иначе сложно экстраполировать). Как правило, принято возиться с чем-то одним. Связано это с тем, что ККМ, а значит и связанные с этим параметром механизмы мицеллообразования и эффективности ПАВ, они очень чувствительны и к температуре, к ионной силе раствора, к рН. Поэтому если в «мире лабораторном» еще кое-как исследование можно привести к общему знаменателю, то в случае масштабирования на мир реальный (= «чем руки мыть от коронавируса») построить какие-то объективные прогнозы поведения ПАВ практически нереально — слишком многофакторная нужна оценка. Поэтому выхватывать информацию из научных статей и проецировать ее на мира обывателя, это как минимум глупо, а как максимум, дарит этому самому обывателю чувство ложной безопасности.

Растворы, содержащие только ПАВ/только один вид ПАВ, слабо проявляют некоторые коллоидно-химические свойства, например, характеризуются слабой пептизирующей способностью (= способностью к дроблению загрязнений), оказывают недостаточное стабилизирующее действие и не предотвращают вторичное оседание частиц ну и т.д. и т.п. в зависимости от условий будет __вписать__нужное__. Вспомнить можно известный многим пример серьезного недостатка обычных жировых мыл, когда ионы магния, кальция и других многовалентных металлов образуют с анионом мыла нерастворимые соли, не обладающие поверхностной активностью. Обычное мыло плохо моет в «жесткой» воде и совсем не моет в морской. Понимая это, сложно даже думать о том, насколько эффективно удаляются вирионы, разобраться бы с простыми загрязнениями…

«камень №2» — все наработки, связанные с «ПАВ разрушает липидные мембраны» относятся только к лабораторным исследованиям. Там, где модельные системы из чистых ПАВ, с известной концентрацией, с конкретными чистыми липидами. С контролируемой температурой, рН. И при всем этом, до сих пор нет единого мнения о механизмах взаимодействия и нет сравнения этих механизмов для ПАВ различной химической природы. Кто из вас, намыливая руки куском мыла, задумывался над тем, какова концентрация молекул ПАВ в образующемся растворе? А равняться ведь хочется на какие-то примеры из статей и препринтов, где зачастую эти самые концентрации известны с точностью до четвертого знака после запятой...

---

Если же прекратить философские рассуждения и вернуться к проницаемости мембран (изученной в лабораторных условиях), то в целом, да, можно сказать, что поверхностно-активные вещества могут делать липидную мембрану пористой и проницаемой. Но не всегда, и не все. Только с «высоты» школьной химии кажется, что все взаимодействия между молекулами просты и незамысловаты. На самом деле в этом мире много нюансов.

Так же и в случае с проникновением ПАВ в липидную мембрану коронавируса. Наверное, мало кто сможет представить (без учета «зомбирующего» видео, ссылку на которое я привел в начале статьи) КАК на самом деле молекулы поверхностно-активного вещества «помещают свое тельце» в промежутки между липидами мембраны вируса. Забегая вперед скажу, что технически это похоже на попытки спешащего пассажира втиснуться в переполненный вагон метро.

Кроме того, от адептов «мыла хватит для всего!» я часто слышу формулировку «ПАВ делают мембрану более пористой». Ок, даже если и делают, то почему не задать себе вопрос «делают за какое время?», «не обратима ли эта пора в биологической, склонной к „самозалечиванию“ системе?» и т.п. Даже тот же мыльный пузырь — плотно упакованные рядом друг с другом молекулы ПАВ — лопается, когда образуется прореха и молекулы теряют «ощущение дружеской руки» и не в силах себя самозалечить. То, как выстроены молекулы ПАВ, играет одну из важнейших ролей в процессе изменения коллоидного состояния любой надмолекулярной структуры. А то, каким будет «строй», связано с параметрами упаковки молекул.

Впервые на это обратил внимание в конце 70-х годов прошлого века коллоидный химик Джейкоб Н. Израелашвили, который даже ввел в научный обиход такую вещь, как критический параметр упаковки ПАВ (Р). Параметр этот позволял предсказывать форму и размер мицелл. Применимо к нашим вирусным мембранам, именно от формы зависит и то, насколько эффективно ПАВ сможет формировать новые надмолекулярные агрегаты с участием «запчастей» от вириона. "Мицеллы ПАВ не нужны, но они ими (ПАВами) желанны". Даже на упомянутом видео из начала статьи, ПАВ внедрялись-внедрялись в липидную мембрану, да все без толку, вирион «лопнул», только когда куски оболочки начали попадать в шарообразные мицеллы (!), а мицеллы должны были бы сформироваться при концентрациях близких к ККМ.



«дьявол кроется в монослоях» и все необычные свойства объектов образовавшихся с помощью ПАВ обязаны тому, что молекулы этих веществ могут выстраиваться плотными рядами.


Логично предположить, что более плотная упаковка будет там, где либо все одинаковой геометрии, либо геометрия взаимодополняющая (как «спать валетом»). Геометрия = некая пространственная форма молекулы. На картинке ниже показаны такие формы для некоторых поверхностно-активных веществ.



