Chemistry – the-sciences

CT0. La célula: una visión general

Original web-page: http://employees.csbsju.edu/hjakubowski/classes/ch250/ROBI_CellTutorial.html

Vías metabólicas

Henry Jakubowski

Probablemente has estudiado la célula muchas veces, ya sea en la escuela secundaria o en las clases de biología de la universidad. Hay muchos sitios web disponibles que revisan tanto las células procariotas (bacterianas), arqueológicas y eucariotas (ver enlaces en la parte inferior). Este tutorial está diseñado específicamente desde el punto de vista de la química. Explora cuatro clases de biomoléculas (lípidos, proteínas, ácidos nucleicos y carbohidratos) y describe de manera ilustrada y simplificada dónde se encuentran, fabrican y degradan en la célula (es decir, su historia). Se centra en las células eucariotas, que a diferencia de las células procariotas más simples, tienen orgánulos internos rodeados de membranas que compartimentan las reacciones químicas. Primero se presenta una descripción general de la célula. Los capítulos posteriores se concentrarán en biomoléculas específicas.

Pensemos en una célula como una fábrica química que diseña, importa, sintetiza, utiliza, exporta y degrada una variedad de productos químicos (en el caso de las células, estos incluyen lípidos, proteínas, ácidos nucleicos y carbohidratos). También debe determinar o detectar la cantidad de productos químicos crudos y terminados que tiene disponibles y responder a sus necesidades propias y externas aumentando o cerrando la producción. La figura de la celda a continuación y en otros sitios vinculados basada en ella se puso a disposición con el amable permiso de Liliana Torres. Haga clic en el hipervínculo azul s para algunos de los orgánulos de información más detallada sobre ellos.

Figura: Una célula eucariota

CellImageMap

http ://torresbioclan.pbworks.com/w/page/22377234/Spikefish%20About%20Cells

Usar con permiso de Liliana Torres . También en http://www.animalport.com/animal-cells.html

Diseño – el diseño de una célula reside principalmente en el plano de la célula, el código genético, que se compone del ADN en el núcleo celular y una pequeña cantidad en las mitocondrias. Por supuesto, el modelo de ADN debe ser leído (transcrito) por enzimas de proteínas que fueron codificadas por el ADN. El código genético tiene el plan maestro que determina la secuencia de todas las proteínas celulares, que luego catalizan casi todas las demás actividades en la célula, incluida la catálisis, la motilidad, la estructura arquitectónica, etc. A diferencia de los polímeros de ADN, Ácido ribonucleico y proteínas, la longitud y La secuencia de un polímero de polisacárido no está impulsada por una plantilla, sino por las enzimas que catalizan la polimerización.

Importar/exportar: Muchos de los componentes químicos de la célula surgen no de la síntesis directa sino de la importación de moléculas pequeñas y grandes. Las moléculas importadas deben pasar a través de la membrana celular y, en algunos casos, a través de membranas adicionales si necesitan residir dentro de orgánulos unidos a la membrana. Las moléculas pueden moverse hacia la célula por difusión pasiva a través de la membrana, pero generalmente su movimiento es “facilitado” por un receptor de membrana. Las moléculas también pueden subir un gradiente de concentración en un proceso llamado “transporte activo”. Dada la naturaleza anfifílica de la bicapa (exterior del grupo de cabeza polar, interior no polar), es de esperar que una molécula polar como la glucosa tenga dificultades para moverse a través de la membrana. De hecho, las proteínas de transporte de membrana están involucradas en el movimiento de las moléculas no polares y polares.

– transportadores, proteínas portadoras y permeasas: Estas proteínas de membrana se mueven las moléculas de ligando específico través de una membrana, típicamente por un gradiente de concentración. Las simulaciones por ordenador de la difusión facilitada de lactosa través de la membrana se muestran en el siguiente enlace. Animación de difusión lactosa a través del receptor LacY

(El enlace de arriba e inmediatamente a continuación son de la Teórica y computacional biofísica grupo en el Instituto Beckman, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. Estas simulaciones de dinámica molecular se hicieron con otro apoyo VMD/NAMD/BioCoRE/JMV/software desarrollado por el grupo con el apoyo de los NIH.)

– los canales de iones – Estas proteínas de la membrana permiten el flujo de iones a través de membranas. Algunos son permanentemente abierta (nongated) mientras que otros son cerradas abierta o cerrada dependiendo de la presencia de ligandos que se unen el canal de la proteína y el medio ambiente local de la proteína en la membrana. Flujo de iones a través de las ganancias de canal en una dirección favorecida termodinámicamente, que depende de su concentración y tensión gradientes través de la membrana.

– poros: Algunas membranas (nuclear, mitocondrias) se ensamblan las proteínas (tales como porinas) para formar grandes, pero los poros regulados. Porins se encuentran en las membranas mitocondriales mientras nucleoporins se encuentran en la membrana nuclear. Las moléculas pequeñas pueden pasar generalmente a través de estos poros de la membrana mientras que las grandes uno se selecciona en base a su tendencia a formar fuerzas de atracción intermoleculares transitorios con las proteínas de los poros. Los siguientes enlace muestra la difusión de agua a través de acuaporina. animación de la difusión del agua a través del canal de acuaporina,

– endocitosis: partículas muy grandes (por ejemplo, LDL o lipoproteínas o virus de Baja Densidad) pueden entrar a una célula mediante un proceso denominado endocitosis. Inicialmente, el LDL o virus se une a un receptor en la superficie de la célula. Esto desencadena una serie de eventos que conduce a la invaginación de la membrana de la célula en ese punto. Esto a la larga pellizca para formar un endosomal vesícula que está rodeado por una proteína llamada clatrina. endosomas “temprano” pueden recoger nuevas proteínas y otros componentes, así como arrojar ellos a medida que se mueven y maduran a través de la célula. Durante este proceso de maduración, las bombas de proteína en el plomo endosoma a una disminución en el pH endosomal que puede conducir a cambios de conformación en la estructura de proteínas y derramamiento de proteínas. Finalmente, los “tarde” endosoma alcances y se fusiona con el lisosoma, un orgánulo interna que contiene enzimas de degradación. componentes no degradadas como los ácidos nucleicos virales o colesterol, se entregan a la célula. Este transporte también puede ir en los receptores de dirección y reciclar inversa a la membrana celular. Asimismo vesículas pellizcado fuera desde el fusible puede complejo de Golgi con endosomas, con algunos componentes que sobrevivieron el proceso de volver a entrar en el aparato de Golgi.

Sintetizar/degradar: las células deben sintetizar y degradar moléculas pequeñas, así como proteínas poliméricas, carbohidratos y ácidos nucleicos más grandes. Las vías anabólicas (sintéticas) y catabólicas (degradativas) a menudo están compartimentadas en el tiempo y el espacio dentro de una célula. Por ejemplo, la síntesis de ácidos grasos se lleva a cabo en el citoplasma, pero la oxidación de ácidos grasos se lleva a cabo en las mitocondrias. Las proteínas se sintetizan en el citoplasma o se completan en el retículo endoplásmico (para proteínas de membrana y exportadas) mientras se degradan en el lisosoma o, lo que es más importante, en una gran estructura multimolecular en la célula llamada proteasoma.

