Informatie

Module 3.1: Inleiding tot pH- en zuurbasegedrag - biologie


leerdoel

  • Begrijp de relatie tussen de structuur en de zuurgraad van een zuur.
  • Bereken de hoeveelheid van een zuur dat wordt geprotoneerd bij een gegeven pH.

PH

In oplossing kan het ene watermolecuul een proton aan het andere afstaan. Daarbij wordt de eerste een negatief geladen hydroxide-ion en de andere een positief geladen hydroniumion. Om de zaken te vereenvoudigen, wordt het hydroniumion vaak afgekort als een bloot proton, (H^+). De concentratie van waterstofionen in oplossing kan worden veranderd door toevoeging van een zuur (bijvoorbeeld zoutzuur), waardoor de hoeveelheid H+ zal toenemen. De hoeveelheid (H^+) kan ook worden verminderd door toevoeging van een base aan de oplossing, zoals ammoniak.

pH is de maat voor de concentratie van positief geladen waterstofionen in een waterige oplossing. pH staat voor (-log[H^+]). Bij lage pH zijn de protonenconcentraties hoog en is de oplossing zuur, en bij hoge pH zijn de protonenconcentraties laag en is de oplossing basisch vanwege een overvloed aan hydroniumionen, (OH^-). Neutrale pH is 7,0. Bij deze pH zijn er evenveel (H^+) als (OH^-) ionen in oplossing. ([H^+]=10^{-7} M).

pH van verschillende verbindingen.

Links staan ​​biologische verbindingen en rechts wat voedingsmiddelen en schoonmaakmiddelen.

Zuren en basen

  • Zuur: kan protonen afstaan
  • Basis: kan protonen accepteren

Het volgende beschrijft ionisatie of dissociatie van het proton van het zuur:

Het zuur (HA) doneert zijn proton aan een watermolecuul, waardoor de geconjugeerde base van het zuur ((A^-)) en een hydroniumion. Hoewel het vrijgekomen proton ((H^+)) ​​geassocieerd is met een watermolecuul, wordt het vaak op een eenvoudigere manier voorgesteld als gewoon een vrij waterstofion, (H^+).

[HA +H_2O ightleftharpoons A^- +H_3O^+ onumber]

Een verbinding kan een of meer ioniseerbare groepen hebben, elk met verschillende zuursterktes. Hier zijn voorbeelden van mono-, di- en triprotische zuren.

Monoprotisch zuur

Diprotisch zuur

triprotisch zuur

Algemene evenwichtsreacties:

Beschouw eerst een heel eenvoudige reactie en zijn evenwichtskenmerken.

[A underset{k_{2}}{overset{k_1}{ ightleftharpoons}} B onumber]

Kinetiek geeft de volgende snelheidsvergelijkingen:

[ frac{d[A]}{dt}=-k_{1}[A]+k_{2}[B] quad frac{d[B]}{dt}=k_{1}[A ]-k_{2}[B]geennummer]

  • (k_1) is de koers (sec(^{-1})) waarmee A wordt omgezet in B. Dit wordt vaak de forward koersconstante genoemd. De totale snelheid waarmee A naar B gaat is (k_1[A]), wat eenheden van mol/sec oplevert.
  • (k_2) is de snelheid (sec(^{-1})) waarmee B wordt omgezet in A. Dit wordt vaak de omgekeerde snelheidsconstante genoemd. Evenzo is de totale snelheid van de omzetting van B naar A (k^{-1}[B]), die ook eenheden van mol/sec heeft.

Bij evenwicht is er geen verandering in de gemiddelde concentratie van A of B, dus:

[egin{array}{l}{frac{d[A]}{dt}=frac{d[B]}{dt}=0} {0=-k_{1}[A] _{EQ}+k_{2}[B]_{EQ}} {K_{eq}=frac{k_{1}}{k_{2}}=frac{[B]_{EQ} }{[A]_{EQ}}=frac{[products]_{EQ}}{[ ext {reactanten}]_{EQ}}}end{array} onumber]

De verhouding van [B] tot [A] bij evenwicht wordt de evenwichtsconstante (K_{eq}) genoemd. Het is een constante die bij evenwicht wordt bereikt, ongeacht de uitgangshoeveelheden van (A) of (B). De evenwichtsconstante hangt af van het relatieve energieverschil tussen A en B, dat kan afhangen van de reactieomstandigheden (bijv. temperatuur)

Karakterisering van zuursterkte met behulp van (pK_a)

Wanneer een proton dissocieert van het geprotoneerde zuur (HA), wordt het gebonden aan een watermolecuul, waardoor een hydroniumion wordt gegenereerd, naast het gedeprotoneerde zuur ((A^-)):

[H A+H_{2} O ightleftharpoons A^{-}+H_{3} O^{+} onumber]

Omdat de concentratie van water in wezen constant is, kan deze worden genegeerd en kunnen we een gewijzigde evenwichtsreactie schrijven die zich alleen richt op de soort van belang:

[H A ightleftharpoons A^{-}+H^{+}geennummer]

en schrijf de evenwichtsconstante voor de dissociatie.

[K_{a}=frac{left[H^{+} ight]left[A^{-} ight]}{[H A]} onumber]

De evenwichtsconstante voor deze reactie krijgt een speciale naam, de 'K-a' of 'K-zuurgraad'. De zuurgraadconstante (K_a) is een fundamentele eigenschap van het zuur, deze is niet afhankelijk van de pH van de oplossing. Het hangt echter wel af van de chemische structuur en de omgeving van de zure groep. Aangezien de pH-schaal wordt gebruikt om [(H^+)] te karakteriseren, is het nuttig om de zuurgraadconstante op dezelfde manier uit te drukken, door de negatieve log ervan te nemen:

[mathrm{pK}_{mathrm{a}}=log mathrm{K}_{mathrm{a}} onumber]

Sterke zuren worden volledig gedissocieerd in water en hebben typisch (pK_a) waarden kleiner dan ~ -2. Zwakke zuren dissociëren niet volledig en hebben (pK_a) waarden die gelijk zijn aan of groter zijn dan 2,0. Voorbeelden van sterke zuren zijn zoutzuur (HCl), en een voorbeeld van een zwak zuur is azijnzuur.

Voorspelling van protonatietoestand:

In veel gevallen kan slechts één van de twee soorten (geprotoneerd of gedeprotoneerd) biologisch actief zijn. Gegeven een pH en (pK_a) van de ioniseerbare groep, willen we het volgende berekenen:

De fractie die wordt geprotoneerd:(mathrm{f}_{mathrm{HA}}=[mathrm{HA}] / mathrm{A}_{mathrm{T}})
De fractie die wordt gedeprotoneerd:(mathrm{f}_{mathrm{A}-}=[mathrm{A}] / mathrm{A}_{mathrm{T}})

omdat dit het mogelijk zou maken om de biologische activiteit van het systeem bij verschillende pH-waarden te voorspellen. Als de geprotoneerde soort bijvoorbeeld actief is, zal de activiteit evenredig zijn met de fractie die geprotoneerd is.

