A: Основи фізики та хімії, важливі для мікробіології

Атомна структура

Життя складається з матерії. Матерія займає простір і має масу. Вся матерія складається з атомів. Всі атоми містять протони, електрони і нейтрони (рис.\(\PageIndex{1}\)). Виняток становить лише водень (Н), який зроблений з одного протона і одного електрона. Протон - це позитивно заряджена частинка, яка знаходиться в ядрі (ядрі атома) атома і має масу 1 атомну одиницю маси (аму) і заряд +1. Електрон - це негативно заряджена частинка, яка подорожує в просторі навколо ядра. Електрони розподіляються в різних енергетичних рівнях, які називаються електронними оболонками. Електрони мають мізерно малу масу і заряд -1. Нейтрони, як і протони, мешкають в ядрі атома. Мають масу 1 аму і без заряду (нейтральні). Позитивний (протонний) і негативний (електронний) заряди врівноважують один одного в нейтральному атомі, який має чистий нульовий заряд. Оскільки протони та нейтрони мають масу 1 аму, маса атома дорівнює кількості протонів і нейтронів цього атома. Кількість електронів не впливає на загальну масу, оскільки маса електронів настільки мала.

Хімічні елементи

Вся матерія складається з атомів елементів. Елементи мають унікальні фізико-хімічні властивості і є речовинами, які не можуть бути легко перетворені ні фізично, ні хімічно в інші речовини. Кожному елементу було дано ім'я, як правило, походить від латинської або англійської мови. Елементи також мають одно- або двобуквені символи, що представляють назву; наприклад, натрій (Na), золото (Au) і срібло (Ag) мають скорочення, отримані від своїх оригінальних латинських назв natrium, aurum і argentum відповідно. Прикладами з англійськими скороченнями є carbon (C), hydrogen (H), oxygen (O) та азот (N). Загалом у періодичній таблиці елементів було визначено та організовано 118 різних елементів (92 з яких відбуваються природним шляхом). З природних елементів менше 30 знаходяться в організмах на Землі, а чотири з них (C, H, O і N) складають приблизно 96% маси організму. ¹

Кожен унікальний елемент ідентифікується за кількістю протонів в його атомному ядрі. Крім протонів атомне ядро кожного елемента містить рівну або більшу кількість нейтронів (за винятком водню, який має всього один протон). Загальна кількість протонів на елемент описується як атомний номер, а об'єднана маса протонів і нейтронів називається атомною масою або масовим числом. Тому визначити кількість нейтронів можна, віднімаючи атомний номер з числа маси.

Ізотопи - це різні форми одного і того ж елемента, які мають однакову кількість протонів, але різну кількість нейтронів. Багато елементів мають кілька ізотопів з одним або двома часто зустрічаються ізотопами в природі. Наприклад, вуглець-12 (¹² С), найпоширеніший ізотоп вуглецю (98,6% всіх С, виявлених на Землі), ² містить шість протонів і шість нейтронів. Тому він має масове число 12 (6 протонів + 6 нейтронів) і атомний номер 6.

Існує два додаткових типи ізотопів в природі: важкі ізотопи, і радіоізотопи. Важкі ізотопи мають один або кілька додаткових нейтронів, зберігаючи при цьому стабільне атомне ядро. Прикладом важкого ізотопу є вуглець-13 (¹³ С) (1,1% всього вуглецю). ^{3 13} С має масове число 13 (6 протонів + 7 нейтронів). Оскільки атомний номер ¹³ С дорівнює 6, він все ще є елементом вуглецю; однак він має більшу масу, ніж більш поширена форма елемента, ¹² С, через додатковий нейтрон в ядрі. ^{Вуглець-14 (14} С) (0,0001% всього вуглецю) ⁴ є прикладом радіоізотопу. ¹⁴ С має масове число 14 (6 протонів + 8 нейтронів); однак зайві нейтрони в ¹⁴ С призводять до нестабільного ядра. Ця нестабільність призводить до процесу радіоактивного розпаду. Радіоактивний розпад передбачає втрату одного або декількох нейтронів і виділення енергії у вигляді гамма-променів, альфа-частинок або бета-частинок (в залежності від ізотопу).

