Cell culture, part 3/3. Math 3c, task 2473-2521

Cell culture, part 3/3; Gram-negative and gram-positive bacteria, butter production and sugars. English version.

A little personal first about what's going on in my life. I've been through so much love and care just recently. My mom says that she sees a lot of potential in me, so she wants to help me financially so that I can continue my studies, instead of having to divide myself between both work and studies. I maybe can't think of a better gift than this to give to your child. So I'm busy with different things, and I will unfortunately publish less often (without quitting completely of course). It is estimated that there will be 2 posts per year, one during the winter and one during the summer! I'm curious to see how my posts will be in the future, compared to now! The difference will certainly be noticeable. So enjoy this year's last post on the blog, and I'll be back in the summer. I also want to recommend 2 books that are very worth reading. #1. The Chemist, by Stephenie Meyer (she wrote "Twilight Saga"). There's action and eerie ingenuity here! #2. The Standard Model, by Helena Granström. Full of facts and sexual. See you! :

There are basically only two fermentations and one gives alcohol as a by-product and the other gives lactic acid/lactate as a by-product. Glucose becomes pyruvate through oxidation (when an oxide is formed) and we thus get C₃H₃O₃^-, which is a conjugated base of the pyruvic acid, C₃H₃O₂OH. This can be done both anaerobically (non-oxygen-demanding) and aerobically. Now, pyruvate can occupy a proton (positive nuclear particle), as this is what characterizes conjugated bases. One can take sulfuric acid, H₂SO₄, as an example as well, as this can form 2 negatively charged conjugated bases in a reaction with proton transitions, HSO₄^- and SO₄^2-. There are conjugated acids as well, and these emit hydrogen cations/protons instead. Lactobacillus can handle very acidic environments and is worth taking a closer look at. This homofermentative bacterium continues to grow and form lactic acid, when other species of lactic acid-forming bacteria have quit, and stopped tolerating low pH during fermentation (in the final stage).

This gram-positive bacterium (G+), lactobacillus, is used to make many foods, such as cheese, butter and sauerkraut! A bacterium is stained red during a typical gram staining test if it is gram negative, because then the red color, e.g. fuksin, can be absorbed by them by forming complexes in the cell fluid (note, different companies use different marking colors). The gram-negative bacteria have a very thin peptidoglycan layer compared to the gram-positive ones. Triphenylmethane, (C₆H₅)₃CH, among others, adheres to the cytoplasm of G-, as it is found in fuksin/aniline red. Each phenyl group, -C₆H₅, on it has an amino group added. These paints are intense and are often used in industries, but the fastness varies greatly. In any case, a phenyl group is hydrophobic, ring-shaped and aromatic. Thanks to the resonant effect, aromatics become stable. This is largely thanks to both single and double bonds in the molecular ring. The stability effect in question is achieved by the interaction of pi complexes (see figures above).

Aromatics become stable because they have at least one benzene ring, C₆H₆, which is also called an aromatic ring, and in this there are delocalized electrons (it is not possible to define a bond). Often you show the benzene ring with 3 double bonds and 3 single bonds inside, but in reality these delocalized electrons lies as a single electron cloud inside. This kind of overlap of atomic orbitals is called a pi complex, and is common in organic chemistry (a branch of chemistry consisting of millions of different molecules, where carbon binds to different atoms). Atoms that share 2 or 3 electron pairs often get these strong pi bonds in question. Aromatics become stable because the resonant structure provides an even distribution of electrons in the aromatic ring (or rings), and because of this, the molecule becomes neutrally charged. The carcinogenic benzene dissolves in tetrachloromethane; CCl₄ (l) + (benzene) C₆H₆ (l) --> CCl₄ (aq) There was no chemical reaction, but they are homogeneously mixed, like ethanol and water.

Both gram-positive and gram-negative bacteria can develop antibiotic resistance. The gram-negative variety has an outer lipid membrane (lipid = a type of fat) that can prevent the destruction caused by antibiotics. Otherwise, the drug causes a permeability disturbance in the cell wall, so the bacterium dies due to leakage of substances. The second cell membrane on the outside is made of peptidoglycan (of carbohydrates and amino acids in chain-shaped molecules, polymers). Some methods (of many different ones) that the gram-negative bacteria use are, among other things, to change the construction of the lipid membrane so that the permeability decreases, so that antibiotics do not penetrate the microorganism. Some gram-negative bacteria also produce beta-lactamases, which through an enzymatic reaction, in this case by hydrolysis (when a molecule is cleaved with water), breaks down the beta-lactam ring in e.g. penicillin. This then becomes a non-active compound that cannot stop cell wall synthesis in microorganisms.