De relatie tussen de pH, sterkte van het zuur en de fractie geprotoneerd/gedeprotaneerd kan worden verkregen uit de Henderson-Hasselbalch-vergelijking, die hieronder is afgeleid:

[egin{array}{l}{K_{a}=frac{left[H^{+} ight]left[A^{-} ight]}{[HA]}} {-log K_{a}=-log left{frac{left[H^{+} ight]left[A^{-} ight]}{[HA]} ight }} {-log K_{a}=-log left[H^{+} ight]-log left{frac{left[A^{-} ight]}{ [HA]} ight}} {p K_{a}=p H-log left{frac{left[A^{-} ight]}{[HA]} ight }} {p H=p K_{a}+log left{frac{left[A^{-} ight]}{[HA]} ight}}end{array} geen nummer]

Let op: als pH=(pK_a) is de concentratie van de geprotoneerde en gedeprotoneerde soorten gelijk (([A^-] = [HA])), als de pH = (pK_a) is het zuur 50% geprotoneerd.

De Henderson-Hasselbalch-vergelijking kan worden gebruikt om gemakkelijk de geprotoneerde en gedeprotoneerde fractie te vinden. Begin met het definiëren van R=[A-]/[HA] en vervolgens het schrijven van vergelijkingen voor gedeprotoneerde breuken ((f_{A-})) en geprotoneerde breuken ((f_{HA})):

[egin{array}{l}{R=frac{left[A^{-} ight]}{[HA]}} {f_{A^{-}}=frac{ left[A^{-} ight]}{[HA]+left[A^{-} ight]} quad f_{HA}=frac{[HA]}{[HA]+left[ A^{-} ight]}} {f_{A^{-}}=frac{left[A^{-} ight] /[HA]}{[HA] /[HA]+ left[A^{-} ight] /[HA]} f_{HA}=frac{[HA] /[HA]}{[HA][HA]+[A-] /[HA]}} {f_{A^{-}}=frac{R}{1+R} quad f_{HA}=frac{1}{1+R}}end{array} onumber]

De waarde van R wordt verkregen uit de gegeven pH en de bekende (pK_a):

[egin{array}{l}{R=frac{left[A^{-} ight]}{[HA]}} {p H=p K_{a}+log left (frac{left[A^{-} ight]}{[HA]} ight)} {p H=p K_{a}+log (R)} {p Hp K_{ a}=log (R)} {10^{(p Hp K a)}=R}end{array} onumber]

Voorbeeldberekening: Bereken de fractie geprotoneerd voor de zijketen van histidine, gegeven dat de (pK_a) 6,0 is

Histidine zijketen ionisatie

pH(R=10^{(pH-pK_a)})(F_{HA}=1/(1+R))
4(R=10^{(4-6)}=10^{-2})(F_{HA}=1/(1+0.01)=0.99)
5(R=10^{(5-6)}=10^{-1})(F_{HA}=1/(1+0.10)=0.91)
6(R=10^{(6-6)}=10^{0})(F_{HA}=1/(1+1)=0.5)
7(R=10^{(7-6)}=10^1)(F_{HA}=1/(1+10)=0.1)
8(R=10^{(8-6)}=10^2)(F_{HA}=1/(1+100)=0,01)

leren door te doen

Om de relatie tussen pH en (pK_a) en protonatietoestand verder te onderzoeken, voltooi het volgende leren door te doen.

Laten we eens kijken naar de relatie die bestaat tussen de oorspronkelijke HA-concentraties, de pH van het zuur en de K-waarde van het zuur.

1. Wat gebeurt er met de K-waarde als de informatie in de grafiek rechts wordt gebruikt als de oorspronkelijke HA-concentratie toeneemt?

A. neemt toe

B. blijft hetzelfde

C. neemt af

hint

Kijk naar de middelste kolom van het vak voor de K-waarden.

Antwoord geven

B. (de verhouding van producten tot reactanten verandert niet voor een bepaalde stof bij evenwicht.)

2. Wat gebeurt er met de pH-waarde als de informatie in de grafiek rechts wordt gebruikt als de oorspronkelijke HA-concentratie toeneemt?

A. neemt af

hint

Kijk in de rechterkolom van het vak voor de pH-waarden.

Antwoord geven

c (naarmate de HA-concentratie toeneemt, worden er meer H+-ionen aangemaakt waardoor de oplossing zuurder wordt.)

3. In de vorige simulaties heb je bepaald dat de pH geen invloed heeft op de evenwichtsconstante voor de ionisatie van een zwak zuur. In deze oefening ga je bepalen hoe de pH van invloed is op hoeveel van het zwakke zuur wordt geïoniseerd.

Met behulp van de vergelijking voor geprotoneerde breuken die rechts wordt weergegeven, moet u: selecteer een bepaalde pH bereken vervolgens de geprotoneerde fractie met behulp van de concentraties van de verschillende soorten die in de vakken zijn vermeld. Typ uw antwoord op de juiste plaats in de gegevenstabel. Doe alle vijf de pH-waarden.

Tijdbesparing: De totale concentratie van het zwakke zuur, [HA]+[A-] verandert niet met de pH en is in deze oefening 1000.

Naarmate de pH stijgt

A. [HA] wordt kleiner naarmate de pH groter wordt.

B. [HA] wordt groter naarmate de pH groter wordt.

hint

Selecteer met behulp van de formule boven de gegevenskaart elke pH-waarde en bereken de geprotoneerde fractie door de waarden voor [HA] en [A-] in te vullen

Antwoord geven

A.

4. Komt jouw grafiek overeen met de theoretische grafiek?

A. Ja

B. Nee

hint

Ga terug naar de "fractie geprotoneerde berekening"

Antwoord geven

A. (Goed gedaan!)

5. Op welk punt is de geprotoneerde fractie gelijk aan 0,5?

A. pH 1.

B. pH 4.

C. pH 6.

hint

Kijk hoe de grafiek verandert met de pH en hoe dit de fractie verandert.

Antwoord geven

B. (wanneer de curve in het midden staat, is de geprotoneerde fractie 0,5. Dit betekent ook dat de gedeprotoneerde fractie ook 0,5 is.)

6. Wat vertelt het middelpunt van de kromme grafiek je over het zuur?

A. (pK_a) van het zuur

B. Concentratie van de HA

hint

Onthoud dat je op dit punt een 50-50 mix van geprotoneerd en gedeprotoneerd hebt.