Важкі ізотопи та радіоізотопи вуглецю та інших елементів виявилися корисними в дослідженнях, промисловості та медицині.

Хімічні зв'язки

Існує три типи хімічних зв'язків, які важливі при описі взаємодії атомів як всередині молекул, так і між ними в мікробіології: (1) ковалентні зв'язки, які можуть бути як полярними, так і неполярними, (2) іонні зв'язки та (3) водневі зв'язки. Існують і інші типи взаємодій, такі як лондонські сили дисперсії та сили ван дер Ваальса, які також можна було б обговорювати при описі фізичних та хімічних властивостей міжмолекулярних взаємодій атомів, але ми не будемо включати описи цих сил сюди.

Хімічний зв'язок визначається зовнішньою оболонкою електронів, званої валентними електронами (VE) атома. Кількість ВЕ має важливе значення при визначенні кількості і типу хімічних зв'язків, в яких буде утворюватися атом.

Ковалентні облігації

Найміцнішою хімічною зв'язком між двома і більше атомами є ковалентний зв'язок. Ці зв'язки утворюються, коли електрон ділиться між двома атомами, і це найпоширеніша форма хімічного зв'язку в живих організмах. Ковалентні зв'язки утворюються між атомами елементів, що складають біологічні молекули в наших клітиках. Прикладом простої молекули, утвореної ковалентними зв'язками, є вода, H ₂ O, з одним VE на атом H і 6 ВЕ на атом О. Завдяки конфігурації VE кожен атом Н здатний приймати один додатковий VE і кожен атом O здатний прийняти два додаткових VE. При обміні електронами атоми водню і кисню, які об'єднуються, утворюючи молекули води, з'єднуються між собою ковалентними зв'язками (рис.\(\PageIndex{2}\)). Електрон від атома водню ділить свій час між зовнішньою електронною оболонкою атома водню і найвіддаленішою електронною оболонкою атома кисню. Для повного заповнення зовнішньої оболонки атома кисню потрібні два електрони від двох атомів водню, отже, індекс «2», що вказує на два атоми Н в молекулі Н ₂ О. Цей розподіл є більш низьким енергетичним станом для всіх задіяних атомів, ніж якби вони існували без заповнених їх зовнішніх оболонок.

Існує два типи ковалентних зв'язків: полярні і неполярні. Неполярні ковалентні зв'язки утворюються між двома атомами однакових або різних елементів, які поділяють електрони порівну (рис.\(\PageIndex{2}\)). У полярному ковалентному зв'язку електрони, що поділяються атомами, проводять більше часу ближче до одного ядра, ніж до іншого ядра. Через нерівномірного розподілу електронів між різними ядрами розвивається трохи позитивний (Δ+) або трохи негативний (δ—) заряд. Вода - приклад молекули, утвореної полярними ковалентними зв'язками (рис.\(\PageIndex{2}\)).

Молекулярна формула, молекулярна маса та моль

Для молекул, утворених ковалентними зв'язками, молекулярна формула представляє кількість і типи елементарних атомів, що складають молекулу. Як приклад розглянемо молекулу глюкози, яка має молекулярну формулу C ₆ H ₁₂ O ₆. Ця молекулярна формула вказує на те, що одна молекула глюкози утворюється з шести атомів вуглецю, дванадцяти атомів водню і шести атомів кисню.

Молекулярну масу молекули можна розрахувати за допомогою молекулярної формули та атомної маси кожного елемента в молекулі. Кількість кожного типу атома множиться на атомну масу; потім продукти додаються, щоб отримати молекулярну масу. Наприклад, молекулярна маса глюкози, C ₆ H ₁₂ O ₆ (рис.\(\PageIndex{3}\)), розраховується як:

\ [\ begin {масив} {l}
\ текст {маса вуглецю} & =12\:\ frac {\ mathrm {amu}} {\ mathrm {атом}}\ час 6\ текст {атоми} =72\ текст {amu}\
\ текст {маса водню} & =1\:\ frac {\ mathrm {amu}} {\ mathrm {атом}}\ times 12\ text {атоми} =12\ text {amu}\
\ text {маса кисню} & ; =16\:\ frac {\ mathrm {amu}} {\ mathrm {атом}}\ раз 6\ текст {атоми} =96\ текст {amu}
\\ текст {amu} & =72\ текст {amu} +12\ текст {amu} +96\ текст {amu} =180\ текст {amu}
\ кінець {масив}\

Експериментально визначено кількість сутностей, що складають моль, становить 6.022 × 10 ²³, фундаментальна константа під назвою число Авогадро (NA) або константа Авогадро. Ця константа правильно повідомляється з явною одиницею «на моль».