Consideremos algunas características clave de una celda antes de entrar en detalles.

Las células y sus compartimentos internos tienen concentraciones reguladas de iones e iones hidronio.

Como era de esperar, el pH del citosol (la sustancia acuosa que rodea todos los orgánulos dentro de la célula) varía de aproximadamente 7,0 a 7,4, dependiendo del estado metabólico de la célula. Algunos orgánulos tienen transportadores de protones que pueden alterar significativamente el pH dentro de un orgánulo. Por ejemplo, el pH dentro del lisosoma, un orgánulo degradante, es de aproximadamente 4,8. El colapso del gradiente de pH a través de la membrana mitocondrial interna es suficiente para impulsar la síntesis termodinámicamente desfavorable de ATP.

En comparación con el fluido extracelular, la concentración de iones de potasio es mayor dentro de la célula, mientras que las concentraciones de iones de sodio, cloruro y calcio son más altas en el exterior de la célula (ver la tabla a continuación). Estos gradientes de concentración son mantenidos por transportadores de iones y canales y requieren un gasto de energía en última instancia en forma de hidrólisis de ATP. Los cambios en estas concentraciones son parte integral del sistema de señalización utilizado por la célula para detectar y responder a los cambios en sus entornos externos e internos.

El agua se encuentra en forma masiva, así como unida a macromoléculas como proteínas y polisacáridos. Se esperaría que estas aguas tengan diferentes propiedades. La siguiente tabla muestra las concentraciones aproximadas de iones en la célula.

Ion	Dentro (mM)	Fuera (mM)
Na⁺	140	5
K⁺	12	140
Cl-	4	15
Ca²⁺	1 uM	2

Las celdas tienen un marco interno que proporciona soporte arquitectónico y estructural interno.

La arquitectura “citoesquelética” de una (con estructuras de “cordones” moleculares y “tipo viga”) no es diferente de una fábrica.

Cytoskeleton

http://www.cybercom.net/~copters/trips/pictures/factory_inside.jpg http://en.wikipedia.org/wiki/File:FluorescentCells.jpg

El marco interno o citoesqueleto de una célula, se compone de microfilamentos, filamentos intermedios, y los microtúbulos. Estos están compuestos de proteínas monoméricas que autoensamblarse para formar la arquitectura interna. Piezas del citoesqueleto se pueden ver en la foto de arriba (tomado de Wikipedia).

En la imagen se muestran microfilamentos de monómeros de actina (que están teñidos con un fluoróforo rojo/naranja) y microtúbulos que ofrecen más soporte estructural hecho de monómeros de tubulina (teñidos de verde) junto con el núcleo teñido de azul. Los orgánulos son compatibles y organizados por el citoesqueleto (principalmente microtúbulos). Incluso la membrana celular está soportada debajo de la valva interna por actina (naranja teñida) y microfilamentos de espectrina. Las proteínas motoras como la miosina (que se mueve a lo largo de los microfilamentos de actina) y la dineína y la kinesina (que se mueven a lo largo de los microtúbulos de tubulina) transportan carga (vesículas, orgánulos) de forma direccional. La célula no es una colección desorganizada de moléculas y orgánulos. Más bien es un producto altamente organizado para una producción, uso y degradación químicos óptimos.

Las células tienen una variedad de formas. Algunas células inmunes circulantes deben deslizarse a través de las células que recubren las paredes capilares para migrar a los sitios de infección. El mismo proceso ocurre cuando las células tumorales hacen metástasis y escapan a otros sitios del cuerpo. Para hacerlo, la célula debe cambiar drásticamente la forma, una respuesta que requiere la disociación de los polímeros del citoesqueleto en monómeros que están disponibles más tarde para la repolimerización.

La celda es un lugar increíblemente lleno de gente.

En los laboratorios de química, por lo general trabajo con soluciones diluidas de moléculas de soluto en un disolvente. Usted probablemente ha escuchado que el cuerpo está compuesto de agua 68%, pero la concentración de agua es, obviamente, depende del entorno celular. moléculas de soluto como proteínas y carbohidratos están densamente empaquetados. Las células se tan lleno que el espacio entre las moléculas más grandes, como la proteína es menor que el tamaño de la proteína. Los estudios han demostrado que la estabilidad de una proteína se incrementa en tal condición, lo que ayudaría a mantener la proteína en estado plegado, nativa. Otra consecuencia de las altas concentraciones es que sería promover la agregación de unión o auto de moléculas similares, así como los aversión que desde una perspectiva de equilibrio no ocurrirían en soluciones diluidas. in vivo. Recientemente investigadores han añadido un copolímero neutro de sacarosa y epiclorhidrina a las células in vitro. Estas partículas inducidos organización de las moléculas extracelulares secretadas por la célula, formando un extracelular “matriz” organizada que indujo la organización de los microfilamentos en el interior de la célula, así como la inducción de cambios en la actividad celular.¹ in vitro la actividad enzimática de una enzima clave en la glucólisis aumenta drásticamente en condiciones de hacinamiento.² Otro resultado de la aglomeración puede ser la asociación espacial y temporal de las enzimas clave en las rutas metabólicas específicas, permitiendo la difusión más fácil de sustratos y los productos de las enzimas colocalized.

Figura: El citoplasma lleno de E. Coli – Ufrom McGuffee SR, Elcock AH (2010) PLoS Comput Biol 6 (3): e1000694. doi: 10.1371/journal.pcbi.1000694 (Diario de código abierto)

E. Coli Crowded Cell

La simulación por computadora utilizó 50 tipos diferentes de las macromoléculas más abundantes del citoplasma de E. coli y 1008 moléculas individuales. Representación del modelo de citoplasma al final de una simulación dinámica. El ácido ribonucleico se muestra en verde y amarillo. Esta figura fue preparada con VMD

Los componentes celulares experimentan transiciones de fase para formar subestructuras dentro de la célula.

