معلومة

2021_pH_pKA_for_Review - علم الأحياء


دور الكيمياء الحمضية / القاعدية في علم الأحياء العام

لقد تعلمنا أن سلوك المجموعات الوظيفية الكيميائية يعتمد على تكوين وترتيب وخصائص الذرات المكونة لها. سنرى أن الرقم الهيدروجيني ، وهو مقياس لتركيز أيون الهيدروجين لمحلول ما ، يمكن أن يغير الخصائص الكيميائية لبعض المجموعات الوظيفية البيولوجية الرئيسية بطرق تغير كيفية تفاعلها مع الجزيئات الأخرى وبالتالي دورها البيولوجي.

على سبيل المثال ، اعتمادًا على الرقم الهيدروجيني ، يمكن أن توجد بعض المجموعات الوظيفية على الأحماض الأمينية التي تتكون منها البروتينات في حالات كيميائية مختلفة. سوف نتعلم أن الحالة الكيميائية لهذه المجموعات الوظيفية يمكن أن يكون لها تأثير عميق على شكل البروتين أو على قدرته على تنفيذ التفاعلات الكيميائية. بينما ننتقل خلال الدورة ، سنرى العديد من الأمثلة على هذا النوع من الكيمياء في سياقات مختلفة.

في الماء النقي ، تتولد أيونات الهيدروجين تلقائيًا عن طريق تفكك (تأين) نسبة صغيرة من جزيئات الماء إلى أعداد متساوية من الهيدروجين (H+) الأيونات والهيدروكسيد (OH-) الأيونات. أوه- التي تنتج عن تأين الماء تغادر إلى بحر من جزيئات الماء تتفاعل مع الجزيئات الأخرى من خلال التفاعلات القطبية ، بينما الآن "الحرة" (غير المربوطة) H+ ترتبط الأيونات الناتجة عن التأين بجزيئات الماء (السطر الثاني من الشكل أدناه) لإنشاء جزيء جديد يسمى أيون الهيدرونيوم ، H3ا+. في مرحلة ما ، سينضم أيون الهيدروكسيد من السطر 1 في الشكل أدناه إلى بروتون ويصلح جزيء ماء آخر. تحدث عملية التفكك وإعادة الارتباط هذه بين أيونات الهيدروكسيد والهيدروجين بشكل مستمر عند التوازن.

في حين أن معظم H+ الأيونات في المحلول موجودة بالفعل على شكل H3ا+ الأيونات ، وعادة ما نمثل H3ا+ في الأشكال أو المعادلات بشكل أكثر بساطة مثل H+. لماذا ا؟ لأنه أسهل. فقط تذكر أنه نظرًا لأن جميع الكيمياء في علم الأحياء تقريبًا تحدث في الماء ، فعندما ترى H+ يشار إليه في النص أو الأشكال أو في المعادلات ، وعادة ما يمثل H3ا+.

شكل 1: ينفصل الماء تلقائيًا إلى مجموعة البروتون والهيدروكسيل. سوف يتحد البروتون مع جزيء الماء مكونًا أيون الهيدرونيوم.
الإسناد: مارك T. Facciotti

في حين أن بعض التناقضات لهذه القاعدة يمكن العثور عليها في كيمياء الحلول المركزة ، في علم الأحياء العام ، من الملائم تحديدها رسميًا الرقم الهيدروجيني كما:

[pH = - log_ {10} [H ^ +] ]

في المعادلة أعلاه ، الأقواس المربعة المحيطة بـ [H+] تشير إلى التركيز. إذا لزم الأمر ، جرب مراجعة الرياضيات على wiki-logarithm أو kahn-logarithm. انظر أيضًا: تعريف التركيز أو تركيز الويكي. ال الرقم الهيدروجيني وبالتالي فإن المحلول هو مقياس لتركيز أيونات الهيدروجين في محلول (أو عدد أيونات الهيدرونيوم).