Antwoord geven

A. (de (pK_a) van het zuur is het punt dat je een 50-50 mix van geprotoneerd en gedeprotoneerd hebt.)

Nu je de vorige activiteit over zwakke zuren hebt voltooid, kun je proberen wat je hebt geleerd toe te passen op dit voorbeeld uit het echte leven.

heb ik dit gekregen?

1. Aspirine passeert sneller membranen als het ongeladen (geprotoneerd) is. Dit leren door te doen onderzoekt het effect van pH op de opname van aspirine.

De structuur van aspirine (acetylsalicylzuur) is hierboven (links) weergegeven. De carboxylaatgroep heeft een (pK_a) van 4,0.

De pH van de maag is 2,0. Wat is de fractie aspirine die in de maag wordt geprotoneerd (de vergelijkingen aan de rechterkant kunnen nuttig zijn)?

A. 0,99

B. 0.90

C. 0,09

hint

De vergelijkingen aan de rechterkant kunnen nuttig zijn

Antwoord geven

A. (pH=2, (pK_a)=4, (R=10^{2-4}=10^{-2}space f_{HA}=frac{1}{(1+0.01)} =0,99))

2. (de (pK_a) van het zuur is het punt dat je een 50-50 mix van geprotoneerd en gedeprotoneerd hebt.)

3. (de (pK_a) van het zuur is het punt dat je een 50-50 mix van geprotoneerd en gedeprotoneerd hebt.)

4. (de (pK_a) van het zuur is het punt dat je een 50-50 mix van geprotoneerd en gedeprotoneerd hebt.)

Chemische structuur en zuurgraad:

De evenwichtsconstante, Kgelijk aan, want elke reactie is gerelateerd aan het energieverschil tussen reactanten (bijv. [HA]) en producten (bijv. [A-]), door de bekende formule:

[egin{array}{l}{E_{A^{-}}-E_{HA}=Delta G^{0}=-RT ln K_{a}} {K_{a}= e^{-left(E_{A-}-E_{HA} ight) / RT}} {K_{a}=e^{-Delta G^{0} / RT}}end{ array}geennummer]

(R = gasconstante, 8,31 J/mol-K, RT=2,5 kJ/mol @300K).

De volgende tabel onderzoekt de relatie tussen structuur en zuurgraad.

DissociatiereactieZuursterkte/AA-typeVerklaring van de zuurgraad

Zoutzuur, (pK_a) = -20Sterk zuur omdat ionen interageren met water. Volledige dissociatie.

Ethanol, (pK_a)= 14. (Aminozuren serine & threonine)Zeer zwak zuur. Weinig ionisatie van de -OH-groep.

Azijnzuur, (pK_a) = 4. (Aminozuren aspartaat & glutamaat)Zwak zuur, maar sterker dan ethanol vanwege de delokalisatie van de lading over de carbonylgroep.

Glycine, (pK_a) = 2. (Alle aminozuren)Zwak zuur, maar sterker dan azijn als gevolg van delokalisatie van de lading over carbonylgroep en positief geladen stikstof.

heb ik dit gekregen?

1. De structuur van trifluorazijnzuur (TFA, (pK_a)=0.5) en azijnzuur ((pK_a)=4.8) wordt hieronder weergegeven. Wat is het sterkere zuur, TFA of azijnzuur?

A. TFA is het sterkere zuur

B. Azijnzuur is het sterkere zuur

hint

(pK_a)=-log(K_a). Kleine (pK_a) waarden geven grote of kleine (K_a) waarden aan?

Een sterker zuur ioniseert vollediger, wat wijst op een grotere zuurgraadconstante, (K_a).

Antwoord geven

A. (Het zuur met het laagste (pK_a) is het sterkere zuur.)

2. Leg uit waarom TFA een sterker zuur is dan azijnzuur.

hint

Hoe verschillen fluoratomen van waterstofatomen?

Antwoord geven

Wanneer een van de twee zuren deprotoneren, wordt een negatieve lading gegenereerd op de COOH-groep. De meer elektronegatieve fluoratomen onttrekken en delokaliseren daarom een ​​deel van die lading, wat de energie van de gedeprotoneerde toestand verlaagt en de ionisatie verbetert.

Review Quiz

heb ik dit gekregen?

1. Bij het verliezen van een proton wordt een zuur

A. zeer reactief

B. zijn geconjugeerde zuur.

C. zijn geconjugeerde base.

NS. een hydroniumion.

e. een hydroxide-ion.

antwoord geven

C.

2. Een factor die de sterkte van een zuur beïnvloedt, is:

A. frequente lichaamsbeweging.

B. de elektronegativiteit van atomen in de buurt van de zure groep.

C. het aantal dubbele bindingen.

NS. het aantal vrijgekomen protonen.

e. geen van de bovenstaande.

antwoord geven

B.

3. Als de (pK_a) van trifluorazijnzuur (TFA) 0 is, en de (pK_a) van azijnzuur 4,0 is, dan is de (pK_a) van trichloorazijnzuur (TCA):

A. -1

B. 1

C. 3

hint

Probeer de oefening op de pagina waarin TFA wordt vergeleken met azijnzuur.

antwoord geven

B. (Omdat chloor minder elektronegatief is dan fluor, is TCA een zwakker zuur dan TFA en zal de (pK_a) van TCA dichter bij TFA liggen.)

4. Wanneer de pH lager is dan de (pK_a), dan

A. De concentratie van [HA] is groter dan [A-].

B. De concentratie van [HA] is kleiner dan [A-].

C. De concentratie van [HA] is gelijk aan [A-].

NS. De verhouding van [HA] tot [A-] kan niet worden bepaald.

e. De concentratie van het zuur is nodig om de verhouding van [HA] tot [A . te berekenen-].

hint

De (pK_a) markeert de pH die het zuur voor 1/2 zal protoneren. Hoe zal het verlagen van de pH de waterstofionenconcentratie beïnvloeden?

antwoord geven

A. (De (pK_a) markeert het 1/2 punt in het effect van de protonconcentratie van een zuur. Als de pH lager is dan (pK_a), dan [HA]>[A-], als de pH > (pK_a), dan is [HA] kleiner dan [A-].)


Oorspronkelijk verwezen de termen zuur en base naar smaak. De praktijk van het classificeren van stoffen op basis van hun zuur (zuur) of basis (alkalische of bittere) eigenschappen dateren uit de oudheid. Een zuur was iets met een zure smaak, zoals citroensap, en een base was iets met een bittere smaak, zoals tonic water. Tegenwoordig zijn er drie extra smaakcategorieën: lief hoor, zout en umami. De nieuwste, umami, is specifiek voor mono-natriumglutamaat (MSG).