Как ясно из приведенных картинок, в зависимости от формы могут образовываться различные виды надмолекулярных агрегатов, изгибающиеся либо внутрь, либо вне. В отношении к мицеллам ПАВ в водном растворе «изгиб» слоя выстроенных рядом друг с другом молекул принято называть «спонтанной кривизной» и он находится в прямой зависимости от критического параметра упаковки для индивидуальной молекулы. Поверхностно-активные вещества с большой положительной спонтанной кривизной (большая головная группа и маленький хвост) будут образовывать агрегаты с положительно (наружно) изогнутым «интерфейсом». Ясно, что введение таких конусов в липидный бислой, который практически не имеет реальной кривизны (=состоит из цилиндрических молекул) будет вызывать напряжения. Для модельных систем с чистым ПАВ уровень вызываемых в мембране напряжений будет зависеть не только от химического состава молекулы, но от порядка и подвижности функциональных групп, гидратации, имеющихся в наличии водородных связей, дипольных и электростатических взаимодействий.

На рисунке ниже показаны механизмы работы ПАВ на примере различных липидных образований и изменений кривизны, вызванной упомянутыми выше напряжениями:



Многие «эксперты», говоря про влияние ПАВ на липидные мембраны, основываются на допущении, что а) все ПАВ работают в любых условиях однотипно и б) не учитываются никакие геометрические эффекты. В таком случае, действительно, можно сказать, что встраивание ПАВ в липидную мембрану приведет к а)истончению мембраны и снижению ее механической стабильности а то и к б)лизису мембраны и утечке содержимого.

А если же так НЕ считать, то окажется, что в некоторых случаях и при некоторых комбинациях фосфолипидов и ПАВ может происходить вообще обратный процесс — т.е. мембрана будет становиться крепче («коронавирус — живучее»). В роли такого примера могут выступать неионогоенные ПАВ, которые внедряясь в бислои укрепляют их. Грешат таким и природные ПАВ — сапонины (о них ниже). Проникновение сапонинов в липидную мембрану увеличивает ее эластичность и упругость (относительно некоторых синтетических ПАВ). Длинная и интересная история, погрузиться в которую (если силы такие в себе чувствуете, хэхэ), можно в статье из журнала Biochimica et Biophysica Acta (BBA) — Biomembranes :).

«камень №3» — эффективность мембрано-разрушающего действия ПАВ зависит как от типа липидов в мембране, так и от типа самого поверхностно-активного вещества. Большую роль играет фактор кривизны образующихся после внедрения ПАВ в липидный слой агрегатов. При определенных условиях липидная мембрана не только не разрушится, а даже станет крепче.
Ситуация напоминает колку дров: бывают огромные колоды, которые расколоть топором сложновато и для этой цели в деревяшку загоняют клинья. Если сравнить форму некоторых фосфолипидов и соответствующих ПАВ-ов — становится ясно, что клинья может понадобится забивать очень много и долго (например, в сочетании фосфатидилхолиновый липид+ПЭГ, или лизолецитиновый липид+моноолеин, или фосфатидилэтаноламиновый липид+лаурилсульфат натрия. Здесь нужно либо очень много клиньев, либо использование клина огромного размера, а значит «опять нужен НИОКР».

Блиц-вопрос: «из каких именно фосфолипидов состоит оболочка коронавируса?» :) Задавать его можно всем, кто говорит что «мыло растворяет липидную оболочку».

---

Помимо факторов кривизны, описанных выше, есть еще и свои нюансы в типе взаимодействий. До сих пор толком не установлено, каков он. Например, в работе авторы попытались очень изящно (на мой, швеи-мотористки, взгляд) оценить механизм взаимодействия вируса гриппа и его липидной оболочки с различными ПАВ используя для этого методы микрокалориметрии (прим. — изотермическая титрационная калориметрия (ITC) используется для изучения связывающих свойств биомолекул и позволяет напрямую измерить тепло, которое выделяется или поглощается в процессе связывания биомолекул) и изменение энтальпии (ΔH) модельной системы вирус-ПАВ. Делается все это с помощью микрокалориметра вроде такого, как на фото


Отрицательные и положительные значения ΔH указывают на экзотермические и эндотермические взаимодействия соответственно. Экзотермическое взаимодействие (с выделением теплоты) = образование новых водородных связей (как спирт, который разогревается при растворении в воде) => электростатическое взаимодействие. Эндотермическое взаимодействие (с поглощением теплоты) — это процесс с увеличением энтропии = гидрофобное взаимодействие => взаимодействие ПАВ с липидной мембраной.

Система вирус-лауретсульфат натрия (LES) дала положительную ΔH, что указывает на гидрофобное взаимодействие между LES и вирусными частицами, т.е. действительно говорить о влиянии на липидную мембрану можно. В то же время системы вирус-лаурилсульфат натрия (SDS) и вирус-олеат натрия (C18:1), дали отрицательные значения ΔH, а значит взаимодействия там электростатические, между молекулами ПАВ и вирусными частицами, а никак не «растворение мембраны». Притом абсолютное значение энтальпии для олеата натрия было намного выше, чем для лаурилсульфата натрия (= «олифа» притягивает вирус гораздо сильнее). Т.е. «прибор говорит», что ПАВ взаимодействует с мембраной только в случае лауретсульфата натрия. Таким образом, среди трех поверхностно-активных веществ повсеместно распространенный лауретсульфат натрия показал самый слабый антивирусный эффект. Авторы резонно считают, что эффективность инактивации вируса гриппа путем «растворения липидной мембраны» недостаточна даже чтобы предотвратить заражение вирусом гриппа. Что ж про коронавирус говорить тогда.

Важной информацией является тот факт, что имеет место быть электростатическое взаимодействие между отрицательно заряженными «головами» SDS и C18:1 и положительно заряженными поверхностным белком («шип») вируса гриппа. Гидрофильные группы упомянутых ПАВ адсорбируются на белке за счет электростатики и тем самым инактивируют вирус. Но как я уже говорил выше, для электростатических взаимодействий существует слишком много ограничений, чтобы метод этот можно было уверенно масштабировать для практического применения (и вывести за рамки «интересного лабораторного опыта»).