عادة ما يتم الإبلاغ عن الأس الهيدروجيني على لوغاريتمي مقياس درجة الحموضة التي تتراوح من 0 إلى 14 (الشكل 2). نحدد الرقم الهيدروجيني = 7.0 على أنه محايد. نسمي أي شيء برقم هيدروجيني أقل من 7.0 حمضي وأي درجة حموضة تم الإبلاغ عنها أعلى من 7.0 قلوي أو أساسي. غالبًا ما تعتبر الحدود القصوى في درجة الحموضة في أي من الاتجاهين من 7.0 غير مضيافة للحياة ، على الرغم من وجود أمثلة على عكس ذلك. تتراوح مستويات الأس الهيدروجيني في جسم الإنسان عادةً بين 6.8 و 7.4 ، باستثناء المعدة حيث يكون الرقم الهيدروجيني أكثر حمضية ، عادةً ما بين 1 و 2. بعض الأنواع الميكروبية مثل سلفولوبوس أسيدوكالداريوس تزدهر في البيئات شديدة الحموضة (درجة الحموضة <3) بينما يحب البعض الآخر الفراعنة Natronomonas تم العثور عليها تعيش في بحيرات ذات درجة حموضة أكبر من 11. تصنف هذه الكائنات على أنها من "الكائنات المتطرفة" لقدرتها على الازدهار في البيئات القاسية. تستخدم البروتينات من هذه الكائنات في بعض الأحيان في العمليات الصناعية حيث تكون قدرتها على تحمل الإجهاد البيئي خاصية ذات قيمة.

الشكل 2: يتراوح مقياس الأس الهيدروجيني من الحمضي إلى الأساسي بمركبات أو مواد بيولوجية مختلفة موجودة عند هذا الرقم الهيدروجيني المعين. الإسناد: مارك T. Facciotti

للحصول على معلومات إضافية

شاهد هذا الفيديو للحصول على شرح موسع للأس الهيدروجيني وعلاقته بـ [H +] والمقياس اللوغاريتمي.

دعنا نعمل على مثال لنرى كيف يعمل مقياس الأس الهيدروجيني.

كمرجع: يتم تعريف 1 مول (مول) من مادة (والتي يمكن أن تكون ذرات أو جزيئات أو أيونات ، وما إلى ذلك) ، على أنها تساوي 6.02 × 1023 جزيئات المادة. إذن ، 1 مول من الماء يساوي 6.02 × 1023 جزيئات الماء.

رياضيا يمكن كتابة هذا على النحو التالي:
1 مول = 6.02x1023 الجسيمات في المادة
1 مول H.2يا = 6.02 × 1023 جزيئات الماء

مثال: تركيز أيونات الهيدروجين المنفصلة عن الماء النقي حوالي 1 × 10-7 مولات H.+ أيونات لكل لتر من الماء. يتم حساب الأس الهيدروجيني على أنه سالب لوغاريتم الأساس 10 لوحدة التركيز هذه. السجل10 من 1 × 10-7 هو -7.0 ، وسالب هذا الرقم ينتج عنه درجة حموضة 7.0 (درجة حموضة محايدة).

رياضيا يمكن تمثيل هذا على النحو التالي:
الرقم الهيدروجيني = -log10+]
الرقم الهيدروجيني = -log10[1×10-7]
الرقم الهيدروجيني = 7.0 (درجة الحموضة المحايدة)

يوفر الشكل أدناه طريقة أخرى لتصور العلاقة العكسية بين تركيزات أيون البروتون وهيدروكسيد من خلال توضيح كيفية انخفاض تركيز البروتون مع زيادة الأس الهيدروجيني بينما يزيد تركيز أيون الهيدروكسيد في نفس الوقت.

الشكل 3: تمثيل رسومي للحموضة والقاعدية. يوضح هذا الشكل العلاقة بين H+ و OH- التركيزات على مقياس الأس الهيدروجيني. عند قيم pH منخفضة+ الأيونات وفيرة. حيث يزيد الرقم الهيدروجيني من الوفرة النسبية لـ OH- تزداد الأيونات بينما تزداد H+ وفرة النقصان.

أttribution: ماري أينا

تربك العلاقة العكسية بين الأس الهيدروجيني وتركيز البروتونات العديد من الطلاب - خذ الوقت الكافي لإقناع نفسك أنك "تفهمها". يمكن أن تكون إحدى الطرق هي التنبؤ بما إذا كانت قيم الأس الهيدروجيني المختلفة حمضية أم أساسية ثم إجراء الحسابات للتأكد. ابدأ بتجربة هذه الأسئلة التدريبية.

