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Winter_2021_Bis2A_Facciotti_Reading_04 - Biología

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Objetivos de aprendizaje asociados con Winter_2021_Bis2a_Facciotti_Reading_04

  • Definir la ley de conservación de la masa.
  • Explica el papel del agua en las reacciones de condensación y las reacciones hidrolíticas.
  • Describe el estado de equilibrio.
  • Discutir el concepto de reversibilidad de la reacción y su relación con el equilibrio.
  • Relacionar la magnitud de la constante de equilibrio con la posición de equilibrio.
  • Explicar el efecto del cambio de concentración en un sistema en equilibrio.
  • Aplicar el concepto de equilibrio químico y la constante de equilibrio para describir el progreso de una reacción química, inicialmente fuera de equilibrio, hacia el equilibrio y finalmente en equilibrio en términos de velocidades de reacción "directa" e "inversa" y concentraciones de reactivos químicos.
  • Defina el pH y comprenda la relación entre el pH y la concentración de iones de hidrógeno.
  • Utilice la definición de pH para determinar la diferencia en [H+] concentración entre dos soluciones acuosas

Reacciones químicas características

Reacciones químicas ocurren cuando dos o más átomos se unen para formar moléculas o cuando los átomos enlazados se rompen. Llamamos a las sustancias que "entran" en una reacción química. reactivos (por convención, generalmente los enumeramos en el lado izquierdo de una ecuación química), y las sustancias encontradas que "salen" de la reacción productos (por convención, generalmente los enumeramos en el lado derecho de una ecuación química). De derecha a izquierda; de arriba a abajo, en diagonal de derecha a izquierda, alrededor de una flecha circular, etc.) usando la flecha para orientarse.

En las reacciones químicas, los átomos y elementos presentes en el (los) reactivo (s) también deben estar presentes en el (los) producto (s). De manera similar, no puede haber nada presente en los productos que no estuviera presente en los reactivos. Esto se debe a que las reacciones químicas se rigen por la ley de conservación de la masa, que establece que la materia no se puede crear ni destruir en una reacción química. Esto significa que cuando examina una reacción química, debe tratar de dar cuenta de todo lo que entra Y asegurarse de que puede encontrarlo todo en las cosas que salen.

Así como puede expresar cálculos matemáticos en ecuaciones como 2 + 7 = 9, puede usar ecuaciones químicas para mostrar cómo los reactivos se convierten en productos. Por convención, las ecuaciones químicas se suelen leer o escribir de izquierda a derecha. Los reactivos de la izquierda se separan de los productos de la derecha mediante una flecha de una o dos puntas que indica la dirección en la que procede la reacción química. Por ejemplo, la reacción química en la que un átomo de nitrógeno y tres átomos de hidrógeno producen amoníaco se escribiría como:

[ ce {N + 3H → NH_3}. ]

En consecuencia, la descomposición del amoníaco en sus componentes se escribiría como:

[ ce {NH3 → N + 3H.} ]

Tenga en cuenta que en cualquier dirección, encontrará 1 N y 3 H en ambos lados de la ecuación.


Posible discusión NB Punto

En los cursos de Biología General, es importante apreciar la ley de conservación de la masa en el contexto de los procesos biológicos. En química, adoptará un enfoque cuantitativo de este tema, aprenderá a equilibrar ecuaciones y se asegurará de que el número total de átomos y la carga total no cambien. En Biología General, adoptamos un enfoque más cualitativo del tema. ¿Crees que esto genera confusión? ¿Deberíamos poner más énfasis en el equilibrio de ecuaciones en Biología General?