Lactobacillus and butter production. After separating fat from e.g. milk by churning (stirring), lactobacillus is used for acidification a little later in the process, and the bacteria convert lactose into lactic acid. The pH value is lowered and the butter batter becomes sour in taste. From lactic acid, HC₃H₅O₃, you can easily get sodium lactate, NaC₃H₅O₃, in the laboratory; HC₃H₅O₃ + NaOH --> NaC₃H₅O₃ + H₂O In the body, some sodium lactate is formed after fermentation of carbohydrates, such as corn or carrots. In the previous step, it was pyruvate that became lactic acid thanks to energy released during glycolysis. Sodium lactate is used in medicine, skin care and to extend the shelf life of food.  The molecule contains the metabolic waste lactate, which is the end product of the anaerobic glucose digestion. The salt is alkalinizing, because in some biochemical processes some of it is converted into bicarbonate and carbon dioxide, in order to preserve homeostasis (equilibrium, balance with the environment).

Something about sugars. The body uses glucose as an energy source and also for e.g. building materials in the cells. We usually talk about monosaccharides, uncompounded, simple sugars (e.g. fructose, galactose). The second group is oligosaccharides (dietary fiber that feeds good gut bacteria, found in e.g. asparagus and onions), and the third group is polysaccharides (high molecular weight carbohydrate of many monosaccharides, the structures here can look very different). Hexoses have 6 carbons and both glucose and fructose belong here. The formulas are the same, C₆H₁₂O₆, however, within the molecules, there are different chemical properties. Both have 5 OH groups each, which makes them water-soluble. They are also reaction sites to other molecules. In addition, OH groups can be oxidized, for example, so that the cell can receive energy that has been released, so it survives, etc. Fructose has a keto group, C=O, which makes it more reactive. It also participates in many biochemical reactions, such as: C₆H₁₂O₆ (fructose) + H₂O <-> C₆H₁₂O₆ (glucose) + C₆H₁₂O₆ (fructose).

Cell culture, part 3/3; Gram-negative and gram-positive bacteria, butter production and sugars. Swedish version.

Lite personligt först om vad som händer i mitt liv. Jag har varit med om så mycket kärlek och omtanke alldeles nyligen. Min mamma säger att hon ser mycket potential i mig, så hon vill hjälpa mig ekonomiskt så att jag kan studera vidare, istället för att behöva dela upp mig mellan både jobb och studier. Jag kanske inte kan tänka mig en bättre gåva än detta att ge till sitt barn. Alltså har jag fullt upp med olika saker, och jag kommer tyvärr att publicera lite mer sällan (utan att lägga ner helt förstås). Det beräknas att bli 2 inlägg per år, ett under vintern och ett under sommaren! Jag är själv nyfiken på hur mina inlägg kommer att bli i framtiden, jämfört med nu! Skillnaden kommer säkert vara påtaglig. Så njut av årets sista inlägg på bloggen, så återkommer jag i sommar. Vill även tipsa om 2 böcker som är väldigt läsvärda. #1. The Chemist, av Stephenie Meyer (hon skrev ”Twilight Saga”). Här finns det action och kuslig uppfinningsrikedom! #2. Standardmodellen, av Helena Granström. Kunskapsrik och sexuell. Vi hörs! :

Det finns i grunden bara två stycken fermenteringar och den ena ger alkohol som biprodukt och den andra ger mjölksyra/laktat som biprodukt. Glukos blir till pyruvat genom oxidering (när en oxid bildas) och vi får alltså C₃H₃O₃^- , som är en konjugerad bas av pyruvinsyran, C₃H₃O₂OH. Detta kan ske både anaerobt (icke syre-krävande) och aerobt. Nu kan pyruvatet uppta en proton (positiv kärnpartikel), eftersom det är detta som kännetecknar konjugerade baser. Man kan ta svavelsyra, H₂SO₄, som exempel också, då denna kan bilda 2 stycken negativt laddade konjugerade baser i en reaktion med protonövergångar, HSO₄^- och SO₄^2- . Det finns konjugerade syror också, och dessa avger istället vätekatjoner/protoner. Lactobacillus klarar mycket sura miljöer och är värd att kolla mycket närmare på. Denna homofermentativa (ger en restprodukt) bakterie fortsätter att växa och bilda mjölksyra, när andra arter av mjölksyrabildande bakterier har lagt av, och slutat att tåla lågt pH under jäsning (i slutstadiet).

Man använder denna grampositiva bakterie (G+), lactobacillus, när man tillverkar många livsmedel, som t.ex. ost, smör och surkål! En bakterie färgas röd under ett typiskt gramfärgningstest om den är gramnegativ, för då kan den röda färgen, t.ex. fuksin, tas upp av dem genom att den bildar komplex i cellvätskan (obs, olika företag använder olika markeringsfärger). De gramnegativa bakterierna har ett mycket tunt peptidoglykanlager jämfört med dem grampositiva. Trifenylmetan, (C₆H₅)₃CH, bl.a., fastnar i cytoplasman hos G-, eftersom den finns i fuksin/anilinrött. Varje fenylgrupp, -C₆H₅, på denna har en aminogrupp adderad. Dessa färger är intensiva och används ofta inom industrier, men beständigheten varierar mycket. En fenylgrupp är i alla fall hydrofob, ringformad och aromatisk. Tack vare resonanseffekten så blir aromater stabila, mycket tack vare både enkel- och dubbel-bindningar i den molekylära ringen. Stabilitetseffekten i fråga uppnås vid växelverkan mellan pi-komplex (se bilder ovan).