الأحماض والقواعد

الأحماض والقواعد هي جزيئات يمكن أن تؤثر على الرقم الهيدروجيني للمحلول. في علم الأحياء العام ، غالبًا ما يكون من الملائم استخدام تعريف Brønsted-Lowry للأحماض والقواعد. باستخدام هذه الشكلية نحدد:

الأحماض = الجزيئات التي يمكنها التبرع بالبروتون لجزيء آخر (بما في ذلك الماء لتكوين أيون الهيدرونيوم)
القواعد = الجزيئات التي يمكنها قبول بروتون من جزيء آخر (بما في ذلك أيونات الهيدرونيوم)

عندما تنفصل البروتونات من الجزيئات الحمضية عن "والدتها" فإنها تزيد من H+ التركيز وبالتالي خفض الرقم الهيدروجيني للمحلول. على النقيض من ذلك ، عندما تمتص القاعدة بروتونًا "حرًا" من محلول على الجزيء "الأصل" ، يؤدي الانخفاض في تركيز البروتون في المحلول إلى التحول إلى قيم أس هيدروجيني أعلى.

يمكننا بشكل عام تمثيل الأحماض والقواعد على النحو التالي:

الشكل 4: الأحماض والقواعد العامة. يوضح هذا الشكل سلوك الأحماض والقواعد Brønsted-Lowry. يبدأ الحمض (أ في دائرة أرجوانية فاتحة) في شكل بروتوني مرتبط بـ H.+ أيون ، مرسوم على شكل H. أحمر+ في محلول أو لجزيء آخر. في هذه الأثناء ، تبدأ القاعدة (B في دائرة خضراء فاتحة) بالتخلخل وتمتص بروتونًا (أحمر H+) من محلول أو جزيء آخر.
أttribution: مارك T. Facciotti

في الشكل أعلاه ، الجزيء أ- - الشكل المنقول للحمض AH - يمكن أن يشار إليه أيضًا باسم القاعدة المترافقة من حمض ه. وبالمثل فإن الجزيء BH+ - الشكل البروتوني للقاعدة B - يمكن أن يشار إليه باسم حمض مرافق من القاعدة ب.

نسمي الأحماض التي تنفصل تمامًا في A- و ح+ الأيونات في حالة توازن أحماض قوية. تتميز هذه التفاعلات بوضع توازن يقع بعيدًا إلى اليمين (يفضل تكوين المنتج) وغالبًا ما يتم رسم معادلاتها الكيميائية بسهم واحد يفصل المواد المتفاعلة والمنتجات. على النقيض من ذلك ، فإن الأحماض التي لا تنفصل تمامًا في A.- و ح+ تسمى الأيونات عند التوازن أحماض ضعيفة. اعتمادًا على الرقم الهيدروجيني ، من الشائع العثور على كل من الأشكال البروتونية والمنزوعة من الحمض الضعيف (أو كلا من الحمض وقاعدته المترافقة) في محلول في نفس الوقت. لذلك عادةً ما يتم تصوير المعادلات الكيميائية التي تمثل هذه التفاعلات بأسهم مزدوجة ، مما يشير إلى أن البروتونات / نزع البروتونات لـ A-/ AH ، على التوالي ، قابل للعكس.

مثالان مهمان للأحماض / القواعد الضعيفة في علم الأحياء هما الكربوكسيل والمجموعات الوظيفية الأمينية. عند قيم الأس الهيدروجيني الفسيولوجية (حول الرقم الهيدروجيني = 7) ، تميل مجموعة الكربوكسيل إلى التصرف كحمض من خلال التبرع بالبروتون لمحلول أو جزيئات أخرى. في ظل نفس الظروف ، تميل المجموعة الأمينية إلى العمل كقاعدة ، وتمتص البروتونات من المحلول أو الجزيئات الأخرى. كما سنرى قريبًا ، تلعب هذه التفاعلات وغيرها من تفاعلات البروتونات / نزع البروتونات أدوارًا رئيسية في العديد من العمليات البيولوجية.