Una pregunta desconcertante es cómo se forman las subestructuras dentro de una celda. Esto incluye no solo la biogénesis de orgánulos como las mitocondrias, sino también partículas más pequeñas, como gránulos de polisacárido, gotas de lípidos, partículas de proteína/ácido ribonucleico (incluido el ribosoma), así como el núcleo del núcleo de la célula. Puede ser más fácil considerar este problema utilizando dos ejemplos del mundo de los lípidos, las gotas de lípidos y las balsas de membrana. Usted está muy familiarizado con las transiciones de fase que ocurren cuando se agrega un líquido no polar soluble escaso al agua. A una concentración suficientemente alta, se excede la solubilidad del líquido no polar y se produce una transición de fase, como lo demuestra la aparición de dos fases líquidas separadas. El mismo proceso ocurre cuando los triglicéridos se unen en gotas de lípidos con proteínas asociadas en su exterior. Otro ejemplo ocurre dentro de una membrana celular cuando los lípidos con cadenas alquílicas saturadas se autoasocian con el colesterol de la membrana (que contiene un sistema de anillo plano rígido) para formar una balsa lipídica caracterizada por una mayor eficiencia de empaquetamiento, rigidez y grosor que otras partes de la membrana. Estas balsas lipídicas a menudo reclutan proteínas involucradas en los procesos de señalización dentro de las membranas celulares. Este proceso de separación de fases también se denomina desmezcla líquido/líquido, ya que dos sustancias “similares a un líquido” se separan.

Parece que las proteínas que interactúan con el ácido ribonucleico están compuestas de aminoácidos menos diversos y tienen estructuras más flexibles (“más líquidas”) que permiten su interacción preferencial con el Ácido ribonucleico para formar grandes partículas de proteína del ácido ribonucleico (como el ribosoma y otras estructuras de procesamiento de ácido ribonucleico) de una manera que imita la mezcla líquida/líquida. Todas estas interacciones son solo manifestaciones de las diversas fuerzas intermoleculares que estudiaste en las clases de química anteriores.

Has estudiado la estructura de lípidos, proteínas, ácidos nucleicos y carbohidratos en las clases introductorias de biología y/o química. Ahora siga los siguientes enlaces que lo llevarán a los capítulos del guia celular que muestran la historia de vida de este tipo de moléculas en la célula.

Una lista de sitios web y applets sobre la estructura de las células eucariotas:

Tutorial celular de la UCLA
Planta y simulación de células animales (requiere Java)
Descargar Apple Store Applet para iPad, iTouch, iPhone: Cell 3D

Referencias:

1. Zeiger AS, Loe FC, Li R, Raghunath M, Van Vliet KJ (2012) Macromolecular Crowding Directs Extracellular Matrix Organization and Mesenchymal Stem Cell Behavior. PLoS ONE 7(5): e37904. doi:10.1371/journal.pone.0037904 .

2. Apratim Dhara, Antonios Samiotakisb, Simon Ebbinghausa, Lea Nienhausa, Dirar Homouzb, Martin Gruebelea, and Margaret S. Cheungb. Structure, function, and folding of phosphoglycerate kinase are strongly perturbed by macromolecular crowding. Proc. Natl Acad Sci. www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1006760107

3. Anthony A. Hyman and Kai Simons. Beyond Oil and Water–Phase Transitions in Cells. Science 337, 1047 (2012); DOI: 10.1126/science.1223728

4. McGuffee SR, Elcock AH (2010) Diffusion, Crowding & Protein Stability in a Dynamic Molecular Model of the Bacterial Cytoplasm. PLoS Comput Biol 6(3): e1000694. doi:10.1371/journal.pcbi.1000694

Esta página fue escrita y mantenida por Henry V. Jakubowski, Ph.D., Colegio de Saint Benedict/Saint John’s University. Estos materiales están disponibles para uso educativo.

Este material se basa en el trabajo apoyado por la Fundación Nacional de Ciencia bajo Grant No. 1043566.

Las opiniones, hallazgos y conclusiones o recomendaciones expresadas en este material son de los autores y no reflejan necesariamente los puntos de vista de la Fundación Nacional de Ciencia.

Dinamika samopromočujućih frontova pokretnih bakterija

Original: http://ronney.usc.edu/research/biophysics/BacterialFronts.html

Alison Kraigsley i Paul D. Ronney

Odjel za svemirsku i mašinsku mašinu

Univerzitet Južna Kalifornija, Los Angeles, CA 90089-1453

Steven E. Finkel

Odjeljenje za biološke nauke

Univerzitet Južna Kalifornija, Los Angeles, CA 90089-1340

Sažetak

Iako se mnogo zna o samopromočujućim reakcijskim difuzijskim frontovima koji se javljaju u mnogim kemijski reakcijskim sustavima kao što su plamen, polimerizacijski procesi i neke vodene reakcije, ova velika baza znanja prethodno se nije sustavno primjenjivala na biološke sustave poput širenja pokretnih bakterija. Ciljevi ovog rada su (1) utvrditi da li se takvo znanje može primijeniti na biološke sustave i (2) ako je tako, steći kvantitativnije i prediktivnije razumijevanje bioloških sustava koji pokazuju samopromočujuće fronte. Slijedit će se analogija između širenja pokretnih bakterija i ostalih samopromočujućih fronta s obzirom na dinamička svojstva takvih frontova. Početni eksperimenti s bakterijom E. coli doista pokazuju ponašanje analogno sistemima reakcija-difuzija. Pokušavamo provesti sveobuhvatnu studiju dinamičkih svojstava, uključujući stope širenja, efekte prednje zakrivljenosti, granice gašenja, granice stabilnosti, efekte uzgona, efektivne koeficijente difuzije i vremensku skalu reprodukcije. Te će se informacije upotrijebiti kao ulazi u postojeće analitičke/numeričke modele reakcijsko-difuzijskih fronti i utvrđena valjanost predloženih analogija. Razlike između konvencionalnih reakcijsko-difuzijskih sistema i mikrobioloških sistema takođe će se proceniti. Jedna ključna razlika je da bakterije evoluiraju i reagiraju na stres, faktor koji će se proučavati ponavljanjem navedenog ispitivanja s bakterijama koje su preživjele uvjete gotovo ugasivanja. Ovi podaci će se zatim koristiti za bolje razumijevanje preživljavanja i prilagodbe bakterija u nepovoljnim uvjetima.

UVOD

Reakcijske fronte koje se šire samo u sebi nastaju u mnogim kemijskim i fizičkim sustavima, uključujući plamen, postupke polimerizacije započete slobodnim radikalima i neke vodene reakcije. Sve ove sustave karakteriziraju dvije ključne karakteristike: reaktivni medij (na primjer mješavina goriva i zraka u slučaju plamena) i autokatalizator koji je proizvod reakcije koji također ubrzava reakciju (na primjer toplinska energija u slučaj plamena). Samo-razmnožavanje se događa kada autokatalizator difuzuje u reaktivni medij, pokrećući reakciju i stvarajući više autokatalizatora. To omogućava da se reakciono-difuzijske fronte šire stalnim brzinama daleko od bilo kojeg mjesta iniciranja.