В этой же статье авторы обращают внимание на то, что при оценке «противовирусной» активности ПАВ очень важно сравнивать химическое строение. Например, у SDS гидрофильная группа — сульфоновая, у C18:1 — карбоксильная. Т.е. у SDS большой ионный радиус, у C18:1- меньший. Это говорит о том, что олеат натрия будет гораздо слабее отталкиваться от вирусной оболочки чем SDS, а значит налицо меньше стерических препятствий и молекула быстрее достигнет поверхности вириона.

Для понимания, что такое стерическое препятствие, я сделал небольшой коллаж из вирионов (без сохранения масштаба). Думаю глядя на него понятно, насколько различными могут быть поверхности и как тяжело будет молекуле пробиться к мембране. «Болванки» взяты из базы данных вирусных частиц Virus Particle Explorer, за что ей отдельная благодарность.


На мой взгляд очевидно, что для ПАВ одинакового размера, в одинаковых условиях, подобраться к липидной мембране и вступить с ней в контакт гораздо проще в случае, например, папилломавируса, чем в случае вириона ротавируса, с его плотно выставленными щитами белковыми шипами.

Так что вполне резонно будет отметить, что электростатический эффект является более предпочтительным в случае инактивации вирусов через мыло (в противоположность эффекту «разрушения липидной мембраны»). Кроме того, это чрезвычайно быстрый процесс (относительно липофильных взаимодействий, с их внедрением ПАВ в мембрану, изменением кривизны и т.д. и т.п.). Но одновременно с этим стоит и отметить то, что достаточно большую роль в электростатических взаимодействиях занимает ионная сила раствора, его pH и даже валентность ионов, находящихся в растворе. Если в лабораторных условиях скорее всего используется деионизованная вода и контролируется рН, то в случае рассмотрения бытовой ситуации всего этого в наличии не будет. Отдельно можно придраться к вопросу связывания ПАВ с поверхностными белками. Свяжется оно с любыми белками, а не только с коронавирусными (см. раздел Не мылом единым I или «Подумай на чем сидит твой вирион»).

«камень №4» — В вопросе взаимодействия ПАВ с микроорганизмом необходимо учитывать тип этого самого взаимодействия. Электростатическое оно, или гидрофильное. Плюс ко всему важным (особенно в случае мытья рук) является вопрос стерических препятствий «на пути мыла к мембране». Большая молекула будет добираться к мишени дольше, а то и вообще не доберется.

Ремарка про накожный жир и спиртовой антисептик

Кстати, вот жир же — неплохой «антисептик». Да и масло подсолнечное пока еще в магазинах есть, в отличие от спирта. Не спи, братишка ;) Так что какое-то из очередных поветрий в соцсетях (а там пользователи периодически бегут то за туалетной бумагой, то за подсолнечным маслом, то за «гречка от коронавируса») может оказаться достаточно недалеко от истины.

Тот, кто дочитал статью до этого раздела, скорее всего уже понял, что по сути, вирион коронавируса — это жировой шарик. Ну а жировой шарик по золотому правилу химии («подобное растворяется в подобном») будет смешиваться с липофильными веществами, в т.ч. например с жировыми выделениями кожи. Даст ли это какой-то весомый вирулицидный эффект — сказать сложно. Но к примеру в статье авторы упомянули о том, что по непонятным им причинам естественный жировой слой кожи у некоторых людей может оказывать бактерицидный эффект на вирус гриппа H1N1. Но это у некоторых. Всем остальным скорее всего это не грозит…

Что происходит в процессе мытья рук? Например, простой водой. Вода со своими водородными связями могла бы смыть вирус, если бы он крепился _только_ водородными связями. Но он «липкий» (как жир) и держится за счет липофильных взаимодействий (т.е. жир растворяется в жиру). Как сработает добавка ПАВ — см. ранее, а вот на действии спирта остановлюсь подробнее, благо механизм достаточно интересный, «жизненный».

Как я уже говорил в начале статьи (раздел про нековалентные связи), фосфолипиды свою надмолекулярную структуру (бислой) образуют за счет слабых взаимодействий. А значит, каждый из них «свобода одного заканчивается там, где начинается свобода другого», т.е. фосфолипиды могут двигаться внутри своего слоя.


Молекулы липидов в бислое находятся в постоянном движении, какие-то вращаются вокруг своей оси, какие-то перемещаются, «кувыркаясь» с одной стороны мембраны на другую (это т.н. поперечная (трансверсальная) или триггерная диффузия), или плавают по одной стороне мембраны (от центра к краю, например). Реже всего имеет место поперечная диффузия, потому что кувырок требует больших затрат энергии, не каждый фосфолипид может нырнуть сквозь бислой. Чаще всего имеет место поступательно-качательно движение («дрожание»), что, кстати, на видео в начале статьи режиссеры достаточно верно показали. Активность молекул фосфолипидов в мембране (=насколько они неспокойны) определяет такую вещь как текучесть мембраны, т.е. чем выше текучесть, тем более подвижны и склонны к побегу составные части нашего слоя.

Спирт, как я уже говорил, является более полярным, чем вода, а значит с жирами взаимодействует лучше, липофильнее (неспроста ж им обезжиривают поверхности). Т.е. и в мембраны проникает он без проблем (в т.ч., кстати, и в мембраны головного мозга, гематоэнцефалический барьер ни по чем ;) ).