الشكل 5: تعمل مجموعة حمض الكربوكسيل كحمض عن طريق إطلاق البروتون. يمكن أن يؤدي ذلك إلى زيادة عدد البروتونات في المحلول وبالتالي تقليل الرقم الهيدروجيني. تعمل المجموعة الأمينية كقاعدة بقبول أيونات الهيدروجين ، والتي يمكن أن تقلل من عدد أيونات الهيدروجين في المحاليل ، وبالتالي زيادة الرقم الهيدروجيني.
الإسناد: Marc T. Facciotti (العمل الأصلي)

موارد الأس الهيدروجيني الإضافية

فيما يلي بعض الروابط الإضافية حول الأس الهيدروجيني و pKa للمساعدة في تعلم المادة. لاحظ أن هناك وحدة إضافية مخصصة لـ pKa.

PKa

pKأ يتم تعريفه على أنه السجل السلبي10 من ثابت تفكك حمض ، كأ.

pKأ = -log10أ]

إن pKأ هو مقياس كمي لمدى سهولة تخلي الحمض عن البروتون إلى محلول ، وبالتالي فهو مقياس "قوة" الحمض. الأحماض القوية لها pK صغيرأ، الأحماض الضعيفة لديها pK أكبرأ.

كما لوحظ ، تم العثور على مجموعة R-COOH الوظيفية لحمض الكربوكسيل في العديد من الجزيئات الحيوية. هذه المجموعة الوظيفية لديها pKأ بين 2-4 في محلول مائي ويعتبر أ ضعيف حامض. في العديد من قيم الأس الهيدروجيني ذات الصلة بيولوجيًا ، يتفكك حمض الكربوكسيل جزئيًا فقط في H+ الكاتيونات و R-COO- الأنيونات. في مجموعة الجزيئات التي تحتوي على المجموعة الوظيفية لحمض الكربوكسيل ، ليس من غير المألوف - عند قيم الأس الهيدروجيني ذات الصلة بيولوجيًا - العثور في نفس الوقت على الجزيئات في كل من البروتونات (R-COOH) والمنزوعة (R-COO)-) نماذج. على النقيض من ذلك ، فإن حمض الهيدروكلوريك (كلوريد الهيدروجين) شائع قوي حمض ، له pKa << 0. هذا يعني أنه سينفصل تمامًا في H+ و Cl- في جميع قيم الأس الهيدروجيني ذات الصلة بيولوجيًا. حمض الهيدروكلوريك هو حمض قوي ولن يوجد تقريبًا في صورة البروتونات.

إحدى الطرق الرئيسية التي تصور الفرق بين حمض أو قاعدة قوية وحمض أو قاعدة ضعيفة في المعادلات الكيميائية هي استخدام سهم واحد (حمض / قاعدة قوية) مقابل سهم مزدوج (حمض / قاعدة ضعيفة). يعني التفكك الكامل للبروتون (البروتونات) عن الأحماض القوية عند التوازن أن احتمال عودة البروتونات إلى الجزيء الذي انفصلوا عنه ضئيل جدًا. رد الفعل يذهب في الغالب في اتجاه واحد ، ومن هنا السهم الوحيد. في الأحماض الضعيفة ، يكون احتمال حدوث التفاعل الأمامي أقرب إلى احتمال حدوث رد فعل عكسي. نتيجة هذا جزئي التفكك عند التوازن ، ومن هنا جاء السهم المزدوج في المعادلة الكيميائية.

شكل 1. مثال على الأحماض القوية ، والأحماض الضعيفة ، والقواعد القوية ، والقواعد الضعيفة في حالاتها ذات الصلة من الناحية البيولوجية والتي لها بروتونات وبروتونات. تظهر قيمة pKa الخاصة بهم على اليسار. الإسناد: مارك T. Facciotti.