Dva od ključnih karakteristika samoprenosiva reakcija-difuziju frontovima su stopa prostiranja (e) i ograničenje kaljenje. Stopa propagacije je brzina kojom prednjem napredak u reaktivni medij, koji uglavnom ovisi o ukupno vrijeme reakcije skala (τ) i koeficijent difuzije (D) auto katalizatore prema odnosu s ≈ (D/τ)^1/2. τ opet ovisi o koncentraciji i aktivnost reaktanata. Granica kaljenje je minimalna ili maksimalna vrijednost nekog parametra (na primjer, minimalno reagensa koncentraciju ili kanal širine) za koje se stalno propagira ispred može postojati. Spojnica koje se javlja između hemijske reakcije i difuznog i konvektivnog transporta u plamenu [[1]], Polimerizacija frontova [[2] ] i vodene reakcije [[3]] dobro shvatio kvantitativno.

Iznenađujuće, analogna linija upit nije primijenjen na mikrobiološke sistema, iako je prvi modeliranje reaktivne-difuzne frontovima, što je dovelo do odnosa s ≈ (D/τ)^1/2, je provedena 1937. godine u kontekstu širenja zaraznih bolesti (vidi [[4]]). Svrha našeg istraživanja je da se proceni izvodljivosti tome i iz ovog razviti više kvantitativno razumijevanje takve mikrobiološke sistema. Većina mikrobiološke studije fokusiraju na pojedinačne bakterije i brojanje ponašanje pojedinaca. U ovoj studiji primjenjujemo termodinamičkih zakona i proučavati agregata ponašanje velikog broja pojedinaca. Test slučaj biramo da se fokusiramo na ovoj studiji je vrlo čest i široko studirao Escherichia coli bakterije, a pokretljive bakterije koja (kao i mnogi drugi) pliva pomoću svoje pipke ili flagella u hranjivoj podlozi, dok često mijenja pravac tražiti područja visokog nutrijenata koncentracije. Naime bakterija ima dva načina ponašanja: “run” mod u kojem svoje flagella rotiranje da ga pokrenuti na više ili manje ravnoj liniji, a “sušenje” modu gdje flagella jer je promjenu orijentacije sa malo neto kretanja [[5]]. Rezultirajući kretanje je donekle analogan slučajnog hoda molekula koji dovodi do klasičnog Fickian difuzije (iako mehanizam je potpuno drugačija, jer, za razliku od molekula bakterije prijedlog nije vezan za elastični sudari između bakterija). Također, u povoljnom nutrijenata gradijent, bakterije radi više nego što tumbles, što dovodi do većeg D, dok je u nepovoljnim gradijentima, to tumbles više, što joj je omogućilo da traga za novim pravcima i rezultiralo nižim D; ovo također dovodi do pristran slučajnim hoda da usluge migracije u područjima povećane nutrijenata nivoa.

Ove karakteristike pokretnih bakterija mogu se iskoristiti za modeliranje njihovog ponašanja kao reakcijsko-difuzijske fronte. Brzina (s) širenja od E. coli izmjerili smo (vidi odjeljak Preliminarni rezultati) u agar mediju od 0,3% oko 4,5 mm/h. Vremenska skala (τ) reprodukcije E. coli je oko 20 min. Od brzine širenja s ≈ (D/τ)^1/2, D ≈ s²τ, na taj način D ≈ 1.5 x 10^-5 cm²/sec. Ova vrijednost je u skladu s očekivanom vrijednošću koja se temelji na kinetičkoj teoriji molekula koja pokazuje da je D proporcionalna brzini čestice (c) pomnoženo sa srednjim slobodnim putem čestice (λ), tj., u slučaju molekula udaljenost koju se čestice kreću prije sudaranja jedna s drugom ili, u slučaju pokretnih bakterija, mijenjanje smjera. l mogu se procijeniti kao c pomnoženo s vremenom (t) bakterije plivaju bez promjene smjera. Za E. coli, an average swimming speed of 21 µm/s, with 21 changes in direction per 30 seconds has been measured. This implies  ≈ 1.4 s i l ≈ 3.0 x 10^-3 cm and, thus the effective diffusivity D ≈ 6.3 x 10^-6 cm²/s, which is of the same order of magnitude as the value of D inferred from D ≈ s²τ.

Zaključujemo da je razumno okarakterizirati širenje pokretnih bakterija kao fronte s difuzijskom reakcijom. Mnoge mikrobiološke studije mjere reakciju sistema na gradijent temperature ili hranjivih sastojaka koji se nameću sistemu; namjeravamo pokazati da bakterije mogu stvarati vlastite gradijente i na taj način se mogu samostalno razmnožavati. Tablica 1 prikazuje predloženu analogiju između plamena (tipičan reakcijski-difuzijski front) i mikrobioloških sistema.

Plamen ili molekularno svojstvo	Mikrobiološki ekvivalent
Temperatura	Koncentracija bakterija
Gorivo	Hranjive materije
Difuznost topline ≈ cλ	Difuznost bakterija
Difuzivnost goriva	Difuznost hranljivih sastojaka
Brzina zvuka (c)	Brzina plivanja bakterija u “trčati” režimu
Srednja slobodna staza (λ)	c pomnoženo sa prosječnim vremenom za prelazak iz režima rada u režim prevrtanja i natrag
Vremenski raspon reakcija (τ)	Vrijeme reprodukcije
Gubitak topline	Smrt (od pojedinačnih bakterija)
Gašenje	Smrt (svih bakterija)
Tabela 1. Predložena analogija između plamena i mikrobioloških fronta

Komplicirajući faktor plamena, kao i pokretne bakterije, je da se efektivni koeficijent difuzije mijenja s koncentracijom proizvoda. U slučaju plamena proizvodnja proizvoda vodi do veće temperature koja povećava D u gotovo svim slučajevima. U slučaju pokretnih bakterija dobro je poznato da bakterije troše manje vremena u režimu “trčanja”, a više u režimu “prevrtanja” kada je koncentracija hranjivih sastojaka visoka (zašto se osvrnuti okolo kada je trava već zelena?) znači da će srednja vrijednost slobodnog puta l biti niža i samim tim će efektivna difuzivnost biti manja kada je koncentracija hranjivih sastojaka visoka. U slučaju razmnožavajućeg fronta, nekoliko bakterija na prednjem rubu fronta vide visoku koncentraciju hranjivih sastojaka i stoga imaju nisku D. Veće koncentracije bakterija (“produkt” reakcije) na prednjem rubu fronte će postojati u medijum s nižom koncentracijom hranjivih sastojaka i na taj način će se „manje“ odvijati i manje „propadati“, povećavajući l i tako će se D povećavati. Stoga je analogija sa plamenom razumno široka.

Preliminarni rezultati

Gornja rasprava ohrabrila nas je da provedemo preliminarne eksperimente kako bismo testirali održivost naših prijedloga. Ovi su eksperimenti provedeni na 37°C u standardnim petrijevim pločama koristeći hranjivu podlogu na bazi vode koja se sastoji od (osim ako nije drugačije naznačeno) 1% NaCl, 1% triptona, 0,5% kvasca i 0,1% agara. Agar povećava viskoznost medija i u suštini sprečava svako veliko kretanje. Medij je inokuliran bakterijama u točki (obično u središtu posude) i rezultirajući napredak (ako postoji) prednjeg dijela bakterija vidljiv je. Ispitano je nekoliko sojeva E. coli. Nakon početnog prolaznog stanja, svi su pokazali linearno povećanje prednjeg radijusa sa vremenom. Primjer je prikazan na slici 1.