Reversibilidad

Si bien todas las reacciones químicas pueden avanzar técnicamente en ambas direcciones, algunas reacciones tienden a favorecer una dirección sobre la otra. Dependiendo del grado en que una reacción se desarrolle espontáneamente en ambas o en una dirección, se puede dar un nombre diferente para caracterizar las reacciones. reversibilidad. Algunas reacciones químicas, como la que se muestra arriba, proceden principalmente en una dirección y la dirección "inversa" ocurre en escalas de tiempo tan largas o con una probabilidad tan baja que, para propósitos prácticos, ignoramos la reacción "inversa". Estas reacciones unidireccionales también se denominan irreversible reacciones y se representan con una flecha de una sola cabeza (unidireccional). Por el contrario, reversible reacciones son aquellos que pueden avanzar fácilmente en cualquier dirección. Las reacciones reversibles generalmente se representan mediante una ecuación química con una flecha de dos puntas que apunta tanto a los reactivos como a los productos. En la práctica, encontrará un continuo de reacciones químicas; algunos avanzan principalmente en una dirección y casi nunca se invierten, mientras que otros cambian de dirección fácilmente dependiendo de varios factores, como las concentraciones relativas de reactivos y productos. Estos términos son solo formas de describir reacciones con diferentes puntos de equilibrio.

Uso de vocabulario

Es posible que se haya dado cuenta de que los términos "reactivos" y "productos" son relativos a la dirección de la reacción. Sin embargo, si tiene una reacción que es reversible, los productos de ejecutar la reacción en una dirección se convierten en reactivos de la inversa. Puede etiquetar el mismo compuesto con dos términos diferentes. Eso puede resultar un poco confuso. Entonces, ¿qué se puede hacer en tales casos? La respuesta es que si desea utilizar los términos "reactivos" y "productos", debe tener clara la dirección de la reacción a la que se refiere, incluso cuando se habla de reacciones reversibles. La elección de términos, "reactivos" o "productos" que utilice comunicará a los demás la direccionalidad de la reacción que está considerando.

Veamos un ejemplo de una reacción reversible en biología y analicemos una extensión importante de estas ideas centrales que surge en un sistema biológico. En la sangre humana, el exceso de iones de hidrógeno (H+) se unen a iones de bicarbonato (HCO3-), formando un estado de equilibrio con ácido carbónico (H2CO3). Esta reacción es fácilmente reversible. Si se añadiera ácido carbónico a este sistema, parte de él se convertiría en iones de bicarbonato e hidrógeno a medida que el sistema químico buscara el equilibrio.

[ ce {HCO_3 ^ - + H ^ + rightleftharpoons H_2CO_3} ]

El ejemplo anterior examina los sistemas químicos "idealizados" como podría ocurrir en un tubo de ensayo. En los sistemas biológicos, sin embargo, rara vez se alcanza el equilibrio para una sola reacción, como podría ocurrir en el tubo de ensayo. En los sistemas biológicos, las reacciones no ocurren de forma aislada. Más bien, las concentraciones de los reactivos y / o productos cambian constantemente, a menudo con un producto de una reacción como reactivo de otra reacción. Estas reacciones vinculadas forman lo que se conoce como vías bioquímicas. El siguiente ejemplo inmediato ilustra este punto. Si bien la reacción entre el bicarbonato / protón y el ácido carbónico es altamente reversible, resulta que, fisiológicamente, esta reacción generalmente se "empuja" hacia la formación de ácido carbónico. ¿Por qué? Como se muestra a continuación, el ácido carbónico se convierte en un reactivo para otra reacción bioquímica: la conversión de ácido carbónico en CO2 y H2O. Esta conversión reduce la concentración de H2CO3, tirando así de la reacción entre bicarbonato y H+ A la derecha. Además, una tercera reacción unidireccional, la eliminación de CO2 y H2O del sistema, también empuja la reacción más hacia la derecha. Este tipo de reacciones contribuyen de manera importante al mantenimiento de la H+ homeostasis de nuestra sangre.

[ ce {HCO_3 ^ - + H ^ + rightleftharpoons H_2CO_3 rightleftharpoons CO_2 + H_20 rightarrow} text {waste} ]

La reacción que involucra la síntesis de ácido carbónico está realmente relacionada con su descomposición en (CO_2 ) y (H_2O ). Estos productos luego se eliminan del sistema / cuerpo cuando se exhalan. Juntos, la descomposición del ácido carbónico y el acto de exhalar los productos empujan la primera reacción hacia la derecha.

Reacciones de síntesis

Muchas macromoléculas están hechas de subunidades más pequeñas, o bloques de construcción, llamados monómeros. Los monómeros se unen covalentemente para formar moléculas más grandes conocidas como polímeros. A menudo, la síntesis de polímeros a partir de monómeros también producirá moléculas de agua como productos de la reacción. Este tipo de reacción se conoce como síntesis de deshidratación o condensación reacción.