Енергія

Термодинаміка відноситься до вивчення енергії та передачі енергії за участю фізичної речовини.

Матерія, яка бере участь у конкретному випадку передачі енергії, називається системою, а все, що поза цією матерії, називається оточенням. Існує два типи систем: відкрита і закрита. У відкритій системі енергія може обмінюватися з її оточенням. Закрита система не може обмінюватися енергією зі своїм оточенням. Біологічні організми - це відкриті системи. Енергія обмінюється між ними та навколишнім середовищем, оскільки вони використовують енергію сонця для виконання фотосинтезу або споживають молекули, що зберігають енергію, та вивільняють енергію в навколишнє середовище, виконуючи роботу та виділяючи тепло. Як і всі речі у фізичному світі, енергія підпорядковується фізичним законам. Взагалі енергія визначається як здатність робити роботу, або створювати якісь зміни. Енергія існує в різних формах. Наприклад, електрична енергія, світлова енергія та теплова енергія - це все різні види енергії. Перший закон термодинаміки, який часто називають законом збереження енергії, стверджує, що загальна кількість енергії у Всесвіті постійна і збережена. Енергія існує в самих різних формах. Згідно з першим законом термодинаміки, енергія може передаватися з місця на місце або трансформуватися в різні форми, але вона не може бути створена або знищена.

Завдання для всіх живих організмів полягає в тому, щоб отримати енергію з оточення у формах, які вони можуть передавати або перетворювати в корисну енергію для виконання роботи. Мікроорганізми еволюціонували для вирішення цього виклику. Хімічна енергія, що зберігається в органічних молекулах, таких як цукри та жири, передається і перетворюється за допомогою серії клітинних хімічних реакцій в енергію всередині молекул АТФ. Енергія в молекулах АТФ легко доступна для роботи. Приклади видів роботи, які повинні зробити клітини, включають будівництво складних молекул, транспортування матеріалів, живлення руху вій або джгутиків та скорочення м'язових волокон для створення руху.

Першочергові завдання мікроорганізму отримання, перетворення та використання енергії для роботи можуть здатися простими. Однак другий закон термодинаміки пояснює, чому ці завдання складніше, ніж вони з'являються. Всі передачі та перетворення енергії ніколи не бувають повністю ефективними. При кожній передачі енергії деяка кількість енергії втрачається в непридатному для використання вигляді. У більшості випадків такою формою є теплова енергія. Термодинамічно теплова енергія визначається як енергія, що передається від однієї системи до іншої, яка не працює. Наприклад, деяка енергія втрачається у вигляді теплової енергії під час клітинних метаболічних реакцій.

Чим більше енергії, яка втрачається системою до свого оточення, тим менш впорядкована і більш випадкова система. Вчені називають міру випадковості або розладу всередині системи як ентропію. Висока ентропія означає високий розлад і низьку енергію. Молекули та хімічні реакції також мають різну ентропію. Наприклад, ентропія збільшується у міру того, як молекули при високій концентрації в одному місці дифузно і розтікаються. Другий закон термодинаміки говорить про те, що енергія завжди буде втрачатися як тепло в енергетичних передачах або перетвореннях. Мікроорганізми високо впорядковані, що вимагає постійного надходження енергії для підтримки в стані низької ентропії.