في علم الأحياء العام ، نطلب منك ربط الأس الهيدروجيني و pKa ببعضهما البعض عند مناقشة حالة البروتون لحمض ضعيف أو قاعدة ضعيفة في ، على سبيل المثال ، الأحماض الأمينية. كيف يمكننا استخدام المعلومات الواردة في هذه الوحدة للإجابة على السؤال: هل ستتم بروتون المجموعات الوظيفية الموجودة على الأحماض الأمينية الغلوتامات أو نزع البروتونات عند درجة حموضة 2 ، أو عند درجة حموضة 8 ، أو عند درجة حموضة قدرها 11؟

للإجابة على هذا النوع من الأسئلة ، نحتاج إلى إنشاء علاقة بين pH و pKa. يتم تمثيل العلاقة بين pKa و pH رياضيًا بواسطة معادلة Henderson-Hasselbach الموضحة أدناه ، حيث [A-] يمثل الشكل منزوع البروتونات للحمض و [HA] يمثل الشكل البروتوني للحمض.

الشكل 2. معادلة هندرسون-هاسلباخ

تتكون هذه المعادلة من ثلاثة "أجزاء" أساسية:

1. الرقم الهيدروجيني.
2. إن pKأ؛ و
3. تسجيل الدخول10-] / [HA].

يخبرك الجزء الأول عن تركيز البروتون. يخبرك الجزء الثاني عن خاصية الحمض - مدى احتمالية "تخلي" البروتونات عن المحلول. يخبرك الجزء 3 عن مقدار الحمض في شكله المنزوع البروتين [A-] وفي شكله البروتوني [HA]. في معظم الظروف التجريبية ، نفترض عادةً أن pKأ لا تتغير (بعد كل شيء ، إنها خاصية للجزيء). لذلك ، تخبرنا هذه المعادلة أن الرقم الهيدروجيني ونسبة البوتاسيوم [أ-] والشكل البروتيني [HA] من الحمض مرتبطان ببعضهما البعض. إذا كنت قادرًا على التحكم بشكل مستقل في الرقم الهيدروجيني عن طريق إضافة المزيد من الحمض أو القاعدة ، فيمكنك التحكم في نسبة [A-] و [HA] أشكال من الحمض. يمكنك بالطبع استخدام معادلة Henderson-Hasselbach لحل مشكلة معرفة حالة البروتونات لمجموعات Glutamate الوظيفية عند الأس الهيدروجيني المختلفة. ومع ذلك ، يمكننا أيضًا تطوير حدس حول العلاقة بين هذه الكميات الثلاثة.


يمكن أن تساعد المعايرة في تطوير فهم بديهي

طريقة أخرى مفيدة لتطوير فهم حدسي للعلاقة بين الأس الهيدروجيني ، pKأ وحالات البروتونات للمجموعات الوظيفية هي التفكير في نتائج المعايرة بالتحليل الحجمي. تتضمن تجربة المعايرة عادةً الإضافة البطيئة والتدريجية والتدريجية لكاشف واحد (مثل الكاشف رقم 1) في خليط من الجزيئات الأخرى (مثل المحلول رقم 1). يضيف المجرب ببطء الكاشف رقم 1 (متغير مستقل) إلى الحل رقم 1 ويقوم بعمل ملاحظات لواحد أو أكثر من الخصائص (المتغيرات التابعة) للخليط بعد كل خطوة. اعتمادًا على الكواشف ، يمكن أن تكون الملاحظات أشياء مثل التغيير في اللون أو تغيير اللزوجة أو التغيير في الذوق أو التغيير في الرقم الهيدروجيني. عادةً ما يتم رسم البيانات التجريبية في رسم بياني مع زيادة الكاشف رقم 1 على المحور السيني وخاصية المحلول المقاسة (مثل الأس الهيدروجيني واللون واللزوجة وما إلى ذلك) المرسومة على المحور ص.

تفسير الرسم البياني للمعايرة

يوجد أدناه رسم بياني يوضح معايرة محلول حمض الأسيتيك (الحل رقم 1). يمكن أيضًا تمثيل حمض الخليك ، وهو الحمض الموجود في الخل ، بالصيغة الكيميائية CH3COOH ويحتوي على مجموعة وظيفية كربوكسيل واحدة. في هذه التجربة ، تتم معايرة حمض الأسيتيك بقاعدة ممثلة "OH" (كاشف رقم 1) في الشكل. يوضح الرسم البياني عند قراءته من اليسار إلى اليمين التغيير في الرقم الهيدروجيني للمحلول عند إضافة القاعدة (OH) ببطء. عند فحص الرسم البياني ، ترى ثلاث مراحل لتغيير الأس الهيدروجيني:

(أ) تؤدي إضافة ما بين 0 إلى حوالي 3 مكافئات لـ OH إلى ارتفاع سريع في الرقم الهيدروجيني. على المستوى الجزيئي ، يمكن تفسير هذا الارتفاع من خلال تفاعل كل مكافئ أساسي إضافي مع H3ا+ لإنشاء جزيئين من الماء المحايد. هذا يقلل من [H+] وبالتالي يزيد الرقم الهيدروجيني. في هذا الرقم الهيدروجيني ، يكون الجزيء (CH3COOH) لديه "القوة" للتمسك به H+ الأيونات.

(ب) عند إضافة ما بين 3 و 7 مكافئات لـ OH ، لا يتغير الرقم الهيدروجيني ؛ يظل ثابتًا حول قيمة مكافئة لـ pKأ من CH3COOH (4.76). في هذه المنطقة من الرسم البياني ، تبدأ جزيئات حمض الأسيتيك في "التخلص" من H+ الأيونات عند إضافة OH. أضاف كل OH "ينتزع" بروتونًا من المحلول الذي يتم استبداله ببروتون "تم إطلاقه" بواسطة CH3جزيئات COOH في المحلول. عندما يكون الرقم الهيدروجيني = pKأ (حوالي 5 مكافئات لـ OH-) ، تخبرنا معادلة Henderson-Hasselbach أن 50٪ من جزيئات حمض الأسيتيك في المحلول هي بروتونات و 50٪ منقولة. مع إضافة المزيد من معادلات OH ، يتم إزالة المزيد من جزيئات حمض الأسيتيك حتى يتم إزالة جميع جزيئات حمض الأسيتيك.

(ج) بمجرد حدوث ذلك ، عند 7 أو أكثر من مكافئات OH ، لا يتوفر المزيد من الجزيئات البروتونية لتحييد OH المضافة. وبالتالي ، فإن إضافة المزيد من OH تبدأ في رفع درجة الحموضة مرة أخرى بسرعة.

يمكن أن يكون بناء صورة ذهنية لهذه العملية أداة قوية لمساعدتك على حل المشكلة التي بدأت هذه المناقشة بشكل حدسي. إذا كنت ترغب في تحديد حالة البروتون لمجموعة وظيفية ، مع pK معروفأ، عند درجة حموضة معينة ، يمكنك البدء بتخيل الموقف عندما يكون الرقم الهيدروجيني = pKأ. في هذه المرحلة ، أنت تعلم أن المجموعة الوظيفية تتكون من 50٪ بروتونات و 50٪ منزوعة البروتونات. لذلك ، إذا كان الرقم الهيدروجيني المعني أقل من pKa يتحرك من pH = pKأ يتطلب الرقم الهيدروجيني المستهدف إضافة بروتونات إلى المحلول. عندما يصبح المحلول أكثر حمضية ، سيكون هناك المزيد من H+ الأيونات جاهزة لبروتونات المجموعات الوظيفية المنفصلة وبالتالي زيادة كمية المجموعات الوظيفية البروتونية. في منحنى المعايرة بالتحليل الحجمي أدناه ، يشبه ذلك البدء من منتصف الجزء المسطح من المنحنى والانتقال إلى اليسار. عندما يكون الرقم الهيدروجيني المستهدف أعلى من pKأ يجب أن يصبح الحل أكثر أساسية في التحول من درجة الحموضة في البداية إلى الرقم الهيدروجيني المستهدف. هنا ، سيكون هناك عدد أقل من H+ الأيونات مما كانت عليه في البداية ، مما يعني أن المجموعات الوظيفية ستبدأ في التنفيس وبالتالي زيادة نسبة المجموعات الوظيفية غير المشغولة.

الشكل 3. يصور هذا الرسم البياني حالة البروتون لحمض الأسيتيك مع تغير الأس الهيدروجيني. عند درجة حموضة أقل منpKa، الحمضبروتونات. عند درجة حموضة أعلى منpKaالحمضمنقوشة. إذا كان الرقم الهيدروجيني يساويpKa، الحمض 50٪بروتوناتو 50٪منقوشة. الإسناد: اللبلابجوزيه


يقدم هذا الفيلم عرضًا مرئيًا للشرح الوارد أعلاه.