Figura 1. En la reacción de síntesis de deshidratación descrita anteriormente, dos moléculas de glucosa se unen para formar el disacárido maltosa. En el proceso, se forma una molécula de agua. Atribución: Marc T. Facciotti (obra original)

Figura interactiva 1. Las moléculas de glucosa y maltosa representadas como moléculas interactivas en 3D.

En una reacción de síntesis por deshidratación (Figura 1), el hidrógeno de un monómero se combina con el grupo hidroxilo de otro monómero, liberando una molécula de agua. Al mismo tiempo, los monómeros comparten electrones y forman enlaces covalentes. A medida que se unen monómeros adicionales, esta cadena de monómeros repetidos forma un polímero. Se pueden combinar diferentes tipos de monómeros en muchas configuraciones, dando lugar a un grupo diverso de macromoléculas. Incluso un tipo de monómero puede combinarse de diversas formas para formar varios polímeros diferentes; por ejemplo, los monómeros de glucosa son los constituyentes del almidón, el glucógeno y la celulosa.

En el ejemplo de monómero de carbohidrato anterior, el polímero se forma mediante una reacción de deshidratación; este tipo de reacción también se usa para agregar aminoácidos a una cadena de péptidos en crecimiento y nucleótidos al polímero de ADN o ARN en crecimiento. Visite los módulos sobre aminoácidos, lípidos y ácidos nucleicos para ver si puede identificar las moléculas de agua que se eliminan cuando se agrega un monómero al polímero en crecimiento.

Figura 2. Esto representa, usando palabras, (decorado con grupos funcionales coloreados en rojo) una reacción de condensación / síntesis de deshidratación genérica. Facciotti (obra original)

Reacciones de hidrólisis

Los polímeros se descomponen en monómeros en una reacción conocida como hidrólisis. Una reacción de hidrólisis incluye una molécula de agua como reactivo (Figura 3). Durante estas reacciones, un polímero se puede dividir en dos componentes: un producto lleva un ión de hidrógeno (H+) del agua, mientras que el segundo producto transporta el hidróxido restante del agua (OH).

Figura 3. En la reacción de hidrólisis que se muestra aquí, el disacárido maltosa se descompone para formar dos monómeros de glucosa con la adición de una molécula de agua. Tenga en cuenta que esta reacción es la inversa de la reacción de síntesis que se muestra en la Figura 1 anterior. Facciotti (obra original)

Figura 4. Esto representa usando palabras (decoradas con grupos funcionales coloreados en rojo) una reacción de hidrólisis genérica. Facciotti (obra original)

La síntesis de deshidratación y las reacciones de hidrólisis son catalizadas o "aceleradas" por enzimas específicas. Tenga en cuenta que tanto la síntesis de deshidratación como las reacciones de hidrólisis implican la formación y ruptura de enlaces entre los reactivos, una reorganización de los enlaces entre los átomos de los reactivos. En los sistemas biológicos (incluidos nuestros cuerpos), los alimentos en forma de polímeros moleculares se hidrolizan en moléculas más pequeñas por el agua a través de reacciones catalizadas por enzimas en el sistema digestivo. Esto permite que los nutrientes más pequeños sean absorbidos y reutilizados para una variedad de propósitos. En la célula, los monómeros derivados de los alimentos se pueden volver a ensamblar en polímeros más grandes que cumplen nuevas funciones.

Enlaces Útiles:

Visite este sitio para ver representaciones visuales de la síntesis y la hidrólisis de la deshidratación.
Un ejemplo de hidrólisis con acción enzimática se muestra en este video de 3 minutos titulado: Hidrólisis de sacarosa por sacarasa.

Reacciones de intercambio / transferencia

También encontraremos reacciones denominadas reacciones de intercambio. En este tipo de reacciones, "partes" de moléculas se transfieren entre sí: los enlaces se rompen para liberar una parte de una molécula y se forman enlaces entre la parte liberada y otra molécula. Estas reacciones catalizadas por enzimas suelen ser procesos químicos de varios pasos razonablemente complejos.

Figura 5. Una reacción de intercambio en la que pueden ocurrir tanto la síntesis como la hidrólisis, los enlaces químicos se forman y se rompen, se describe usando una analogía de palabras.