Aromater blir stabila för att de har minst en bensen-ring, C₆H₆, som även kallas för aromatisk ring, och i denna finns delokaliserade elektroner (det går inte att definiera en bindning). Ofta brukar man visa bensen-ringen med 3 dubbelbindningar och 3 enkelbindningar inuti, men i verkligheten ligger dessa delokaliserade elektroner som ett enda elektronmoln där inne. En sådan här överlappning av atomorbitaler kallas för pi-komplex, och är vanlig inom organisk kemi (en kemi-gren bestående av miljontals olika molekyler, där kol binder till olika atomer). Atomer som delar 2 eller 3 elektronpar får ofta dessa starka pi-bindningar i fråga. Aromater blir stabila för att resonansstruktur ger en jämn fördelning av elektroner i den aromatiska ringen (eller ringar), och på grund av detta blir molekylen neutralt laddad. Den cancerogena bensen löser sig i tetraklormetan; CCl₄ (l) + (bensen) C₆H₆ (l) --> CCl₄ (aq) Det skedde ingen kemisk reaktion utan de är homogent blandade, som etanol och vatten.

Både grampositiva och gramnegativa bakterier kan utveckla fram antibiotikaresistens. Den gramnegativa sorten har ett yttre lipidmembran (lipid=ett slags fett) som kan förhindra en förstörelse orsakad av antibiotika. Läkemedlet gör annars en permeabilitets störning i cellväggen, så bakterien dör p.g.a. läckage av ämnen. Det andra cellmembranet på utsidan är gjort utav peptidoglykan (av kolhydrater och aminosyror i kedjeformiga molekyler, polymerer). Några metoder (av många olika) som de gramnegativa bakterierna använder sig utav är bl.a. att ändra på konstruktionen av lipidmembranet så att genomträngligheten minskar, så tränger inte antibiotika in i mikroorganismen. Vissa gramnegativa bakterier producerar även beta-laktamaser, som genom en enzymatisk reaktion, i det här fallet genom hydrolys (när en molekyl klyvs med vatten), bryter ner beta-laktamringen i t.ex. penicillin. Denna blir då en icke-aktiv förening som inte kan stoppa cellväggssyntesen i mikroorganismer.

Lactobacillus och smörproduktion. Efter att man separerat fett från t.ex. mjölk genom churnning (omrörning), så används lactobacillus för syrning lite längre fram i processen, och bakterierna omvandlar laktos till mjölksyra. pH-värdet sänks och smörsmeten blir sur i smaken.  Från mjölksyra, HC₃H₅O₃, får man enkelt natriumlaktat, NaC₃H₅O₃, på laboratoriet; HC₃H₅O₃ + NaOH --> NaC₃H₅O₃ + H₂O I kroppen bildas en del natriumlaktat efter fermentering av kolhydrater, som t.ex. majs eller morötter. I steget innan var det pyruvat som blivit mjölksyra tack vare frigjord energi under glykolysen. Natriumlaktat används i bl.a. medicin, hudvård och för att förlänga matens hållbarhet.  Molekylen innehåller det metaboliska avfallet laktat, som är slutprodukten i den anaeroba glukosspjälkningen. Saltet är alkaliniserande, för att i vissa biokemiska processer så omvandlas en del till bikarbonat och koldioxid, för att homeostas (jämvikt, balans gentemot omgivningen) ska bevaras.

Något om sockerarter. Kroppen använder glukos som energikälla och även till t.ex. byggmaterial i cellerna. Man brukar tala om monosackarider, osammansatta, enkla sockerarter (t.ex. fruktos, galaktos). Den andra gruppen är oligosackarider (kostfibrer som matar goda tarmbakterier, finns i t.ex. sparris och lök), och den tredje gruppen är polysackarider (högmolekylärt kolhydrat av många monosackarider, strukturerna här kan se väldigt olika ut). Hexoser har 6 st kol och både glukos och fruktos hör hit. Formlerna är likadana, C₆H₁₂O₆, men inom molekylerna finns dock olika kemiska egenskaper. Båda har 5 stycken OH-grupper vardera, vilket gör dem vattenlösliga. De är även reaktionsplatser gentemot andra molekyler. Dessutom kan OH-grupper t.ex. oxideras så att cellen kan motta energi som har frigjorts, så den överlever, m.m.. Fruktos har en ketogrupp, C=O, som gör den mer reaktiv. Denna deltar även i många biokemiska reaktioner, t.ex.: C₆H₁₂O₆ (fruktos) + H₂O <-> C₆H₁₂O₆ (glukos) + C₆H₁₂O₆ (fruktos).