Хімічні реакції

Хімічні реакції відбуваються, коли два або більше атомів зв'язуються між собою, утворюючи молекули або коли пов'язані атоми розщеплюються. Речовини, що використовуються в хімічній реакції, називаються реагентами (зазвичай знаходяться на лівій стороні хімічного рівняння), а речовини, що утворюються в результаті реакції, відомі як продукти (зазвичай знаходяться на правій стороні хімічного рівняння). Стрілка зазвичай малюється між реагентами та продуктами, щоб вказати напрямок хімічної реакції; цей напрямок не завжди є «вулицею з одностороннім рухом».

Прикладом простої хімічної реакції є руйнування молекул пероксиду водню, кожна з яких складається з двох атомів водню, пов'язаних з двома атомами кисню (H ₂ O ₂). Реагент перекис водню розщеплюється на воду, що містить один атом кисню, пов'язаний з двома атомами водню (Н ₂ О), і кисень, який складається з двох зв'язаних атомів кисню (O ₂). У рівнянні нижче реакція включає дві молекули пероксиду водню і дві молекули води. Це приклад збалансованого хімічного рівняння, в якому кількість атомів кожного елемента однакова з кожного боку рівняння. Згідно із законом збереження речовини, кількість атомів до і після хімічної реакції має бути рівним, таким, щоб жоден атом при нормальних обставин не створювався або не руйнувався.

\[\ce{2H2O2\:(hydrogen\: peroxide)⟶2H2O\:(water) + O2\:(oxygen)}\]

Деякі хімічні реакції, такі як показана вище, можуть протікати в одному напрямку, поки всі реагенти не будуть витрачені. Рівняння, що описують ці реакції, містять односпрямовану стрілку і є незворотними. Оборотні реакції - це ті, які можуть йти в будь-якому напрямку. У оборотних реакціях реагенти перетворюються в продукти, але коли концентрація продукту піднімається вище певного порогу (характерного для конкретної реакції), деякі з цих продуктів будуть перетворені назад в реагенти; в цей момент позначення продуктів і реагентів змінюються. Зміни концентрації тривають до тих пір, поки не відбудеться певний відносний баланс концентрації між реагентами та продуктами - стан, який називається хімічною рівновагою. У цей момент продовжують відбуватися як пряма, так і зворотна реакції, але вони роблять це з однаковою швидкістю, тому концентрації реагентів і продуктів не змінюються. Ці ситуації оборотних реакцій часто позначаються хімічним рівнянням з двоголовою стрілкою, спрямованою як на реагенти, так і продукти. Наприклад, коли вуглекислий газ розчиняється у воді, він може робити це як газ, розчинений у воді, або реагуючи з водою з утворенням вугільної кислоти. У клітині деяких мікроорганізмів швидкість вироблення вугільної кислоти прискорюється ферментом карбоангідрази, як зазначено в наступному рівнянні:

\[\ce{CO2 + H2O \stackrel{carbonic}{\stackrel{anhydrase}{\rightleftharpoons}} H2CO3 \rightleftharpoons H+ + HCO3-}\]

Властивості води і розчинів

Атоми водню та кисню в молекулах води утворюють полярні ковалентні зв'язки. Загального заряду до молекули води немає, але є один ⁺ на кожному атомі водню і два ^- на атомі кисню. Кожна молекула води притягує інші молекули води через позитивних і негативних зарядів в різних частинок молекули (рис.\(\PageIndex{4}\)). Вода також притягує інші полярні молекули (наприклад, цукри), утворюючи водневі зв'язки. Коли речовина легко утворює водневі зв'язки з водою, воно може розчинятися у воді і називається гідрофільним («водолюбний»). Водневі зв'язки не легко утворюються з неполярними речовинами, такими як олії та жири. Ці неполярні сполуки є гідрофобними («бояться води») і орієнтуватимуться подалі від води та уникають її.

Водневі зв'язки у воді дозволяють їй поглинати і виділяти теплову енергію повільніше, ніж багато інших речовин. Це означає, що вода помірковує зміни температури всередині організмів і в їх середовищах. Оскільки енергія триває, баланс між утворенням водневих зв'язків та розривом коливається в бік меншої кількості водневих зв'язків: порушується більше зв'язків, ніж утворюється. Цей процес призводить до виділення окремих молекул води на поверхні рідини (наприклад, водойми, листя рослини або шкіри організму) у процесі, який називається випаровуванням.