Equilibrio químico: parte 1: reacciones directas e inversas

Comprender el concepto de equilibrio químico es fundamental para seguir varias de las discusiones que tenemos en BIS2A y, de hecho, a lo largo de la biología y las ciencias. Es difícil describir completamente el concepto de equilibrio químico sin hacer referencia a la energía de un sistema, pero en aras de la simplicidad, intentemos de todos modos y reservemos la discusión de la energía para otro capítulo. Más bien, comencemos a desarrollar nuestra comprensión del equilibrio considerando la reacción reversible a continuación:

Reacción hipotética # 1: Una reacción hipotética que involucra los compuestos A, B y D. Si leemos esto de izquierda a derecha, diríamos que A y B se unen para formar un compuesto más grande: D. Leyendo la reacción de derecha a izquierda, diríamos que el compuesto D se descompone en compuestos más pequeños: A y B.

Primero tenemos que definir qué se entiende por "reacción reversible". El término "reversible" simplemente significa que una reacción puede proceder en ambas direcciones. Es decir, las cosas del lado izquierdo de la ecuación de reacción pueden reaccionar juntas para convertirse en las cosas de la derecha de la ecuación, Y las cosas de la derecha de la ecuación también pueden reaccionar juntas para convertirse en las cosas del lado izquierdo de la ecuación. ecuación. Las reacciones que solo proceden en una dirección se denominan reacciones irreversibles.

Para comenzar nuestra discusión sobre el equilibrio, comenzamos por considerar una reacción que postulamos que es fácilmente reversible. En este caso, es la reacción descrita anteriormente: la formación imaginaria del compuesto D a partir de los compuestos A y B. Dado que es una reacción reversible, también podríamos llamarla la descomposición de D en A y B. Sin embargo, imaginemos un experimento en el que vemos cómo la reacción se desarrolla desde un punto de partida en el que solo están presentes A y B.

Ejemplo n. ° 1: reacción equilibrada a la izquierda

Reacción hipotética n. ° 1: curso del tiempo
Concentraciónt = 0t = 1t = 5t = 10t = 15t = 20t = 25t = 30t = 35t = 40
[A]100908070656260606060
[B]100908070656260606060
[C]0102030453840404040

En el tiempo t = 0 (antes de que comience la reacción), la reacción tiene 100 unidades de concentración de compuestos A y B y cero unidades de compuesto D. Ahora permitimos que la reacción continúe y observamos las concentraciones individuales de los tres compuestos a lo largo del tiempo (t = 1, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 y 40 unidades de tiempo). Cuando A y B reaccionan, se forma D. De hecho, se puede ver que D se forma desde t = 0 hasta t = 25. Después de ese tiempo, sin embargo, las concentraciones de A, B y D dejan de cambiar. Una vez que la reacción alcanza el punto donde las concentraciones de los componentes dejan de cambiar, decimos que la reacción ha alcanzado el equilibrio. Observe que las concentraciones de A, B y D no son iguales en equilibrio. De hecho, la reacción parece dejarse equilibrada, de modo que hay más A y B que D.

Nota: Advertencia de conceptos erróneos comunes para los estudiantes

Muchos estudiantes son víctimas de la idea errónea de que las concentraciones de los reactivos y productos de una reacción deben ser iguales en equilibrio. Dado que el término equilibrio se parece mucho a la palabra "igual", esto no es sorprendente. Pero como el experimento anterior intenta ilustrar, ¡esto NO es correcto!

Ejemplo n. ° 2: reacción equilibrada a la derecha

Podemos examinar una segunda reacción hipotética, la síntesis del compuesto ( ce {J} ) a partir de los compuestos ( ce {E} ) y ( ce {F} ).

[ ce {E + F <=> J} nonumber ]

Reacción hipotética n. ° 2: Una reacción hipotética que involucra los compuestos E, F y J. Si leemos esto de izquierda a derecha, diríamos que E y F se unen para formar un compuesto más grande: J. Leyendo la reacción de derecha a izquierda, diríamos que el compuesto J se descompone en compuestos más pequeños: E y F.