Попадая в бислой, этанол за счет слабых межмолекулярных взаимодейтсвий прикрепляется к фосфолипиду и выступает как этакий противовес, который молекулу перекашивает. На фото ниже показаны две молекулы этанола (синего цвета), образующие водородные связи с молекулой фосфолипида («спирт бьет сразу в голову»).


А где перекос — там и усиление поступательно-качательного движения, у молекулы появлятся «люфт» (совсем как у руля в Жигулях). А где люфт, там и «руль выскочил из рулевой колонки». Увеличение подвижности приводит к неупорядоченному состоянию бислоя, увеличению текучести, а значит и проницаемости. Если спирта достаточно много — мембрана просто в нем расплывется. Главное отличие спирта от ПАВ в его маленьком размере. Для него практически не существуют стерических препятствий, проникает легко и всюду. Поэтому иногда в биохимии при работе с вирусами используются т.н. S/D-подход (solvent/detergent = растворитель/ПАВ). Растворитель повышает текучесть и проницаемость мембраны абсолютно так же как и ПАВ, да и денатурирует похоже, раскручивая структуру за счет разрушения водородных связей (см. ниже).

Как ясно из всего вышесказанного, есть принципиальная разница между «инактивацией вируса» и дезинфекцией. Спирт, как и ПАВ, по сути, лишь выключает (?) некоторые функциональные элементы. А та же перекись водорода элементы эти необратимо повреждает. Т.е. мы как бы сравниваем событие с вероятностью «иметь место быть» в 1% и такое же событие с вероятностью в 99%. Мне лично сложно понять людей, которые между минимальной и максимальной эффективностью чего-то выбирают минимальную, потому что «времени не хватило/денег нету», полагаясь на «авось пронесет» и сработает. По закону Мерфи «если какая-нибудь неприятность может случиться, то она обязательно случится», поэтому перфекционизм в отношении собственной биологической безопасности никогда не будет излишним.

Ремарка про денатурацию белков

После того, как с липидными мембранами рассчитались, пришло время черкануть пару слов и про денатурацию белков (=узнать по праву ли английская википедия запросто ставит эти вещи на одну планку).

Денатурация белков (лат. denaturatus — лишённый природных свойств; от de- — приставка, означающая отделение, удаление + natura — природа, естество) — изменение нативной конформации белковой молекулы под действием различных дестабилизирующих факторов. Аминокислотная последовательность белка не изменяется. Приводит к потере белками их естественных свойств (растворимости, гидрофильности и др.). Процесс денатурации отдельной белковой молекулы, приводящий к распаду её «жёсткой» трёхмерной структуры, иногда называют плавлением молекулы.

Денатурация белков ПАВами — это достаточно сложный процесс, протекающий в несколько этапов, и по-разному для разных типов поверхностно-активных веществ. Для ионных ПАВ (как катионных, так и анионных) до какого-то уровня концентраций вообще не наблюдается каких-либо конформационных эффектов (=«нет влияния на распределение водородных связей внутри белка и каких-либо нарушений третичной/четвертичной структуры~денатурации). Затем на начальных стадиях денатурации молекулы ПАВ за счет электростатических и гидрофобных взаимодействий начинают цепляться к аминокислотным остаткам. Для анионных (вроде того же SLS) это катионные боковые аминокислотные цепи (аминокислоты Lys, Arg, His), для катионных (ЧАС-ы например) взаимодействие идет по анионным боковым цепям (аминокислоты Glu, Asp). Но и в том и в том случае углеводородные „хвосты“ ПАВ будут связываться с близлежащими гидрофобными участками белка. Опять же, этот механизм применим только для модельной системы (например, белки в биохимической лаборатории) где известны концентрации, ионная сила раствора, нет мешающих и конкурирующих компонентов и т.п.

Когда все контактные зоны уже заполнены ПАВ (=«при высоких концентрациях»), накопление все большего количество молекул поверхностно-активного вещества уже может привести к образованию „кластеров“, которые начнут разворачивать глобулярную структуру белка как клинья. Дальнейшее повышение концентрации ПАВ в конечном итоге позволит каждому белку образовать отдельный кластер. Потом останется обычным центрифугированием разделить белки в соответствии с их молекулярной массой. Скорость денатурации растет вплоть до ККМ, а потом выходит на плато. Т.е. в этом случае ПАВ работает как классический химический денатурант.


В качестве наглядного пособия может служить статья, в которой показан механизм действия разных классов ПАВ на белок (на примере альфа-лактальабумина, важного белка сыворотки коровьего молока).


Исследователи с помощью все той же микрокалориметрии (ITC) подтвердили то, что молекулы ПАВ связываются с белками поэтапно. При очень низких концентрациях (<0,1 мМоль) никакого значимого влияния не наблюдается (фаза 0). Фазы 1 и 2 сопровождаются повышенным поглощением молекул ПАВ, а также изменениями как во вторичной, так и в третичной структур белка. С ростом концентрации поверхностно-активного вещества внутри белка постепенно начинают образовываться кластеры. По достижению ККМ образуются мицеллы (происходит это в несколько этапов для анионного ПАВ, и сразу – для неионного ПАВ). Только в пост-ККМ состоянии и наблюдается денатурация. Важно то, что для неионогенных и амфотерных ПАВ специфического связывания с белком не наблюдается вообще, вплоть до концентраций уровня ККМ. Т.е. наблюдается фундаментальное отличие между денатурирующей способностью разных классов ПАВ (= «не все мыло одинаково полезно»). Можно сказать, что в случае ионных ПАВ наблюдается различная динамика связывания (но она хотя бы есть!) для мономерной (ниже ККМ) и мицеллярной (выше ККМ) форм существования ПАВ в растворе, а для неионных важен момент начала процесса мицеллообразования, ибо только после его начала начинает наблюдаться взаимодействие со структурой белка. Если говорить простыми словами – ионные пав могут взаимодействовать с протеинами в любой форме, неионогенные и амфотерные – только в форме мицелл, а до образования мицелл их еще нужно соответствующим образом довести (и не растерять по дороге).