Het is geen toeval dat de zuur- en base-eigenschappen van verbindingen gerelateerd zijn aan smaak. Menselijke smaakreceptoren in combinatie met geurreceptoren zijn geëvolueerd om bepaalde moleculaire kenmerken als verschillende smaken te interpreteren. Verbindingen gevormd uit combinaties van zuren en basen smaken zout en worden in de chemie zouten genoemd. Zoete verbindingen hebben kenmerken van zowel zuren als basen in hetzelfde molecuul.

We zullen de relatie tussen moleculaire structuur en zuren en basen onderzoeken en wateroplossingen van zuren en basen beschouwen. In water of een wateroplossing is de oplossing zuur als de waterstofionenconcentratie groter is dan de hydroxide (OH -) ionenconcentratie, de oplossing is basisch als de hydroxide-ionenconcentratie groter is dan de waterstof (H +) ionenconcentratie, en de oplossing is neutraal als de concentraties gelijk zijn. Dus de eigenschappen van een zure oplossing zijn te wijten aan de relatief hoge concentratie van waterstofionen, en de eigenschappen van basische oplossingen zijn te wijten aan de hoge concentratie van hydroxide-ionen.

Zoals veel van de fundamentele ideeën in de chemie, dateert het concept van zuur en base uit de oudheid en is het afgeleid van alledaagse observaties over stoffen die mensen tegenkwamen. Het duurde echter eeuwen voordat er moleculaire interpretaties werden gegeven aan deze real-life observaties. Het acid&ndashbase-concept is een classificatiesysteem voor chemische stoffen dat zowel de organisatie als de voorspelling van een groot aantal chemische reacties mogelijk maakt.

Een stof kan worden ingedeeld in een van onze vier denkbare categorieën. Het kan een zuur of een base zijn, maar daarnaast kan het zowel een zuur als een base zijn of het kan noch een zuur noch een base zijn. Vroege chemici realiseerden zich dat zelfs onder zuren en basen sommige zuren sterker (zuurder) of basisch (bitter) waren dan andere. Zo kunnen zuren verder worden geclassificeerd als sterke zuren en zwakke zuren, en basen als sterke basen en zwakke basen.


Bicyclische systemen met bruggenhoofd (ringverbinding) booratomen☆

7.2 MIDA-boronaten

Boronzuurgroepen worden vaak gebruikt in verschillende synthetische reacties, bijvoorbeeld Suzuki-koppeling. De reactiviteit van organoboranen kan echter problematisch zijn bij het uitvoeren van geavanceerde meerstapssynthese. Een veelgebruikte bron is de N-methyliminodiacetaat (MIDA) beschermende groep 100. Deze beschermende groep, die voor het eerst werd geproduceerd in 1986, is zeer nuttig gebleken omdat deze volledig ingrijpt in de met boriums sp3-gehybridiseerde vorm, waardoor wordt voorkomen dat deze een interactie aangaat met andere moleculen (schema's 13 en 14). 48

Deze beschermende groep is bestand tegen veel veelgebruikte chemische reacties, waaronder Heck-, Negishi-, Sonogashira-, Stille- en watervrije Suzuki-Miyraura-koppelingen. 49 De Burke-groep toonde in 2009 aan dat MIDA-boronaatesters langzaam vrij boorzuur afgeven in aanwezigheid van een milde waterige base om effectievere Suzuki-kruiskoppelingsreacties mogelijk te maken. 50 Deze verbindingen zijn effectief gebruikt als bouwstenen voor de iteratieve assemblage van complexe moleculen. 51 De MIDA-boronaatgroep is ook resistent tegen oxidanten, reductanten, milde zuren, watervrije basen, elektrofielen en zachte nucleofielen. Bovendien verhoogt de MIDA-groep de oplosbaarheid van boorzuren in protische oplosmiddelen. Om deze redenen is de MIDA-groep een veelgebruikte beschermende groep voor boorzuren geworden.


Weerstandsmechanismen

PH-homeostase

pH-homeostase is de regulering van de pH binnen en buiten de cel en is een belangrijke indicator van de fysiologische toestand van cellen in een zure omgeving (Baker-Austin en Dopson 2007). Het is van cruciaal belang voor celgroei en metabolisme, en beïnvloedt de opname en het gebruik van voedingsstoffen, de afbraak van substraten en de synthese van eiwitten en nucleïnezuren (Guan et al. 2013). Zoals geïllustreerd in Fig. 1 en 2 is het behoud van pH-homeostase het resultaat van interacties tussen meerdere transportsystemen. Elektrogene protonpompen verdrijven protonen uit cellen, waardoor een membraanpotentiaal en een pH-gradiënt worden gegenereerd. De onderlinge omzetting hiervan wordt gereguleerd door kation- en protonoverdracht via secundaire transporters (Călinescu et al. 2014).

Zuurtolerantiemechanismen geassocieerd met celmembranen en ionentransportsystemen. Microbiële cellen handhaven pH-homeostase door de inwaartse stroom van protonen door zeer ondoordringbare celmembranen te beperken (I) en de grootte van membraankanalen te moduleren (II), waardoor de instroom van protonen wordt afgebogen door chemiosmotische gradiënten te genereren via kalium-ATPasen (III), overtollige protonen te pompen uit het cytoplasma via een protonpomp (IV), en het handhaven van de integriteit en vloeibaarheid van celmembranen door de vetzuursamenstelling te moduleren (V)

Op enzymen gebaseerde zuurtolerantiemechanismen

Verschillende strategieën om zuurstress te weerstaan ​​door aanhoudende pH-homeostase zijn geëvolueerd in microben (He et al. 2017 Jain et al. 2013 Liu et al. 2016b Lu et al. 2013 Miller en Maier 2014 Sohlenkamp 2017). Sommige gisten en bacteriën behouden een relatief stabiele en neutrale intracellulaire pH (pHl) in aanwezigheid van constant veranderende extracellulaire pH (pHex) en genereren niet-gefixeerde protongradiënten (Siegumfeldt et al. 2000). Een constante pH-gradiënt is echter gunstiger voor de meeste zuurtolerante microben. Dit komt omdat er een grote hoeveelheid energie moet worden verbruikt om een ​​neutrale pH te behoudenl, die de groei en het metabolisme van microben ernstig beperkt (zon 2016). de pHl van deze zuurtolerante microben neemt af met verzuring van de omgeving, maar wordt op een hoger niveau gehouden dan de pHex. Zodra het zuur een bepaalde concentratie bereikt, wordt de pHl neemt sterk af en de pH-homeostase wordt vernietigd. Dit resulteert in eiwit- en DNA-schade, waarbij de cellen uiteindelijk verwelken (Wu et al. 2012a). Daarom is het in stand houden van pH-homeostase essentieel voor microben om te overleven in zure omgevingen.