La estructura de la reacción hipotética n. ° 2 parece idéntica a la de la reacción hipotética n. ° 1, que consideramos anteriormente: dos cosas se unen para hacer una cosa más grande. Solo necesitamos suponer, en este caso, que E, F y J tienen propiedades diferentes de A, B y D. Imaginemos un experimento similar al descrito anteriormente y examinemos estos datos:

Reacción hipotética n. ° 2: curso del tiempo

En este caso, la reacción también alcanza el equilibrio. Esta vez, sin embargo, el equilibrio se produce alrededor de t = 30. Después de ese punto, las concentraciones de E, F y J no cambian. Note nuevamente que las concentraciones de ( ce {E} ), ( ce {F} ) y ( ce {J} ) no son iguales en el equilibrio. En contraste con la reacción hipotética # 1 (la reacción ABD), esta vez la concentración de J, lo que está en el lado derecho de las flechas, está en una concentración más alta que E y F. Decimos que, para esta reacción, el equilibrio está A la derecha.

Es necesario señalar cuatro puntos más en este momento.

  • Punto 1: Si el equilibrio de una reacción se encuentra a la izquierda o a la derecha será una función de las propiedades de los componentes de la reacción y de las condiciones ambientales en las que se está produciendo la reacción (por ejemplo, temperatura, presión, etc.).
  • Punto 2: También podemos hablar de equilibrio utilizando conceptos de energía, y lo haremos pronto, pero todavía no.
  • Punto 3: Si bien las reacciones hipotéticas n.º 1 y n.º 2 parecen llegar a un punto en el que la reacción se ha "detenido", debe imaginar que las reacciones siguen ocurriendo incluso después de que se haya alcanzado el equilibrio. En el equilibrio, las reacciones "directa" y "inversa" simplemente están sucediendo al mismo ritmo. Es decir, en el ejemplo n. ° 2, en el equilibrio, J se forma a partir de E y F a la misma velocidad que se descompone en E y F. Esto explica cómo las concentraciones de los compuestos no cambian a pesar de que las reacciones son sigue pasando.
  • Punto 4: A partir de esta descripción del equilibrio, podemos definir algo que llamamos constante de equilibrio. Normalmente, la constante está representada por una K mayúscula y puede escribirse como Keq. En términos de concentraciones, Keq se escribe como el producto matemático de las concentraciones del producto de reacción (material a la derecha) dividido por el producto matemático de las concentraciones de reactivo (material a la izquierda). Por ejemplo, Keq, 1 = [D] / [A] [B] y Keq, 2 = [J] / [E] [F]. Los corchetes "[]" indican la "concentración de" lo que esté dentro del corchete.

Posible discusión NB Punto

La siguiente afirmación es verdadera: Se puede establecer un equilibrio químico a partir de concentraciones iguales de reactivos y productos. ¿Puede pensar y describir otras condiciones iniciales para las que también se puede establecer un equilibrio químico? ¿Existen condiciones iniciales para las que NO se puede establecer un equilibrio químico?


El papel de la química ácido / base en biología general

Hemos aprendido que el comportamiento de los grupos funcionales químicos depende de la composición, el orden y las propiedades de sus átomos constituyentes. Veremos que el pH, una medida de la concentración de iones de hidrógeno de la solución, puede alterar las propiedades químicas de algunos grupos funcionales biológicos clave de formas que cambian la forma en que interactúan con otras moléculas y, por lo tanto, su función biológica.

Por ejemplo, algunos grupos funcionales de las moléculas de aminoácidos que componen las proteínas pueden existir en diferentes estados químicos dependiendo del pH. Aprenderemos que el estado químico de estos grupos funcionales en el contexto de una proteína puede tener un efecto profundo en la forma de la proteína o en su capacidad para llevar a cabo reacciones químicas. A medida que avancemos en el curso veremos muchos ejemplos de este tipo de química en diferentes contextos.

Si bien se pueden encontrar algunas paradojas a esta regla en la química de las soluciones concentradas, en Biología General es conveniente definir formalmente pH como:

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

En la ecuación anterior, los corchetes que rodean a [H+] indican concentración. Si es necesario, intente una revisión de matemáticas en wiki-logaritmo o kahn-logaritmo. Ver también: definición-concentración o wiki-concentración.