Slika 1 pokazuje da je prednji napredak sporije u početku kada je ispred radijus je mala i prednje zakrivljenosti. Svi ostali testovi su pokazali taj isti trend. Ovo ponašanje se posmatra u hemijskim frontovima u kojem je autokatalitičkog proizvod ima manju difuzivnost nego reaktanata (npr., u slučaju plamena, visoku termalnu difuzivnost i nizak difuzivnost goriva), a razlozi su dobro razumio [[6]]. Dok je difuzivnost u Tryptone nutrijentima je nepoznat, po analogiji sa sličnim molekulama vrijednosti od 10^-7cm²/s može se procijeniti, što je manje nego što su difuzivnost E. coli prema procjeni gore. Shodno tome, ponašanje je prikazano na slici. 1 je u skladu s modelom reakcija-difuziju prostiranje. Osim toga, teorija plamen pokazuje da ako je previše razlikuje od vrijednosti 1, više ili smanjiti odnos proizvoda reaktanta diffusivities, razne vrste ispred nestabilnosti može dovesti. Formiranje obrazac u mikrobiološkim sistemima je dobro poznata [[7]], ali teorija reakcija-difuziju se ne koristi za kvantifikaciju i predvidjeti takve obrasce. Mi ćemo istražiti takve nestabilnosti variranjem medij difuzivnost kroz agar koncentracije. Osim toga, mi sumnjamo da je ovaj izbor vremena run-sušenje od E. coli nije slučajno jer utiče D; ako je D je prenizak ili previsok, nestabilnosti rezultat koji može biti nepovoljna za opstanak. Mi ćemo nastaviti ovaj pojam ispitivanjem efekta agara koncentracije o vremenu brzine i trčanje-pad bakterija pod mikroskopom i utvrditi da li je bakterija prilagođava (ili u hodu, ili evolucijski procesi) njegova brzina i run-sušenje vremena promijeniti svoje efikasne D održavanje stabilnog frontova.

Slika 1. Primjeri eksperimentalnih podataka o prednjim radijusima bakterija kao funkcija vremena.

Slika 2. Izmjereni učinak dubine agara i otopine na stalne brzine razmnožavanja bakterijskih fronti.

Učinak koncentracije agara i dubine hranjivog medija na stalne vrijednosti brzine razmnožavanja s prikazan je na slici 2. Pri 0,5% ili većoj koncentraciji agara (nije prikazano) medij je u osnovi bio čvrst i bakterije su se širile samo na površini medija, a ne u rasutom stanju. Difuzijsko ponašanje bakterija u ovom slučaju nije vjerovatno jer ne mogu plivati. Pri 0,4% i nižoj koncentraciji agara, bakterije se šire putem medijuma. Primjećene su najveće stope razmnožavanja pri najnižim koncentracijama agara (a vreme i najniža viskoznost medija). To se očekuje budući da pri nižoj viskoznosti bakterija može plivati brže i stoga bi trebala imati viši efektivni D, što dovodi do većeg s (obzirom da je s proporcionalan D^1/2 kao što je gore spomenuto).

Otkriveno je da dubina rastvora gotovo da i nema uticaja na s. Uzimanjem poprečnih presjeka medija nakon djelomičnog širenja fronte, utvrđeno je da su frontovi uglavnom u vertikalnoj dimenziji jednolični. Stoga protok plovnosti ne utječe na ove prednje strane, u protivnom se može očekivati utjecaj dubine otopine na s, ili nejednakosti u okomitom smjeru. Budući da su ispitivanja provedena u zraku, ova opažanja također pokazuju da difuzija kisika u medij nije značajna, jer bi u suprotnom rast blizu površine hranjive otopine bio različit od onog ispod površine. Ovaj posljednji rezultat pokazuje da bakterije rastu anaerobno.

Kako bi se utvrdilo postoje li granice “gašenja” na bakterijskim frontovima, proveden je eksperiment u kojem su bakterijske fronte pokušale razmnožavati kroz uske i široke kanale sa zidovima antibiotika. Budući da antibiotici uklanjaju autokatalitički proizvod (bakterije), efekat zidova analogan je gubicima topline hladnim zidovima u plamenu. Za prednje širenje u uskim kanalima dobro je poznato da granica gašenja dolazi zbog gubitaka topline na stijenkama kanala kada je Peclet broj Pe = sw/D, gdje je w širina kanala, a D difuzivnost, manja od a kritična vrijednost. Dakle, uz prisustvo gubitaka topline, fronte se mogu širiti širokim kanalima (visoki Pe), ali ne uskim kanalima (nizak Pe). Slika 3 pokazuje da se fronte mogu širiti širokim kanalom, ali ne i uskim kanalom, što ukazuje na granicu gašenja. U ovom radu će se testirati primjenjivost odnosa kaljenja Pe = sW/D = konstanta na granici.

Ispitan je i učinak koncentracije hranljivih sastojaka triptona; utvrđeno je da se na polovici nominalne vrijednosti neće dogoditi širenje, dok je s gotovo nepromijenjen udvostručenjem koncentracije triptona s njegove nominalne vrijednosti. Ovo može ukazivati na granicu gašenja, čak i ako nema antibiotskih zidova. Analogno ponašanje se događa u plamenu zbog radijativnih gubitaka topline kada je koncentracija goriva preniska. Istražit ćemo ovu granicu bez zida i pokušati utvrditi mehanizam gubitaka koji je odgovoran za suzbijanje širenja fronta na niskim razinama hranjivih sastojaka.

Titriranje medija za dobivanje broja bakterija dosljedno je pokazalo značajan vrhunac koncentracije bakterija na vodećem pročelju, praćen velikim padom ispred i, kasnije, drugi vrh daleko iza prvog. To je u skladu sa slikama prikazanim na slici 3. U budućem radu koristit ćemo se analizom titriranja kako bismo utvrdili da li je debljina fronte ≈ D/s kako je teorijski predvidjelo. Na osnovu vizualnog pregleda s slike 3, debljina prednje strane je oko 1 mm, što je blizu predviđanja D/s = (1.5 x 10^-3 mm²/sec)/(4.5 mm/hr) = 1.2 mm. Rezultati s divljim sojem bakterija pokazali su nešto brži početni prolazni i kraći put i udaljenost da bi se postigla stalna stopa razmnožavanja u odnosu na genetski obilježene sojeve.

E.coli.narrow&wide.channel.jpg

Slika 3. Fotografije fronti pokretne bakterije E. coli koja se razmnožava uskim (6 mm, lijevo) i širokim (35 mm, desno) kanalima sa bočnim zidovima antibiotika Kanamycin (100 mikrolitara Kanamycina po strani), snimljenim 6,5 sati nakon inokulacije. Oba slučaja: 2086 divlji soj E. coli, 0,1% agar, standardni hranjivi medij.