Beperking van protonpermeatie

Proton-aandrijfkracht (PMF) is een meting van de energietoestand van het celmembraan gegenereerd door een ladingsscheiding tussen het cytoplasma en het externe milieu gecreëerd door membraanpotentiaal en pH-gradiënt over het membraan (Baker-Austin en Dopson 2007). Het is een gebruikelijke indicatieve referentie voor het regelen van pH-homeostase, die voornamelijk wordt gediend door de pH-gradiënt in de studie van zuurresistentie (Lee en Kang 2016). Het wordt ondersteund door het evenwicht tussen de instroom en uitstroom van protonen.

Protonen reizen door het plasmamembraan het cytoplasma binnen en worden beperkt door de protonpermeabiliteit en kanaalgrootte van het membraan (Sohlenkamp 2017). Zuurtolerante microben zijn over het algemeen uitgerust met minder permeabele membranen om het binnendringen van protonen in de cellen te verminderen (Sohlenkamp 2017). Er wordt gesuggereerd dat verschillende factoren bijdragen aan dit kenmerk, waaronder de taaie structuur van de monolaag, de omvangrijke isoprenoïde kern en een unieke lipidesamenstelling zoals tetraetherlipiden (Macalady en Banfield 2003). Het moduleren van de grootte van membraankanalen is een andere belangrijke strategie die door sommige zuurtolerante microben wordt aangenomen om de pH-homeostase te behouden. Expressie van de buitenmembraanporine van Acidithiobacillus ferrooxidans nam toe als reactie op zuur, in een poging de grootte van de porine-gateway te regelen door een grote L3-lus te vormen (Amaro et al. 1991). Bijgevolg was de instroom van protonen beperkt tot alleen het buitenmembraan (Guiliani en Jerez 2000).

De instroom van protonen kan ook worden verminderd in zuurtolerante microben met behulp van een chemiosmotische gradiënt gegenereerd door een Donnan-potentiaal, en het verschil in elektrische potentiaal gevormd tussen twee oplossingen gescheiden door een ionenuitwisselingsmembraan zonder enige stroom door het membraan (Baker- Austin en Dopson 2007). Veel kationtransporters werden ontdekt in acidofielen en er wordt aangenomen dat ze betrokken zijn bij het genereren van een Donnan-potentieel (Fütterer et al. 2004). Kaliumtransporters zijn naar verluidt het meest efficiënt in het genereren van chemiosmotische gradiënten, waardoor een omgekeerde membraanpotentiaal wordt gegenereerd en de binnenwaartse stroom van protonen wordt beperkt (Suzuki et al. 1999). Er werd ook waargenomen dat kaliumionen deelnemen aan de ademhalingsgebonden protonenpomp in Sulfolobus spp. (Schäfer 1996). Bovendien zijn kation-ATPasen (zoals K+-ATPase) betrokken bij het handhaven van pH-homeostase door H+ en K+ uit te wisselen (Macpherson et al. 2005).

Een interessant zuurresistentiemechanisme van sommige bacteriën is de vorming van biofilms. Het is een groepsgedrag waarbij cel tot cel communicatie betrokken is (Li et al. 2001). Biofilms beschermen microbiële cellen tegen zuurschokken door de cellen in het binnenste deel te wikkelen. Daarom is celdichtheid, die verband houdt met de vorming van biofilms, ook een factor die de zuurresistentie van micro-organismen beïnvloedt (Liu et al. 2015c).

Verbetering van protonpompen

De PMF-afhankelijke protonenpomp is een van de belangrijkste zuurtolerantiesystemen in bacteriën bij het handhaven van pH-homeostase, waardoor overtollige protonen uit het cytoplasma worden gepompt (Jain et al. 2013). Van verschillende protonpompen is aangetoond dat ze de protonefflux bevorderen, zoals de H + -ATPase, symporter, antiporter en secundaire transporter (zon 2016). Naar verluidt worden protonen uit cellen geëxporteerd via H + -ATPase in bacteriën, een proces dat ATP verbruikt (zon 2016). Bijgevolg verbeteren hogere H + -ATPase-activiteit en meer energieaccumulatie het vermogen van cellen om de pH te regulerenl homeostase.

Normaal gesproken wordt ATP gegenereerd via FOF1ATPase wanneer extracellulaire protonen het celmembraan passeren in het cytoplasma via een pH-gradiënt (zon 2016). De accumulatie van H+ leidt echter tot een scherpe daling van de pHl onder lage pHexen protonpompen beginnen met ATP-verbruik (Fig. 1). Als gevolg hiervan is de beschikbare energie voor cellen uitgeput en wordt de overleving van de stam geremd (Zheng et al. 2011). Daarom is het verhogen van de energieniveaus een effectieve strategie om protonpompen te verbeteren. Substraatniveau en oxidatieve fosforylering zijn de twee manieren waarop micro-organismen ATP produceren, dit laatste kan worden verbeterd door hulpenergiesubstraten toe te voegen (Zhou et al. 2009). Er is gemeld dat citraat van belang is in sommige prokaryotische micro-organismen als een hulpenergie-cosubstraat, dat ATP-regeneratie bevordert (Drici et al. 2010 Kang et al. 2013). Zhou et al. waren in staat om de ATP-toevoer te verhogen tot Candida glabrata door citraat aan het medium toe te voegen en de pH-gradiënt van het systeem te verhogen, waardoor de zuurtolerantie tijdens de productie van pyrodruivenzuur wordt verbeterd (Zhou et al. 2011). Kortom, het balanceren van protonentransport en ATP-metabolisme vormt de kern van het protonpompmechanisme. Behalve voor bacteriën en gisten, Rhizopus oryzae is ook gemeld om zuurstress te weerstaan ​​via FOF1ATPase (Liu et al. 2015b).

Verbruik van protonen

Naast het regelen van het transmembraan-protonentransport, hebben sommige micro-organismen verschillende zuurtolerantiemechanismen ontwikkeld op basis van de consumptie van overmatige cytoplasmatische protonen om de pH-homeostase in zure omgevingen in stand te houden. De enzymsystemen van cellen die alkalische producten genereren, spelen een sleutelrol in deze mechanismen, zoals geïllustreerd in Fig. 2.