Универсальный совет: если решил, что мыло заменит все дезсредства, то для начала а)узнай, что за состав мыла б)прикинь, сколько нужно мылить для ККМ (=сколько часов надо мылить)

Кстати, денатурирующая способность ПАВ по отношению к белкам — это, в некотором роде, взаимоисключающая позиция по отношению к липидам. Взаимоисключающая потому, что «ПАВ расходуются на белки, а для липидов их уже не хватает», следовательно, придется выбирать что-то одно. Некоторым подтверждением сказанного выше может быть и статья, в которой рассмотрен механизм действия ПАВ Triton X-100 на вирус гриппа. В работе использовался 1% об./об. раствор (17 мМоль), в котором концентрация ПАВ значительно выше критической концентрации мицелл (от 0,2 до 0,9 мМоль). В статье авторы указывают, что поскольку критическая концентрация мицелл Triton X-100 зависит от температуры, а полная солюбилизация этого ПАВ при данной концентрации зависит от количества мембран и белка в растворе, то следует адаптировать условия под конкретный метод и конкретную систему (температура/параметры водной среды/продолжительность обработки). Использование систем с более высоким содержанием белка или липидов отрицательно влияет на инактивацию и требует постоянного увеличения концентрации ПАВ.

Важное замечание: все рассуждения (в том числе и мои в этой статье) построены на допущении о том, что денатурация происходит так-то и так-то, тем-то и тем-то (ну или не происходит) в случае растворимых в воде белков. Я не встречал обсуждения эффективности денатурирования поверхностных мембранных белков с помощью ПАВ. С одной стороны вроде бы как здравый смысл (=мнение «одномерного» химика) говорит о том, что все легко должно масштабироваться. Да вот «коллоидный химик во мне» напоминает, что для мембранных белков необходимо рассматривать кучу всего, вплоть до пространственных экранирующих эффектов. А значит, скорее всего будет как с «ПАВ — клинья для липидов». Короче, тема ждет своих исследователей, мое дело предупредить (=«а я не надеюсь что мыло уничтожит коронавирус, я пользуюсь гипохлоритными салфетками, ага»)


Для пущей объективности все же стоит отметить, что помимо влияния не нековалентные взаимодействия, ПАВ иногда могут катализировать и образование новых ковалентных («сильных» связей, в соответствии с классификацией в начале статьи). В качестве примера этой НЕхарактерной особенности можно, например, упомянуть кислотный гидролиз амидных и пептидных связей (при pH ниже 3,0 и температуре >37 ° C). Т.е. никаких там надмолекулярных структур, все просто и грубо. Сильнокислая среда, температура «горячечного состояния»...Вполне повседневные условия :)

---

Отдельно хотелось бы сказать про денатурацию белков спиртом. Я вообще не понимаю, как у кого-то язык повернулся сказать «мыло денатурирует белки лучше спирта». Такого маленького, милого, быстрого, везде проникающего :). Хотя принципиально механизм одинаков — все тот же разрыв водородных связей и «расклинивание» структуры белка.


Для наглядности — картинка из VirtualChembook. На ней видно, что водородная связь образуется между различными аминокислотами. В случае контакта со спиртом (похоже, кстати, будет действовать и ацетон, и диэтиловый эфир и еще много чего, но спирт самый биогенный, «народный») межмолекулярные водородные связи разрушаются. Аминокислоты связываются уже с молекулами спирта, а не с друг другом. И так лавинообразно белок теряет свою структуру, а с ней и функционал (=денатурирует).

«камень №5» — «мыло денатурирует белки» — только в лабораторных условиях. Здесь ситуация полностью повторяет написанное для п №2. Огромные концентрации, чистые водорастворимые (=НЕ поверхностные) белки… И бонусом возможность ренатурации :). Сравнивать денатурирующую способность по отношению к белкам между спиртом и мылом — верх самонадеянности (и недальновидности тех, кто это советует делать).

Мыло — как «вселенское зло»

«Всё — яд, всё — лекарство; то и другое определяет доза»
Парацельс

Было бы глупо считать, что раз мыло (и ПАВ) потенциально способно «создавать прорехи» в клеточных мембранах, то мембраны самого человека эта участь не постигнет. Постигнет, да еще как. Почему? А потому что внутри нашего организма тоже липидный бислой. И бислой этот состоит из абсолютно таких же фосфолипидов, как и у бактерии кишечной палочки или коронавируса (ну ладно, не абсолютно таких же, небольшие химические отличия есть, но они не критичны в применении к миру тонких взаимодействий).

Чаще всего от ПАВ страдает кожа, так как именно кожа первой контактирует с различными моющими средствами. Можно и зубную пасту с SLS вспомнить, слизистая оболочка рта «впустит поверхностно-активные вещества» в свои мембраны гораздо быстрее чем грубая ороговевшая кожа сварщика. Кстати, относительно кожи, эффект раздражения/разрушения усиливается в ряду неионогенные ПАВ->амфотерные ПАВ->анионные ПАВ->катионные ПАВ (пруф). Т.е. наиболее ядреными являются всенароднолюбимые ЧАС-ы.