І навпаки, коли молекулярний рух зменшується і температура падає, менше енергії присутній для розриву водневих зв'язків між молекулами води. Ці зв'язки залишаються недоторканими і починають утворювати жорстку, схожу на решітку структуру (наприклад, лід). При заморожуванні лід менш щільний (молекули знаходяться далі один від одного), ніж рідка вода. Це означає, що лід плаває на поверхні водойми. В озерах, ставках та океанах лід утворюватиметься на поверхні води, створюючи ізоляційний бар'єр для захисту тваринного та рослинного життя внизу від замерзання у воді. Якби цього не сталося, рослини і тварини, що живуть у воді, замерзали б в брилі льоду і не могли вільно рухатися, ускладнюючи або неможливим життя при холодних температурах.

Оскільки вода полярна, з невеликими позитивними і негативними зарядами, іонні сполуки і полярні молекули можуть легко розчинятися в ній. Отже, вода називається розчинником - речовиною, здатною розчиняти іншу речовину. Заряджені частинки утворюватимуть водневі зв'язки з навколишнім шаром молекул води. Це називається сферою гідратації і служить для утримання іонів відокремлених або диспергованих у воді (рис.\(\PageIndex{5}\)). Ці сфери гідратації також називають гідратаційними оболонками. Полярність молекули води робить її ефективним розчинником і має важливе значення в багатьох її ролей в живих системах.

Здатність комах плавати і кататися по водоймі виникає в результаті властивості згуртованості. У згуртованості молекули води притягуються один до одного (через водневий зв'язок), утримуючи молекули разом на межі розділу рідина-повітря (газ). Згуртованість породжує поверхневий натяг, здатність речовини протистояти розриву при розміщенні під напругою або напругою.

Ці сили згуртованості також пов'язані з властивістю води адгезії або тяжіння між молекулами води та іншими молекулами. Це спостерігається, коли вода «піднімається» вгору по соломинці, поміщеної в склянку з водою. Ви помітите, що вода, здається, вище з боків соломи, ніж посередині. Це пояснюється тим, що молекули води притягуються до соломи і тому прилипають до неї.

Згуртованість та адгезія також є факторами бактеріальних колоній та утворення біоплівки. Згуртованість зберігає колонію неушкодженою (допомагає їй «прилипати» до поверхні), тоді як адгезія утримує клітини, прилиплі один до одного. Згуртовані та адгезійні сили важливі для підтримки життя. Наприклад, завдяки цим силам вода в природному середовищі забезпечує умови, необхідні для того, щоб бактеріальні та архейні клітини прилипли і накопичувалися на поверхнях.

Кислоти та основи

РН розчину є мірою концентрації іонів водню (H ⁺) та гідроксид-іона (OH ^-) і описується як кислотність або лужність відповідно. Кислотність і лужність (також називають основністю) можна виміряти і обчислити. рН може бути просто представлений математичним рівнянням,\(\mathrm{pH=-\log_{10}[H^+]}\). У лівій частині рівняння «p» означає «від'ємний логарифм", а H - [H ⁺]. У правій частині рівняння [H ⁺] - концентрація Н ⁺ в моль/Л. Те, що не представлено в цьому простому рівнянні, - це внесок ОН ^-, який також бере участь у кислотності або лужності. Розрахунок рН призводить до діапазону чисел від 0 до 14, який називається шкалою pH (рис.\(\PageIndex{6}\)). Значення рН між 0 і 6,9 вказує на кислоту. Його також називають низьким рН, через високу [Н ⁺] і низьку концентрацію [ОН ^-]. Значення рН між 7,1 і 14 вказує на луг або основу. Його також називають високим рН, через низьку [Н ⁺] і високу концентрацію [ОН ^-]. РН 7 описується як нейтральний рН і виникає, коли [H ⁺] дорівнює [OH ^—].

Зміна однієї одиниці за шкалою рН являє собою зміну [H ⁺] в 10 разів, зміна двох одиниць являє собою зміну [H ⁺] в 100 разів. Таким чином, невеликі зміни рН представляють великі зміни в [H ⁺].