Van het ureasesysteem is bekend dat het H+ neutraliseert door ammoniak te produceren, wat helpt bij het weerstaan ​​van lage pH tijdens het kweken van bacteriën zoals Helicobacter pylori (Mols en Abee 2011 Zanotti en Cendron 2010). Er zijn drie modellen van urease voorgesteld om de pH-homeostase te reguleren. Oorspronkelijk werd aangenomen dat ureum wordt gekatalyseerd door cel-geassocieerd extracellulair urease en ammoniak oplevert, dat protonen rond de cellen neutraliseert (Hazell 1991). Later bleek urease echter een cytoplasmatisch enzym te zijn dat vrijkomt via cellysis (Scott et al. 1998). Volgens het tweede model combineert ammoniak geproduceerd uit urease zich met H+ in het periplasma en wordt de intracellulaire micro-omgeving in stand gehouden door de pH daarvan te verhogen. Het huidige algemeen aanvaarde mechanisme is dat urease ureum omzet in ammoniak en CO2, direct neutraliserende protonen en regulerende pHl in het cytoplasma (Miller en Maier 2014). Vollan et al. vond de rol van H. pylori buitenmembraan fosfolipase A in zuurtolerantie op basis van ureum-influx en ammonia-efflux. Deze bleek later betrokken te zijn bij het transport van NH4 + in periplasma (Vollan et al. 2017).

Aminozuren maken verschillende micro-organismen zuurtolerant door de pH te verhogenl tijdens het metabolisme (Senouci-Rezkallah et al. 2011). Dergelijke systemen worden aminozuurafhankelijke zuurtolerantiesystemen genoemd. Het arginine deaminase (ADI) systeem is geïdentificeerd als een belangrijk afweermechanisme in verschillende bacteriën tegen schade door zuur (Liu et al. 2015c Shabayek en Spellerberg 2017). Dit systeem omvat drie stappen (Fig. 2). Ten eerste wordt arginine dat door ArcD naar de cellen wordt getransporteerd, door ADI omgezet in citrulline en ammoniak. Vervolgens katalyseert ornithine carbamoyltransferase (OTC) de fosforolyse van citrulline tot ornithine en carbamoylfosfaat. De eerste wordt vervolgens uit de cel getransporteerd, terwijl de laatste uiteindelijk wordt omgezet in koolstofdioxide en ammoniak door carbamaatkinase (CK), waarbij ATP wordt gegenereerd uit ADP. Dientengevolge worden protonen geneutraliseerd door ammoniak en koolstofdioxide gevormd door het systeem, en het geproduceerde ATP is beschikbaar om protonen te extruderen via H + -ATPase (Guan et al. 2013). Ondertussen vormen een arginine-agmatine-antiporter AdiC en argininedecarboxylase AdiA de andere tak van het arginine-afhankelijke zuurtolerantiesysteem (Kanjee en Houry 2013). Arginine gaat de cel binnen via AdiC en wordt omgezet in agmatine en koolstofdioxide door katalyse door AdiA, waarbij intracellulaire protonen worden verbruikt.

Het glutamaatafhankelijke zuurtolerantiesysteem wordt ook erkend als cruciaal voor bacteriën om te overleven in zure omgevingen. De functie van het glutamaatdecarboxylase (GAD)-systeem bij zuurresistentie is vergelijkbaar met die van argininedecarboxylase (Fig. 2). Glutamaatdecarboxylase katalyseert de decarboxylering van glutamaat, wat -aminoboterzuur (GABA) en koolstofdioxide oplevert, vergezeld van protonenconsumptie (Reeve en Reid 2016). Het specifieke aminozuur antiporter GadC, waarvan ook bekend is dat het glutamine transporteert, transporteert extracellulair glutamaat en intracellulair GABA (Laroute et al. 2016 Ma et al. 2012). Een ander systeem, bestaande uit GadC en het glutaminase YbaS, wordt gevonden in Escherichia coli (Lu et al. 2013). Nadat het in het cytoplasma is getransporteerd, wordt glutamine omgezet in glutamaat en ammoniak door met zuur geactiveerd YbaS, waarna het GAD-systeem wordt gestart. De vorming van alkalische producten (ammoniak en GABA) en de vermindering van intracellulaire protonen zijn de netto gevolgen van dit glutamaatgerelateerde metabolisme. Naast arginine en glutamaat speelt het lysine-afhankelijke systeem ook een rol bij zuurtolerantie van cellen via de decarboxylering van lysine (He et al. 2017) (Fig. 2). Bovendien zijn enkele andere aminozuren zoals aspartaat en citrulline betrokken bij het handhaven van de pHl homeostase door ammoniak vrij te geven tijdens het metabolisme (Cusumano en Caparon 2015 Hu et al. 2010).

Verandering van celmembranen

Het primaire doelwit van omgevingsstress zijn celmembranen, die op verschillende manieren helpen bij het ondersteunen van cellulaire activiteiten onder zure omstandigheden. Naast het beperken van de protonpermeatie door de kanaalgrootte aan te passen, zijn membraanbio-energetica en lipidefysiologie ook nauw gerelateerd aan de stressrespons in micro-organismen (Yang et al. 2014). Zoals hierboven vermeld, reguleert de membraangebonden H + -ATPase de pHl van cellen door protonen uit het cytoplasma te pompen. Daarom resulteren hogere niveaus van H + -ATPase en zijn activiteit in een hogere zuurtolerantiecapaciteit (Zhang en Yang 2009). Modulatie van de integriteit, vloeibaarheid en lipidesamenstelling van celmembranen zijn ook belangrijke mechanismen die bacteriën beschermen tegen de schadelijke effecten van zuren (Yan et al. 2016).

Celmembranen zorgen voor een constante intracellulaire omgeving voor celgroei en metabolisme (Sohlenkamp 2017). Onderhoud van de juiste membraanstructuur en -functie is een voorwaarde voor alle cellulaire metabolische activiteiten. Een lage pH leidt meestal tot morfologische veranderingen in cellen, wat een gevolg is van het beschadigde lipoïdale celmembraan en verminderde vloeibaarheid (Streit et al. 2008). De levensvatbaarheid van cellen onder stressomstandigheden wordt gereguleerd door membraanstatus celmembranen verlenen zuurtolerantie aan cellen door hun integriteit en vloeibaarheid te behouden vanwege zuuradaptatie (Sohlenkamp 2017). Membrane fluidity is an integrated reflection of chain conformation, lateral and rotational diffusion, and resistance to sheer forces, and these characteristics are determined by the fatty acyl chain and head-group composition (Denich et al. 2003).