Aktuelni istraživački program

Na temelju očiglednog uspjeha reakcijsko-difuzijskog modela u opisivanju ovih preliminarnih eksperimentalnih rezultata, mi slijedimo sljedeći istraživački program:

Odredite stope razmnožavanje E. coli frontova u funkciji nutrijenata koncentracije, srednje motilitet (kroz mijenja agar koncentracija), temperatura, koncentracija ambijentalne kisika (aerobik vs. anaerobni okoliš), a debljina sloja hranljive podloge. Ovi testovi će biti izvedena na isti način kao i preliminarni eksperimenti gore opisano. Osim toga, da se poboljša vizualizaciju frontova, koristit ćemo E. coli specifične fluorescentnih boja iz Molecular Sonde, Inc (Eugene, OR). poboljšati vizualizaciju frontova. Ultraljubičasti izvor svjetlosti (kupuje) ili Ar-ion laser će se koristiti za pobuđuju fluorescentnih boja.
Odrediti D zasnovan na relaciji D ≈ s²τ i usporedite s tim očekuje na osnovu relacija D = c²τ, gdje je c mjeriti (pomoću video mikroskopija) brzina (c) i znaci vremena za promenu pravca. Standard video je adekvatan od vremena skali run-sušenje je obično 1 sekunde, a stopa video kadriranje je 30 u sekundi.
Odredite granice kaljenje i ograničenje Péclet brojevi dozvoljavajući fronta s propagandom kroz kanale različite širine (w) koji imaju antibiotske zidove (Kanamicin ili slično) i utvrditi da li Pe je konstantna na granici, odnosno, je stopa prostiranja (s) na ograničenje proporcionalna 1/w?
Odredite granice kaljenje u nedostatku zidova (smanjivanjem nutrijentima koncentracije, za različite agar koncentracije) i utvrditi mehanizam gubitka (tj. Mehanizam smrti ćelija) odgovoran za to ograničenje.
Odredite granice stabilnosti kao funkcija odnosa proizvoda (bakterija) u reagensa (nutrijenata) difuzivnost variranjem agar koncentracije u hranljive podloge i koncentraciju hranljivih materija. Fluorescentnih bojila će olakšati snimanje neuniformna frontovima i formiranje obrasca.
Utvrdite da li postoji plovnost uticaj na prostiranje. Od E. coli bakterije imaju gustoću malo drugačiji od vode, na niske viskoznosti će doći do efekta uzgona. Većina istražitelji koriste visoke viskoznosti agara za sprečavanje fluida, ali mnogi pravi E. coli sredinama imaju vodu poput viskoznosti. Efekti plovnost će biti saslušani testiranjem prostiranje u medijima bez agara u vertikalnom paralelno ploča aparata (koji se naziva “Hele-Shaw” ćelije u mehanici fluida literaturi) i da će se pridržavati prednji obrazac i razmnožavanje stopa.
Model ove rezultate uz pomoć naših postojećih analitičkih/numeričkih modela reakcija-difuzije frontovima.

Naravno, postoje i neke razlike između konvencionalnih reakcijsko-difuzijskih sistema i mikrobioloških sistema. Jedna ključna razlika je da bakterije evoluiraju i reagiraju na stres, faktor koji će se proučavati ponavljanjem navedenog ispitivanja s „iskusnim“ bakterijama koje su preživjele uvjete gotovo ugasivanja. Druga razlika, kao što je diskutirano gore, su pristrana difuzijska svojstva. Ova pristranost može se modelirati korištenjem nelinearne difuzione veze da zamijeni Fikov zakon.

PRAKTIČNA VAŽNOST

Ovaj rad je istraživanje dinamike nove klase razmnožavanja fronta koje uključuju pokretne bakterije. Studija dinamike fronta ima brojne primjene kao što je gore raspravljano. Ove su studije, međutim, od posebnog interesa za mikrobiologe jer se odnose na mehanizme dugoročnog preživljavanja i evolucije koje koriste bakterije. Jedan od glavnih faktora koji utječu na brzinu evolucijske promjene u tim bakterijskim sustavima jesu nivoi stresa u okolišu, kao i prijelaz iz jednog okruženja u drugo. Sustavi kulture koje razvijamo predstavljaju nova okruženja u kojima ta pitanja evolucije i preživljavanja nisu riješena. Ovaj rad daje prvi pokušaj, prema našim saznanjima, biofizički okarakterizirati ove efekte.

Posebno je zanimljivo proučavanje uzgoja E. coli u anaerobnim uslovima. Kad E. coli (i sve druge enteričke bakterije) rastu u vezi s ljudskim probavnim traktom, one rastu u anaerobnim uvjetima. Želimo početi proučavati reakcije bakterijskog stresa u nedostatku kisika kako bismo dodatno proširili naše opće razumijevanje kako se ova bakterija prilagođava životu u širokim raznim nišama u okolišu. Na primjer, trenutno nije poznato djeluju li mehanizmi popravljanja i mutacije oštećenja DNK koje je prof. Finkel proučavao (i za koje se pokazalo da su važni za prilagodbu na nova okruženja) u anaerobnim uvjetima. Ove će studije premostiti jaz od osnovnih istraživanja u medicinski relevantnijim područjima.

Reference

[1]. Williams, F. A., Combustion Theory, 2^nd Ed., Benjamin-Cummins, 1985.

[2]. Pojman, J. A., Hyashenko, V. M., Khan, A. M., “Free-radical frontal polymerization: self-propagating reaction waves.” J. Chem. Soc., Faraday Trans. 92, 2825 (1996).

[3]. Epstein, I. R. Pojman, J. A. An introduction to nonlinear chemical dynamics, Oxford, 1998.

[4]. Winfree, A.T., The Geometry of Biological Time, Springer-Verlag, 1990; Murray, J.D., Mathematical Biology, Springer-Verlag, 1993.

[5]. Berg, H. C., “Motile Behavior of Bacteria” Phys. Today 53, 24 (2000).

[6]. Lewis, B., von Elbe, G., Combustion, Flames, and Explosions of Gases, 3rd ed., Academic Press, 1987.

[7]. Budrene E.O., Berg H. C., “Complex patterns formed by motile cells of E. coli,” Nature 349, 630 (1991).

Atomska teorija Daltona

Source: http://www.iun.edu/~cpanhd/C101webnotes/composition/dalton.html

Demokrit prvi predložio postojanje atoma, ali je trebalo gotovo dva milenijuma prije atom je postavljen na čvrstu uporište kao temeljni kemijski objekt John Dalton (1766-1844). Iako je dva stoljeća stara, Dalton je atomska teorija ostaje na snazi u modernom kemijske misli.