نغلق هذا القسم بالرجوع إلى السؤال الأصلي: هل ستتم بروتون المجموعات الوظيفية الموجودة على غلوتامات الأحماض الأمينية أو نزعها عند درجة حموضة 2 ، عند درجة حموضة 8 ، عند درجة حموضة 11؟ في مثال حمض الأسيتيك أعلاه ، طورنا فهمًا لكيفية ربط حالة البروتون لمجموعة وظيفية واحدة بـ pK الخاص بهاأ ودرجة الحموضة في المحلول في توازن / نسبة حالة البروتونات إلى الحالة المنفصلة لمجموعة وظيفية واحدة.

ومع ذلك ، في علم الأحياء ، غالبًا ما تكون مهتمًا بسلوك الجزيئات ذات المجموعات الوظيفية المتعددة ، ولكل منها pK الخاص بهاأ القيم. يحتوي الأحماض الأمينية الحرة مثل الجلوتامات على ثلاث مجموعات وظيفية مختلفة ، لكل منها pK الخاص بهاأ. لذا ، فإن الإجابة عن السؤال حول حالة بروتون الغلوتامات عند قيم الأس الهيدروجيني المختلفة تتطلب منك تقييم حالة البروتونات وحالة نزع البروتون لكل من هذه المجموعات الوظيفية بشكل مستقل. يوضح الشكل أدناه تجربة معايرة لغلوتامات الأحماض الأمينية. مثل الرسم أعلاه ، فإنه يوضح العلاقة بين الأس الهيدروجيني و pKأ لكل مجموعة من المجموعات الوظيفية المؤينة الثلاث للغلوتامات. يمكن تقييم حالة البروتون للمجموعة الوظيفية بشكل مستقل عند قيمة الأس الهيدروجيني المحددة لتحديد حالة البروتون للجزيء بأكمله في النهاية.

الشكل 4. يصور هذا الرسم البياني حالة البروتون للغلوتامات مع تغير الأس الهيدروجيني. عند درجة حموضة أقل من pKa لكل مجموعة وظيفية على الحمض الأميني ، يتم تكوين المجموعة الوظيفية بالبروتونات. عند درجة حموضة أعلى من pKa للمجموعة الوظيفية ، يتم فصله. إذا كان الرقم الهيدروجيني يساوي pKa ، فإن المجموعة الوظيفية تكون بروتونية بنسبة 50 ٪ و 50 ٪ منزوعة البروتونات.
الإسناد: آيفي خوسيه

مرجع سريع: مخطط مقارنة pKa و pH

pKأالرقم الهيدروجيني
pKأ = -log10أ]الرقم الهيدروجيني = −log10+]
  • تقارير عن أ ممتلكات أ مركب. يقول شيئًا عن احتمالية وجود إرادة بروتون ينفصل منه.
  • تقارير عن أ ممتلكات أ المحلول: ال [H.+] في الحل.
    • يزيد الحمض من [H+] في محلول ، عن طريق التبرع بأيون (أيونات) الهيدروجين. هذا يقلل من الرقم الهيدروجيني.
    • قاعدة تخفض [H+] في محلول عن طريق ربط أيون (أيونات) الهيدروجين. هذا يرفع درجة الحموضة.
  • يمكن أن تترافق مع قوة الحمض.
    • منخفض pKأ = حمض قوي
    • ارتفاع pKأ = حمض ضعيف
  • يشير إلى ما إذا كان المحلول قاعديًا أم حمضيًا.
    • ارتفاع الرقم الهيدروجيني (> 7) = أساسي
    • انخفاض درجة الحموضة (<7) = حمضي
    • الرقم الهيدروجيني = 7 محايد

• بينما pKأ يعتمد إلى حد كبير على الخصائص الفيزيائية للجزيء ، ويمكن أيضًا أن يتأثر / يتغير بالبيئة المحلية التي يجد الجزيء نفسه فيها.

  • يمكن تغيير الرقم الهيدروجيني عن طريق إضافة أو إزالة عوامل كيميائية مختلفة في المحلول.