Some microbes regulate membrane fluidity by modulating fatty acid composition, since the bilayer structure can be modified by changing the distribution of fatty acids (Lindberg et al. 2013 Yang et al. 2014). The ratios of unsaturated to saturated, cis tot trans unsaturated, and branched to unbranched fatty acids are all related to the acyl chain structure of glycerophospholipids. Altering the unsaturation ratio is a common mechanism employed by bacteria to control membrane fluidity. This depends on fatty acid synthesis by fatty acid synthases of the anaerobic pathways and desaturase enzymes of the aerobic pathways (Denich et al. 2003). It has been reported that higher unsaturation ratios of membrane fatty acids contribute to cell survival at low pH (Wu et al. 2012b). Isomerization of unsaturated fatty acids from cis tot trans conformation also affects fluidity of the bacterial membrane (Tan et al. 2016). It is an energy-efficient post-synthesis lipid modification process, which occurs only in inactive cells (Diefenbach et al. 1992). Additionally, altering either the proportion or type of branching is another way in which cells modulate membrane fluidity (Kaiser et al. 2016 Sen et al. 2015). Specifically, membrane cyclopropane acyl chains were shown to be critical factors in acid tolerance in bacteria (Chang and Cronan 1999 Yang et al. 2015), where strains lacking such fatty acids were more sensitive to low pH (Kim et al. 2005). In addition, fatty acid chain length also plays a vital role in the response to acid stress. Strains reduce acid-mediated damage to their cell membranes by lengthening their fatty acid chains (Wu et al. 2012b).

Metabolic regulations

Microorganisms have developed complex metabolic regulatory mechanisms to improve their acid tolerance during adaptation to acid environments. They upgrade their precursors, cofactors, and redox factors for survival, growth, and metabolism under acidic conditions by strengthening the glycolytic pathway (Guan et al. 2014). In a previous study, the glycolytic rate increased by 70% from pH 6.6 to 4.7 (Even et al. 2003), through changing enzyme concentrations and metabolic regulation of enzyme activities. The increase in enzyme activity compensates for the inhibition imposed by diminished pH, and rescues normal metabolism. Simultaneously, the transcription of central metabolic pathway genes is regulated and transcript stability increases. The increase in the enzyme pool and decrease in mRNA concentrations indicate that translational regulation plays a major role in enhancing enzyme concentrations by controlling ribosome activity (Even et al. 2003).

Glycolytic rates increased by 70%, and biomass synthesis was 80% less efficient at low pH, suggesting that the energy required in maintaining the metabolism of strains increased (Even et al. 2003). A portion of the energy that is consumed assists proton pumps in the maintenance of pHl by extruding protons out of the cells. However, the available metabolic energy is limited since the rate of energy synthesis decreases upon cytoplasmic acidification. Thus, endogenous RNAs are catabolized to provide bases and ribose for the synthesis of carbon chains and energy (Siegumfeldt et al. 2000). Furthermore, amino acid catabolism is enhanced by fivefold when pH decreases from 6.6 to 4.7. The generation of NH3 and the consumption of intracellular H + via deamination and decarboxylation, respectively, are considered key mechanisms in bacterial resistance to acidification (Lu et al. 2013 Xiong et al. 2014). Similarly, the metabolism and accumulation of cellular polyamines are also enhanced to promote cell survival in acidic pH (Fujihara and Yoneyama 1993).

Except for the protective mechanisms against protons, acid-resistant mechanisms based on anions from the dissociation of organic acids have also been developed. The consumption of acetate has been found to enhance acetic acid tolerance of S. cerevisiae (Geng et al. 2017). Through expression of genes in acetate degradation pathway, resistance of S. cerevisiae to acetic acid was improved during fermentation (Ding et al. 2015b). That is, anions may improve acid tolerance by involving in certain metabolic pathways and influencing the metabolism of acids.

Protection and repair of macromolecules

An acid response mechanism that depends on protein synthesis has been widely observed in microorganisms (Liu et al. 2015c). Specific proteins are usually induced by acid stress to protect or repair macromolecules such as DNA and proteins. Several chaperones have been recognized as important acid tolerance factors, which are important during the synthesis, transport, folding, and degradation of proteins (Nicolaou et al. 2010).

In the periplasm of Gram-negative bacteria, the enzymes, transporters, and transmembrane antiporters encounter more severe acid stress because they lack the protection of the inner membrane. This leads to their denaturation and aggregation (Hong et al. 2012). HdeA and HdeB are two periplasmic chaperones that have been identified to protect enteric bacteria from damage by gastric acid, while HdeA also protects bacteria against acid stress due to accumulated organic acids (Mates et al. 2007). HdeA prevents the acid-induced aggregation of proteins by binding to them at an acidic pH, which is the condition in which the chaperone is activated (Tapley et al. 2009). HdeA is also involved in protein resolubilization and renaturation (Malki et al. 2008 Tapley et al. 2010). These proteins include transport proteins, metabolic enzymes, chaperones, lipoproteins, and proteases. Chaperones such as DegP and SurA can assist HdeA to protect proteins at low pH (Hong et al. 2012). They assist the recovery of protein activity by facilitating refolding during renaturation. HdeB is also an acid stress chaperone with the same functions as HdeA, although the optimum pH is different (Kern et al. 2007). HdeA and HdeB were recognized as the molecular chaperones that function specifically in acid tolerance (Hong et al. 2012).

Lo18 is a small membrane-associated heat shock protein that was characterized in Oenococcus oeni (Delmas et al. 2001). It improves the acid tolerance of bacteria through effectively suppressing protein aggregation, and it functions as a molecular chaperone to stabilize membrane and envelope proteins under acidic conditions (Weidmann et al. 2017). Ffh is a 54 kDa homolog of the signal recognition particle (SRP) complex, which is an essential component of the protein translocation pathway involved in membrane and extracellular protein transport (Gutierrez et al. 1999). It is part of the acid tolerance response system, and its transcription is regulated by pH. The lack of Ffh in Streptococcus mutans was found to lead to reduced H + -ATPase activity against a pH 5.0 shock (Kremer et al. 2001). In addition, several other chaperones such as DnaK, DnaJ, GrpE and HrcA, GroEL and GroES, Clp proteases, and EF-Tu have been shown to facilitate the repair of proteins as molecular chaperones during acid stress (Shabayek and Spellerberg 2017).

Depurination and depyrimidination of DNA can occur because of intracellular acidification, since protonation of a base can lead to cleavage of the glycosyl bond (Calhoun and Kwon 2011). DNA repair systems have been identified in microbial cells to survive DNA damage against low pH. recA encodes a multifunctional enzyme involved in synapsis, during which the paired DNA exchange strands (Adikesavan et al. 2011). The enzyme participates in DNA recombinational repair in E coli, Bacillus subtilis, en H. pylori, along with RecN and AddAB (exonuclease V) (Ansari and Yamaoka 2017 Cardenas et al. 2014). The nucleotide excision repair system functions on damaged DNA produced from base modification, single-strand break, and abasic sites, and are considered the most important DNA repair system (Kisker et al. 2013). UvrABCD, DNA polymerase, and DNA ligase support the repair of acid-induced DNA damage, performing damage recognition, base excision, and gap filling (Das et al. 2015). UvrA overexpression enhanced the acetic acid tolerance and fermentation of Acetobacter pasteurianus, which is a widely used vinegar-brewing acetic acid bacteria (Zheng et al. 2018). In conclusion, the repair of damaged proteins and DNA is widely used by microbes to resist acid stress.