В статье авторы определили ингибирующие концентрации нескольких технически значимых поверхностно-активных веществ для кератиноцитов.

Кератиноциты – основные клетки эпидермиса кожи человека (составляют примерно 90 % всех клеток эпидермиса).

Проверяли лаурилсульфат натрия (SLS), лауретсульфат натрия (SLES), кокоамфоацетат натрия (SCAA), кокамидопропилбетаин (CAPB) и лаурилгликозид/кокогликозид, т.е. все то, что встречается в 99% косметических средств и средств по уходу за кожей. В результате оказалось, что применение ПАВ изменяет уровни экспрессии для ферментов, участвующих в биосинтезе мембранных компонентов, таких как холестерин, керамиды и жирные кислоты. Используя ПАВ мы лишаем свою кожу важных барьерных функций. А в статье исследовали конкретно рассмотрели влияние ПАВ на жиры рогового слоя.

Если говорить про частности, то у людей анионные ПАВ чаще всего приводят к дерматитам (доп.инфо), или т.н. афтозным язвам, аля афты/стоматиты и т.п. (доп.инфо). Из-за высокой молекулярной массы и, соответственно, слабой адсорбции в кишечнике, получить острое токсическое отравление вроде как тяжело, но вполне реально появление неких хронических эффектов за счет получения и накопления ПАВ из питьевой воды, моющих средств, зубной пасты и пищи.

Кстати, если уж говорить про токсичность ПАВ, то можно вспомнить и про токсичность сапонинов (тех самых, которые способны «укреплять коронавирус», о чем было упомянуто ранее):

«камень №6» — было бы странно считать, что то, что растворяет липидные мембраны в микроорганизме не будет их растворять/делать более проницаемыми в организме-носителе (=человек). Страдать будет в первую очередь кожа. Во-вторую — ЖКТ, так как смывать ПАВ нужно еще уметь, и они все равно попадают вместе с пищей. Ладно бы для мембран кишечника это будет «укус комара» (если не пить фэйри), а вот для мембран микробиоты — даже небольшое количество ПАВ может стать фатальным (под спойлером «для эко-активиста» я привел пример размаха работы далеко не самого «химозного» ПАВ). А микробиота — это ваш иммунитет (см. мою статью Заметки фитохимика. Зеленый банан, или Не забудь покормить микробиоту)

Не мылом единым I или «Подумай на чем сидит твой вирион»

На сегодняшний день считается, что важный нам коронавирус распространяется при непосредственном контакте, на фомитах, а также при помощи воздушно-капельного пути (через биоаэрозли, которые образуются при кашле, чихании и разговоре).

Фомиты (англ. fomites) — любые предметы, контаминированные патогенными микроорганизмами или другими паразитами, при соприкосновении с которыми возникает риск заражения. Типичными фомитами являются одежда, поверхность кожи, волосы, а также постельные принадлежности в медицинских учреждениях.

Чаще всего некий «сферический обыватель в вакууме» боится того, что кто-то чихнет или будет кашлять и аэрозоль с вирионами полетит и осядет на этом самом обывателе. А потом «тактильный контакт=>заражение=>PROFIT!!!».

Выживаемость микроорганизмов на фомитах (да и на руках тоже) определяют несколько факторов:

1) характеристики фомита (особенности поверхности, пористость и т. п.);
2) внешние факторы (температура и влажность среды).
3) характер и частота контактов с фомитом

Здесь самый интересный (и самый слабо изученный в плане механизмов) пункт — это «поверхностные характеристики фомита». В этом кстати и заключается одна из задач моей статьи — привлечь внимание к «интерфейсам», вместо вездесущего акцента на «новостях от врачей»…

ОК, продолжим. Итак обсеменение поверхностей (фомитов) может происходить в том числе и благодаря оседанию биоаэрозолей. Ведь если посмотреть более прецизионно, то окажется, что слюна (или другая биологическая слизь, ну вы поняли) состоит из различных электролитов (натрия, калия, кальция, магния, бикарбонат- и фосфатов-ионов) + иммуноглобулины, белки, ферменты, муцины и азотистые продукты (мочевина и аммиак). Т.е. при чихании вылетают не только вирионы, но и куча органических соединений, в основном белковой природы. Наиболее интересным объектом являются именно муцины. Они к тому же являются основным компонентом, входящим в состав секрета всех слизистых желез.


Белки при высыхании и денатурации будут формировать достаточно устойчивые белковые биопленки. А биопленку уже просто мылом не взять. Нужна «простая жесткая химия», вроде перекиси водорода (см. статью Про перекись водорода и жука-ракетчика) или гипохлорита натрия (см. статью Что в Белизне тебе моей или Справочное пособие по гипохлориту натрия («хлорке»). А кроме того, именно на денатурирование белкового носителя из сопли, а не мембранного белка коронавируса, будет в первую очередь расходоваться то самое драгоценное поверхностно-активное вещество (см. выше раздел Ремарка про денатурацию белков). К чему я все это пишу, а к тому что, как известно, в окружающей среде микроорганизмы не путешествуют налегке (в виде индивидуальных вирионов). И несмотря на то, что в пробирке, в лабораторных условиях, добавка раствора ПАВ заставляет микроорганизмы «всплывать кверху брюхом», в условиях реальной жизни (контаминация рук загрязнениями различной химической природы с вирионами коронавируса в роли пасажиров) это абсолютно идеалистический, а то и опасный подход.