Los iones de hidrógeno se generan espontáneamente en agua pura mediante la disociación (ionización) de un pequeño porcentaje de moléculas de agua en cantidades iguales de hidrógeno (H+) iones e hidróxido (OH-) iones. El OH- que resultan de la ionización del agua sale al mar de moléculas de agua que interactúan con otras moléculas a través de interacciones polares, mientras que el ahora "libre" (no unido) H+ Los iones producidos por la ionización se asocian con moléculas de agua (línea dos de la figura siguiente) para crear una nueva molécula llamada ion hidronio, H3O+. En algún momento, el ion hidróxido de la línea 1 en la figura siguiente se reunirá con un protón y reformará otra molécula de agua.

Mientras que la mayoría de H+ Los iones en solución existen realmente como H3O+ iones, generalmente representamos el H3O+ en figuras o ecuaciones más simplemente como H+. ¿Por qué? Porque es más fácil. Solo ten en cuenta que cuando veas H+ mencionado en el texto, figuras o ecuaciones, generalmente representa H3O+.

Figura 1: El agua se disocia espontáneamente en un protón y un grupo hidroxilo. El protón se combinará con una molécula de agua formando un ion hidronio.
Atribución: Marc T. Facciotti

los pH de una solución es una medida de la concentración de iones de hidrógeno en una solución (o el número de iones de hidronio). La concentración de iones de hidrógeno determina qué tan ácida o qué tan básica es una solución.

los escala PH es logarítmico y varía de 0 a 14 (Figura 2). Definimos pH = 7.0 como neutro. Llamamos a cualquier cosa con un pH por debajo de 7.0 ácido y cualquier pH informado por encima de 7.0 alcalino o básico. Los extremos de pH en cualquier dirección desde 7,0 a menudo se consideran inhóspitos para la vida, aunque existen ejemplos de lo contrario. Los niveles de pH en el cuerpo humano suelen oscilar entre 6,8 y 7,4, excepto en el estómago, donde el pH es más ácido, normalmente entre 1 y 2. Algunas especies microbianas como Sulfolobus acidocaldarius prosperar en ambientes hiperácidos con pH <3 mientras que a otros les gusta Natronomonas pharaonis se han encontrado viviendo en lagos con pH> 11. Estos organismos se clasifican como "extremófilos" por su capacidad para prosperar en ambientes extremos. Las proteínas de estos organismos a veces se utilizan en procesos industriales donde su capacidad para resistir el estrés ambiental es una propiedad valiosa.

Figura 2: La escala de pH que va de ácido a básico con varios compuestos biológicos o sustancias que existen a ese pH en particular. Facciotti

Para informacion adicional

Mire este video para obtener una explicación ampliada del pH y su relación con [H +] y la escala logarítmica.

Trabajemos con un ejemplo para ver cómo funciona la escala de pH.

Como referencia: 1 mol (mol) de una sustancia (que pueden ser átomos, moléculas, iones, etc.) se define como igual a 6,02 x 1023 partículas de la sustancia. Por tanto, 1 mol de agua es igual a 6,02 x 1023 moléculas de agua.

Matemáticamente, esto se puede escribir como:
1 mol = 6,02x1023 partículas en una sustancia
1 mol de H2O = 6.02x1023 moléculas de agua

Ejemplo: la concentración de iones de hidrógeno que se disocian del agua pura es de aproximadamente 1 × 10-7 lunares H+ iones por litro de agua. El pH se calcula como el negativo del logaritmo en base 10 de esta unidad de concentración. El registro10 de 1 × 10-7 es -7.0, y el negativo de este número produce un pH de 7.0, que también se conoce como pH neutro.

Matemáticamente esto se puede representar como:
pH = -log10[H+]
pH = -log10[1×10-7]
pH = 7.0 (pH neutro)

La siguiente figura proporciona otra forma de visualizar la diferencia entre soluciones ácidas y básicas. Si bien esta figura no es una representación completamente precisa de las cantidades relativas de H+ y oh- en todos los valores de pH - H+ y oh- las concentraciones realmente no llegan a una solución cero; sin embargo, captura la relación inversa entre las concentraciones de iones de protones e hidróxido al ilustrar gráficamente cómo la concentración de protones disminuye a medida que aumenta el pH mientras que la concentración de iones de hidróxido aumenta simultáneamente.