Atomska teorija Daltona

Sva materija se sastoji od atoma. Atomi su nedjeljiva i neuništive.
Sve atoma datog elementa su identične mase i svojstva
Spojevi nastaju kombinacijom dva ili više različitih vrsta atoma.
Hemijske reakcije je preuređenje atoma.

Moderna atomska teorija je, naravno, malo više uključeni od Dalton teorija, ali suština Dalton teorije ostaje na snazi. Danas znamo da atomi mogu biti uništena preko nuklearne reakcije, ali ne i hemijske reakcije. Također, postoje različite vrste atoma (razlikuju od njihove mase) u element koji su poznati kao “izotopa”, ali izotopa nekog elementa imaju isti kemijska svojstva.

Mnogi do sada neobjašnjivih kemijskih fenomena su brzo objašnjava Dalton sa svojom teorijom. Dalton teorija brzo postao teorijski temelj iz hemije.

Prof. N. De Leon

Hemija jesenje boje

Source: http://scifun.chem.wisc.edu/chemweek/fallcolr/fallcolr.html

Svake jeseni širom sjeverne hemisfere, smanjenje dnevnog svjetla sati i pada temperature izazivaju stabla da se pripreme za zimu. U ovim pripremama, oni prolio milijarde tona lišća. U određenim područjima, kao što je naše, prolivanje lišća prethodi spektakularni boji show. Prethodno zeleno lišće okrenuti sjajan nijansama žute, narančaste i crvene. Ove promjene boje su rezultat transformacije u listu pigmenata.

Colorful Forest

Zelena pigment u listovima je hlorofil. Chlorophyll upija crveno i plavo svjetlo iz sunčeve svjetlosti koja pada na lišće. Dakle, svjetlo odražava na listovima se smanjuje u crvenoj i plavoj i pojavljuje se zeleni. Molekule klorofila su veliki (C55H70MgN4O6). Oni su netopiva u vodenoj otopini koja ispunjava biljne ćelije. Umjesto toga, oni su u prilogu membrane disk-poput strukture, pod nazivom hloroplasti, unutar ćelija. Hloroplasti su stranice fotosinteze, proces u kojem se energija svjetlost pretvara u hemijsku energiju. U hloroplasti, svjetlu apsorbira klorofil isporučuje energiju koja se koristi u postrojenjima za transformaciju ugljičnog dioksida i vode u kiseonik i ugljenih hidrata, koji imaju opštu formulu Cx (H2O) y.

svjetlo
x CO2 + y H2O x O2 + Cx (H2O) y
hlorofil

U ovom endothermic transformacija, energija svjetlosti apsorbira klorofila pretvara u hemijsku energiju skladišti u ugljikohidrata (šećera i škroba). Ova hemijska energija pokreće biokemijske reakcije koje uzrokuju biljke da rastu, cvijet, i proizvesti sjeme.

Hlorofil nije vrlo stabilan spoj; jakom suncu uzrokuje njegovo raspadanje. Za održavanje količinu hlorofila u listovima, biljke kontinuirano sintetizirati. Sintezu klorofila u biljkama potrebna suncu i visokim temperaturama. Dakle, tokom ljeta hlorofil kontinuirano oborio i regeneriše u lišću drveća.

Yellow leaves of a paper birch. — Papirova breza

Još jedan pigment nalazi u listovima mnogih biljaka je karoten. Karoten upija plavo-zelene i plave svjetlosti. U reflektovana karoten pojavi žuta. Karoten je i velika molekula (C40H36) koji se nalazi u hloroplasti mnogih biljaka. Kada karotena i hlorofila javljaju u istom list, zajedno oni uklone crvene, plavo-zelene, i plava svjetlost od sunca koja pada na list. Svjetlo odražava list pojavi zeleno. Karoten funkcije kao dodatak apsorber. Energija svjetlosti apsorbira karoten se prenosi na hlorofil, koji koristi energiju u fotosinteze. Karoten je mnogo stabilniji spoj od klorofila. Karoten i dalje postoji u listovima, čak i kada je nestao klorofila. Kada klorofil nestaje iz list, preostali karotena uzrokuje list da se pojavi žuta.

Treći pigmenta, ili klase pigmenata, koji se javljaju u listovima su antocijana. Antocijana apsorbiraju plava, plavo-zelene, i zeleno svjetlo. Dakle, svjetlo odražava lišće sadrži antocijana pojavi crveno. Za razliku od hlorofila i karoten, antocijanina nisu priključeni stanične membrane, ali su rastvorene u SAP ćeliji. Boja u produkciji ovih pigmenata je osjetljiva na pH sok ćelije. Ako SAP je vrlo kisela, pigmenti prenose jarko crvene boje; Ako SAP je manje kisela, njegova boja je više ljubičaste. Antocijana pigmenti su odgovorni za crvenu kožu zrelih jabuka i ljubičaste zrelog grožđa. Antocijana se formira reakciju između šećera i određenih proteina u ćeliji SAP. Ova reakcija ne dolazi do koncentracije šećera u SAP je prilično visok. Reakcija također zahtijeva svjetlo. To je razlog zašto jabuke često pojavljuju crvene s jedne strane i zeleno s druge strane; crvena strana bila na suncu i zelena strana bila u sjeni.

Tokom leta, lišće drveća su tvornice za proizvodnju šećera iz ugljičnog dioksida i vode djelovanjem svjetla na klorofila. Chlorofil uzrokuje lišće da se pojavi zeleno. (Listovi nekih stabala, kao što su breze i topole, također sadrže karoten; ovi listovi pojavljuju svjetlija zelena, jer karoten apsorbira plavo-zeleno svjetlo.) Vode i hranjivih tvari teku od korena, preko grane, a u lišće. Šećera u produkciji fotosinteze tok od lišća u druge dijelove stabla, gdje su neki od hemijske energije se koristi za rast, a neki se čuvaju. U skraćivanje dana i noći su hladne jeseni okidač promjena u stablu. Jedna od tih promjena je rast od Corky membrana između grana i lišća stabljika. Ova membrana ometa protok hranjivih tvari u list. Budući da je protok nutrijenata je prekinut, proizvodnja hlorofila u opada list, i zelena boja blijedi list. Ako list sadrži karoten, kao i lišće breze i oraha, to će se promijeniti od zelene do svijetlo žute kao hlorofil nestaje. U nekim drveća, kao koncentracija šećera u povećava list, šećer reaguje na formiranje antocijana. Ovi pigmenti uzrokovati žutilo lišća da biste crveno. Crveni javori, crvena hrasta i ruje proizvoda antocijana u izobilju i prikazati najsjajnijih crvene i ljubičaste u jesen pejzaž.

Opseg i intenzitet boje jeseni je u velikoj mjeri utiče na vrijeme. Niske temperature uništiti klorofila, a ako ostanu iznad nule, promovira formiranje antocijana. Jarko sunce i uništava klorofil i povećava proizvodnju antocijana. Suša, povećanjem koncentracije šećera u SAP, također povećava količinu antocijana. Dakle, najsjajnije jesen boje se proizvode kada se slijede suho, sunčanih dana po hladnom i suvom noći.