«камень №7» — Следует учитывать, что при высыхании капельных биологических аэрозолей («полупродукт» кашля и чихания) могут образовываться достаточно стабильные белковые пленки, проникнуть в которые и уничтожить находящийся там вирион сможет только жесткий дезинфектант вроде перекиси водорода и т.п.

Не мылом единым II или Когда гидродинамика важнее ПАВ

«экпозиция» в случае мыла — это гидродинамика…
Siarhei V. Besarab

Не могу сам себя не процитировать, довелось мне как-то отвечать в телеграм-канале LAB-66 одному пользователю, замачивавшему свою полумаску в растворе мыла в надежде ее продезинфицировать.

Гидродинамика (от др.-греч. ὕδωρ «вода» + динамика) — раздел физики сплошных сред, изучающий движение идеальных и реальных жидкостей и газа и их силовое взаимодействие с твёрдыми телами.

В общем и целом гидродинамика важна для любой ситуации, где жидкость соприкасается с твердыми телами, процессы мытья и дезинфекции не исключение. Всегда стоит держать в уме наличие шероховатостей, неровностей и т.п. (особенно в случае пористых поверхностей).

К сожалению, сказать что «область эта изучена фрагментарно» = не сказать ничего. Считанные исследователи (чаще всего химики поверхностей) начинают задумываться (только задумываться) про влияние микроструктуры поверхности на эффективность работы жидких контактных дезинфицирующих средств и т.п. А то, что влияние это имеется — безусловный факт (см. книгу). Косвенным подтверждением тому является, например, работа, в которой исследователи обнаружили, что гидродинамические параметры (скорость потока, режимы перемешивания и т.д.) потока воды, которой моют овощи, оказывает серьезное влияние на количество живущих на поверхности популяций кишечной палочки. В результате пришли к тому, что необходимо либо использование дезинфицирующего средства (прим. — типа перекиси, или белизны), либо ж оптимизировать скорость потока, его режим (турбулентный/ламинарный) да время обработки.
Ожидать подобных исследований, но посвященных гидродинамике процессов мытья рук — даже и мечтать не стоит. Но следует заметить, что «рекомендаций от врачей» где они изучают эффективность «активного мытья рук» (хотя бы по ВОЗ-ской методике) — хватает.

«камень №8» — несмотря на практически полное отсутствие исследований влияния гидродинамики при мытье рук, учитывать этот фактор стоит. Т.е. не просто что-то там замачивать в растворе, а замачивать активно, меня режимы работы потока, его скорость и время обработки. Ведь даже кожа шероховатая и морщинистая на микроуровне и требуется изрядное количество втирания и «пропитки», чтобы те же ПАВ проникли в каждое углубление, где потенциально может поместиться вирион 100 нм диаметром. Чего уж говорить про какие-то пластики или ткани...

Выводы

Ну а теперь соберем наши камни воедино, для закрепления пройденной темы. Достаточно ли мытья рук для защиты от коронавируса? Нет, недостаточно потому что:

1) В теории разрушение липидной мембраны возможно за счет образования мицелл, уносящих внутри себя (солюбилизирующих) структурные элементы вирусной оболочки (фосфолипиды). Мицеллы всегда образуются при концентрациях близких к ККМ. Концентрации эти абсолютно разные для различных ПАВ и зависят от температуры, от химической природы поверхностно-активного вещества, от ионной силы раствора и т.д. и т.п. Привести к общему знаменателю все эти факторы даже для одного чистого ПАВ — работа не одного месяца для целого НИИ. Публикаций с описанием таких взаимосвязей — не обнаружено

2) Помимо эффекта солюбилизации может иметь место эффект нарушения целостности липидной мембраны (образования пор~«прорех»), которые при lim=∞ дадут нарушение целостности оболочки и ликвидацию вириона. Эффективность этого процесса также зависит от концентрации ПАВ, динамики встраивания в мембрану и критического параметра упаковки ПАВ. Так как эти факторы в случае НЕлабораторных испытаний носят абсолютно случайный характер, то результат будет тоже абсолютно случайным. А значит, его можно не учитывать. Публикаций с оценкой вероятностей такого процесса — не обнаружено. При учете параметра упаковки может так случиться, что ПАВ с НЕподходящей структурой вместо разрушения вирусной мембраны укрепят ее (=изменят спонтанную кривизну не так как хотелось бы). Такой эффект может иметь место для неионогенных ПАВ и некоторых природных ПАВ (вроде сапонинов). Так что не все «эко-био-мыла» одинаково полезны, и это еще мягко говоря.

3) Помимо гидрофильных взаимодействий («растворять мембрану») ПАВ могут взаимодействовать с шиповыми белками вируса за счет электростатического взаимодействия. Притом разные ПАВ будут абсолютно по-разному проявлять себя, это будет зависеть как от химической природы «мыла» (размеры и форма «головы» и «хвоста»), так и от доступности шиповых белков вириона для взаимодействия (стерические препятствия). Вопрос этот изучен очень фрагментарно для вирусов в целом, и не изучен вообще для коронавируса в частности. Все доводы могут быть выведены только на основании экстраполяций.

4) В теории инактивация вируса возможна за счет денатурации (разрушения третичной/четвертичной структуры) шиповых белков вируса. Но как и в первом случае здесь играет роль и концентрация ПАВ, и рН и ионная сила раствора и наличие мешающих реакции веществ (НЕ шиповые белки, а например, белки биопленок или загрязнений). Кроме того, эффективность денатурации напрямую зависит от типа ПАВ. Ионогенные вещества обладают эффективностью растущей с концентрацией ПАВ в растворе, неионогенные — начинаю нарушать структуру белка только при достижении ККМ. И самое главное, все рассуждения (в том числе и мои в этой статье) построены на допущении о том, что денатурация происходит так-то и так-то на примере статей где изучали растворимые в воде белки. Статей с описанием оценки эффективности практической денатурации поверхностных мембранных белков вирусов с помощью ПАВ — не обнаружено. А масштабировать явления макромира на микромир — дело неблагодарное.