Figura 3: Una representación gráfica de acidez y basicidad. Esta figura ilustra la relación entre H+ y oh- concentraciones en la escala de pH. A valores de pH bajos H+ los iones son abundantes. A medida que aumenta el pH, la abundancia relativa de OH- iones aumentan mientras que H+ la abundancia disminuye.

Attribución: Mary O. Aina

Esta relación inversa entre el pH y la concentración de protones confunde a muchos estudiantes; tómese el tiempo para convencerse de que lo "entiende". Una forma podría ser predecir si los diferentes valores de pH son ácidos o básicos y luego hacer los cálculos para asegurarse. Empiece por probar estas preguntas de práctica.

Ácidos y bases

Los ácidos y las bases son moléculas que pueden influir en el pH de una solución. En biología general, a menudo es conveniente utilizar la definición de ácidos y bases de Brønsted-Lowry. Usando este formalismo definimos:

Ácidos = moléculas que pueden donar un protón a otra molécula (incluida el agua para formar un ion hidronio)
Bases = moléculas que pueden aceptar un protón de otra molécula

Cuando los protones de las moléculas ácidas se disocian de su "padre", aumentan la H+ concentración y por lo tanto bajar el pH de la solución. Por el contrario, cuando una base absorbe un protón "libre" de una solución en la molécula "madre", la disminución de la concentración de protones en la solución da como resultado un cambio a valores de pH más altos.

Genéricamente podemos representar ácidos y bases de la siguiente manera:

Figura 4: Ácidos y bases genéricos. Esta figura muestra el comportamiento de los ácidos y bases de Brønsted-Lowry. El ácido (A en un círculo violeta claro) comienza en forma protonada unido a una H+ ion, dibujado como un rojo H. El ácido se desprotona, desprendiendo su H+ en solución o en otra molécula. Mientras tanto, la base (B en un círculo verde claro) comienza a desprotonarse y absorbe un protón (rojo H+) de solución u otra molécula.
Attribución: Marc T. Facciotti

En la figura anterior, la molécula A- - la forma desprotonada del ácido AH - también puede denominarse base conjugada del ácido AH. Asimismo, la molécula BH+ - la forma protonada de la base B - puede denominarse ácido conjugado de la base B.

Llamamos ácidos que se disocian completamente en A- y H+ iones en equilibrio ácidos fuertes. Estas reacciones se caracterizan por una posición de equilibrio que se encuentra muy a la derecha (favoreciendo la formación del producto) y, por lo tanto, sus ecuaciones químicas a menudo se dibujan con una sola flecha que separa los reactivos y los productos. Por el contrario, los ácidos que NO se disocian completamente en A- y H+ los iones en equilibrio son ácidos débiles. Dependiendo del pH, es común encontrar formas protonadas y desprotonadas del ácido (o tanto el ácido como su base conjugada) en solución al mismo tiempo. Por lo tanto, las ecuaciones químicas que representan estas reacciones generalmente se representan con flechas dobles, lo que indica que la protonación / desprotonación de A-/ AH, respectivamente, es reversible.

Dos ejemplos importantes de ácidos / bases débiles en biología son los grupos funcionales carboxilo y amino. A valores de pH fisiológico (alrededor de pH = 7), el grupo carboxilo tiende a comportarse como un ácido al donar su protón a una solución u otras moléculas. En las mismas condiciones, el grupo amino tiende a actuar como base, absorbiendo protones de la solución u otras moléculas. Como veremos pronto, estas y otras reacciones de protonación / desprotonación juegan un papel fundamental en muchos procesos biológicos.

Figura 5: El grupo ácido carboxílico actúa como un ácido liberando un protón. Esto puede aumentar la cantidad de protones en solución y, por lo tanto, disminuir el pH. El grupo amino actúa como una base al aceptar iones de hidrógeno, que pueden disminuir el número de iones de hidrógeno en las soluciones, aumentando así el pH.
Atribución: Marc T. Facciotti (obra original)

Recursos adicionales de pH

Aquí hay algunos enlaces adicionales sobre pH y pKa para ayudar a aprender el material. Tenga en cuenta que hay un módulo adicional dedicado a pKa.