U posljednjih nekoliko godina, jesenje boje su privlači sve više i više turista i putnika za premijera regije boja: New England, Michigan, i Wisconsin. (U Wisconsin, turista pada boje potrošiti preko 1 milijarde $.) Prava kombinacija vrsta drveća i vjerojatno vremenskim uslovima proizvesti najspektakularnijih prikazuje na ovim prostorima. Države na ovim prostorima održavaju pada lišće “SOS telefon”, držeći Watchers boja obaviješteni od lokacija vrhunac gledanja i vremena. U Wisconsin, ova informacija se pruža Divizija turizma na (800) 432-8747 i na web-u www.travelwisconsin.com/search/FallColorReport.html. U Sjedinjenih Američkih Država Šuma servis posluje pad Foliage Hotline na (800) 354-4595. A detaljan izvještaj se može naći na web adresi www.fs.fed.us/news/fallcolors/.

H2O – Misterija, Umjetnost i Nauka Vode

Source: http://witcombe.sbc.edu/water/chemistrystructure.html

Hemija vode

Profesor Jill Granger

Struktura značiti funkcija

Odabrani program SciLinks, usluga Nacionalne Asocijacije Nastavnici z Nauki. Copyright 1999 – 2002

Voda je hemikalija!?

Zaista! Voda je jedan od naših izobilju kemikalija. Njegova hemijska formula, H2O, je vjerojatno najpoznatiji od svih kemijskih formula.

Šta hemijsku formulu nam?

Formula H2O nam govori da je jedna molekula vode se sastoji od 2 atoma vodika i jednog atoma kisika vezanih zajedno. Obveznice koje drže vodik i kisik zajedno nazivaju kovalentne veze – one su vrlo jaki.

Pogledajmo sliku molekula vode: U ovoj slici su dva vodonika predstavljaju bijele sfere i kisika crvenom sfera.

IZVOR SLICE: “Chemistry and Life”, 4th Edition, John W. Hill, Dorothy M. Feigl, and Stuart J. Baum, Macmillan Publishing Company, New York, 1993

U ovoj drugoj slici, vodonika su prikazani kao bijele sfere, u oygen kao crvene sfere. U ‘štapići’ drži vodonika do kisika predstavljaju kovalentne veze.

Zašto molekula vode izgledaju savijena?

Molekula vode održava savijena oblik (savijena na 107.5 stupnjeva zapravo) zbog dva razloga. Prvo tetraedralna aranzmana oko kisika i Drugog prisustvo usamljeni par elektrona na kisik.

Koji su Lone par Elektroni?

To su elektroni koji nisu uključeni u kovalentne veze. Parova elektrona su prepušteni sami sebi. U našoj slici su predstavljene dvostruko tačaka. Ovi usamljeni parovi su vrlo negativno – sadrži dva negativna elektrona svaki – i žele da ostanu daleko jedni od drugih što je više moguće. Ove odbojna sila djelovati kako bi gurnuti vodonika bliže zajedno

Da li ste rekli “tetraedralna” – Šta to znači?

Tetraedralna znači “četiri-sided”. U hemiji tumačimo to u našoj mašti. Draw centralni atom u imaginarnom prostoru. Sljedeći put atomi vezan za centralni atom oko njega tako da je maksimalna udaljenost između njih. Aranžman ćete usvojiti će biti u obliku tetraedra. Ova molekularna oblik je prikazan ispod. Ona ima redovne uglova obveznica od 109,5

IZVOR SLICE: “Kemija i život”, 4. izdanje, John W. Hill, Dorothy M. Feigl, i Stuart J. Baum, Macmillan Publishing Company, New York 1993.

Ako radimo sličan raspored vode, stavljanje kisika u samom centru, a uz pomoć dva vodonika i dva slobodnih parova na uglovima, smo došli do tetraedarsku aranžman. Međutim, postoji jedna bitna razlika – uglove obveznica za vodu nisu 109.5. Zbog prisustva vrlo negativan usamljeni par elektrona, dva vodonika su stisnuti zajedno kao dva usamljeni para izvuku jedni od drugih, koliko god je to moguće. Ugao rezultat daje vodu pod uglom od 104,5 obveznica. Zato što ne “vidi” elektrona, rezultirajući tetraedar “izgleda” Savijen!

Šta je poenta?

Kao i mnoge stvari u kemijskoj svijetu, oblik i struktura molekula je važna determinanta svoju funkciju. Značaj savijene strukture vode je u tome što daje vodu sa dva različita “strane”: Jedna strana molekula vode ima dva negativna slobodnih parova, dok s druge strane predstavlja dva vodonika. Uzmimo još jedan pogled:

[Slika mape gustoće elektrona vode]

Da li to da voda neobično?

DA! Ali to ne samo da je molekula je savijena što ga čini posebnim. Voda je također vrlo polarne – dvije strane vode imaju vrlo različite naknade.

Usamljen parovi su negativni – Da li su vodonika pozitivan?

U vodonika su blago pozitivan. Oni su se na taj način zbog “elektronegativnosti” kisika. Elektronegativnosti je mjera koliko jedan atom želi da ima elektrona, i kisika želi da ima elektrona više od vodika radi. Kisik ima veću elektronegativnost. Zbog ove razlike u elektronegativnosti, elektroni u kovalentne veze između kisika i vodika se malo povukao prema kisika. To ostavlja vodonika malo elektron-manjak i time blago pozitivan. Možemo izvući ovu polarizacija ovako:

IZVOR SLICE: “Kemija u kontekstu” Wm C Brown Publishers, Dubuque Iowa, 2. izdanje, projekt American Chemical Society, ed:. A. Truman Schwartz et al 1997, Poglavlje 5 “The Wonder of Water”

Ili gledajući ga iz “neto polarizacija” perspektive, ovako:

Šta polarizacije imaju veze sa svojstvima vode?

Sve! Jer voda ima blago negativan kraj i blago pozitivan kraj, može komunicirati sa sobom i čine visoko organiziranog ‘Inter-molekularne’ mreže. Pozitivna vodonik kraj jednog molekula može komunicirati povoljno sa negativnim usamljeni par drugog molekula vode. Ova interakcija je poziv “vodikove veze”. To je vrsta slab elektrostatičkog atrakcija (pozitivnog u negativni). Jer, svaki jedan od molekula vode može formirati četiri vodikovih veza, formira razrađen mrežu molekula.

Ali, ako je vodonik obveznice su slabi, kako oni mogu biti važni?

Razmislite o tome koliko ima! Tu je snaga u brojevima!
Polaritet omogućava vode interakciju sa električno polje:

I za interakciju s drugim polarnim molekulama – koji je kako materije postati otopljenih u vodi.