5) Нельзя считать панацеей и спирт, который как и ПАВ, по сути, лишь выключает (?) некоторые функциональные элементы вирионов. Делать он это может двумя различными путями — проникновением в липидную мембрану и созданием «прорех» (как описано выше для ПАВ), так и денатурируя белки. В этом плане спирт ничем не отличается от ПАВ, с той только разницей, что благодаря малому размеру проникает быстрее (но и испаряется быстрее). Можно предположить, что если сравнить все факторы — друг друга они будут стоить. Так что ни спирт, ни ЧАС не дают при небольших экспозициях (имеющих место при обработке рук) 100% вероятности полного обеззараживания из-за особенностей своего действия и влияния на это действие условий обработки (геометрия поверхности, наличие веществ-антагонистов и т.п.). Не стоит испытывать судьбу и играть с коронавирусом (а еще кишечной палочкой, каким-нибудь палиовирусом, стафиллококком и т.п. _вписать_нужное_) в русскую рулетку. И да, в теории, похожим «обеззараживающим» эффектом будут обладать и многие другие растворители, способные смешиваться с жирами («обезжириватели»), хлороформ например.

Что же остается? Да все то же, старые друзья, о которых я уже писал на хабре. Перефразируя г-на Ванновского «лучшие союзники (__вписать_нужное__) — ее перекись и гипохлорит». Для тех кому сложно ориентироваться в витиеватости моих фраз скажу так. Оптимальным будет следующий алгоритм обработки: мыть руки с мылом НЕ 20 секунд, как советуют некоторые «врачи», а столько секунд, сколько нужно чтобы прогнать ВОЗ-скую инструкцию по мытью (при паранойе прогнать можно несколько раз). Принцип как в известной фразе про «работать надо не с 8 до 17, а головой». Чистые, «подготовленные» руки — обрабатываем средствами, содержащими активные дезинфектанты — перекись водорода (от 0,5%), гипохлорит натрия (от 0,01-0,05%) или раствором хлорциануратов сравнимых с гипохлоритом концентраций. И обрабатывать лучше всего погружением в емкость с раствором, а не размазыванием по рукам. И вот здесь без мыла уже плохо ибо: загрязнения на руках и нет мытья — антисептик не сработает/сработает плохо, а моем только мылом -> вероятность не смыть вообще/смыть далеко не все. И, в любом случае, перед тем как что-то делать, нужно хотя бы на свои руки посмотреть внимательно.

Ах и да, мнение описанное в статье, до опровержения может считаться истинной последней инстанции, если какой-то чиновник, врач, менеджер или т.п. вам утверждает обратное — ссылайтесь на хабр и открыто смейтесь им в лицо. Доводы типа «я микробиолог — я знаю» не подходят. Я расписал механизмы с точки зрения супрамолекулярной химии. Есть что добавить с этой же точки зрения — милости прошу. С козырянием «дипломом доктора/академика» — прошу на гостелеканалы. На меня не действует.


На этом завершаю свой лонгридный лонгрид. Вроде бы сказал все о чем сказать хотелось. Возможно получился слишком взрослый, слишком суровый научпоп. Да и научпоп ли это даже, не знаю. Скорее что-то похожее на „попытку химика рассказать другу физику/биологу/программисту про то, чем он в лаборатории занимается“.

Явным плюсом является то, что во время подготовки статьи я осознал, насколько обширным является вопрос „мытья и катанья“, и насколько он интересен. Так что в самое ближайшее время я продолжу свою „мыльную энциклопедию“ и постараюсь подробнее разобрать вопрос эффективности мытья овощей и фруктов, дать рекомендации по оптимальным условиям проведения этой процедуры в условиях „ухудшившейся эпидемиологической ситуации“ и конечно же разложить по полочками физику и химию процесса стирки и замачивания (по очень активным „просьбам трудящихся“).


Благодарности: автор выражает глубокую признательность всем активным участникам комьюнити LAB-66 — людям которые своей «гражданской позицией» дают жизнь нашему «научно-техническому уголку» (= телеграм-канал и наш чат). Спасибо нашим экспертам за их круглосуточную техподдержку и способность ответить на любой, самый каверзный вопрос искушенного читателя. Приятно видеть людей, которые знают мои статьи лучше чем я их сам знаю :). В общем, если вдруг возникли вопросы — welcome! и вам помогут!
infiltree — низкий поклон.

---

Мы рады любой поддержке и любому участию, будь-то читательская подписка на Patreon, посильное разовое пожертвование «от ребят из наукограда», или отправленный СДЕК-ом ненужный дедовский фотоколориметр ФК-120. Благодаря этому появляется возможность больше времени посвещать публикациям и работе над действительно интересными и нужными вещами.

1. мастер кард 5536 0800 1174 5555
2. перевод Киви (QIWI) 79176005394
3. яндекс деньги 410018843026512
4. веб мани 650377296748
5. крипта BTC: 3QRyF2UwcKECVtk1Ep8scndmCBoRATvZkx, ETH: 0x3Aa313FA17444db70536A0ec5493F3aaA49C9CBf

Поддерживая нас сегодня — ты снижаешь энтропию вселенной!