These mechanisms are mostly shared by various types of microorganisms. Additionally, the difference in cellular structure between prokaryotic and eukaryotic cells introduces diversity in acid-tolerant mechanisms. As eukaryote-specific organelles, mitochondria, vacuole and nucleus all play roles in acid tolerance of S. cerevisiae (Peng et al. 2017). Acid-tolerant mechanisms utilized by different microorganisms were summarized in Fig. 3 and listed in Table 1, respectively.

Acid stress responses in microbial cells


How Do You Measure the pH of a Solution?

The pH of a liquid or solution is often an important piece of information in science. Measuring pH can be done simply and quickly using pH test paper, pH indicator sticks, or a pH meter. pH test paper and indicator sticks are pieces of paper or stiffer sticks that contain pH indicators (chemicals that change color depending on how acidic or basic a solution is). To measure pH, a piece of pH test paper or an indicator stick is dipped into the liquid. The color of the dipped paper/stick is then matched to a color key that comes with the container of pH test paper or indicator sticks. Each color on the key represents a different pH. An example of a used pH indicator stick and the corresponding color key is shown below in Figure 1. pH meters are electronic devices that used to measure pH. They consist of a probe that is dipped in a solution, and a digital readout. pH meters are even more precise than pH test paper or indicator sticks. Table 2 below discusses what types of pH measuring devices are best for different science project applications, and offers a quick link to purchasing different pH test papers and indicator sticks.


Sleutelbegrippen en samenvatting

Chemistry deals with the composition, structure, and properties of matter, and the ways by which various forms of matter may be interconverted. Thus, it occupies a central place in the study and practice of science and technology. Chemists use the scientific method to perform experiments, pose hypotheses, and formulate laws and develop theories, so that they can better understand the behavior of the natural world. To do so, they operate in the macroscopic, microscopic, and symbolic domains. Chemists measure, analyze, purify, and synthesize a wide variety of substances that are important to our lives.

Chemistry End of Chapter Exercises

  1. Explain how you could experimentally determine whether the outside temperature is higher or lower than 0 °C (32 °F) without using a thermometer.
  2. Identify each of the following statements as being most similar to a hypothesis, a law, or a theory. Licht je redenering toe.

(a) Falling barometric pressure precedes the onset of bad weather.

(b) All life on earth has evolved from a common, primitive organism through the process of natural selection.

(c) My truck’s gas mileage has dropped significantly, probably because it’s due for a tune-up.

(a) The pressure of a sample of gas is directly proportional to the temperature of the gas.

(b) Matter consists of tiny particles that can combine in specific ratios to form substances with specific properties.

(c) At a higher temperature, solids (such as salt or sugar) will dissolve better in water.

(a) The mass of a lead pipe is 14 lb.

(b) The mass of a certain chlorine atom is 35 amu.

(c) A bottle with a label that reads Al contains aluminum metal.

(NS) Al is the symbol for an aluminum atom.

(a) A certain molecule contains one H atom and one Cl atom.

(B) Koperdraad has a density of about 8 g/cm 3 .

(c) The bottle contains 15 grams of Ni powder.

(d) A sulfur molecule is composed of eight sulfur atoms.


4. Conclusions and perspectives

Advances in biochemistry and materials science have sparked interest in the development of various biocompatible materials for bioanalytical and biomedical applications. Based on their high biocompatibility, high flexibility, low toxicity and highly tunable nature, hydrogels are promising materials in bioanalytical and biomedical applications. On the other hand, functional nucleic acids (FNAs), including aptamers, DNAzymes, i-motif structures, siRNAs and CpG motifs, provide additional molecular recognition, catalytic activities, and therapeutic potential, affording potential applications for diagnosis and therapeutics. Incorporation of FNAs into hydrogel systems can be manipulated with additional properties, significantly expanding the applications of DNA-based hydrogels, as demonstrated by the selected examples described in this review. Thus far, FNA-based hydrogels have been implemented to design sensors, separation platforms, cell adhesion platforms, controlled drug delivery and targeted cancer therapy methods. In addition, it should be noted that the use of FNA-based hydrogels for novel applications, such as molecular logic gates, mechanical actuators, and portable detection devices, has been achieved. Although these studies are still in the preliminary stage, they represent promising potential uses of these hydrogels.

However, to further move the applications of FNA-based hydrogels forward, several challenges must be addressed. Eerst, colorimetric visual detection methods based on hydrogel phase changes provide simple and rapid detection of various targets, but the problems of sensitivity and quantification have limited their applications. Incorporation of enzyme-catalyzed signal amplification mechanisms (e.g., amylase/iodide system), cascade reactions (e.g., trienzyme cascades based on β-Gal/GOx/HRP) and other signal amplification strategies can improve sensitivity. Furthermore, the detection of targets in real samples remains challenging, given the complexity of virtual environments. Therefore, development of simple and sensitive sensors capable of analyzing targets in complex biological samples should be a prospective direction for hydrogel-based sensors. Second, some FNA-based hydrogel systems lack efficient and precise release mechanisms, leading to premature release. The design of dual-responsive hydrogels can be used for precisely controlled cargo release. For example, incorporation of pNIPAM into polyacrylamide gel will give the hydrogel additional thermosensitive property. In addition, light-sensitive property can be regulated by incorporating azobenzenes, and pH-sensitive property can be achieved by i-motif structure. Other types of stimuli, such as NIR irradiation and magnetic fields, can also be explored. In dual-responsive hydrogels, hydrogel transitions can be triggered only in the presence of both stimuli, thus leading to more accurate operation of FNA-based hydrogel systems. Derde, the bulky size of some FNA-based hydrogels curtails their biomedical applications. The development of methods for preparation of nanohydrogels and effective delivery of nanohydrogels into cells will expand the scope of in vivo applications.

Finally, although FNA-based hydrogel systems appear to hold promise for controlled release and targeted cancer therapy, some issues remain to be resolved, such as poorly understood pharmacokinetics, long-term toxicity and off-target effects. To realize the full potential and overcome the challenges of such hydrogels, it is necessary to perform more stringent in vivo studies to further understand the behavior of these hydrogels. Furthermore, in-depth studies in animal models for the evaluation of safety and efficacy of these hydrogels will lay the foundation for further clinical applications. Future efforts should focus on improving these hydrogels for clinical use. Through collective efforts, we believe that the integration of further developments in materials science and nanotechnology will promote the development of FNA-based hydrogels for a variety of practical bioanalytical and biomedical applications.


Normale celdeling

The outer layer of skin (epidermis) is about 12 cells thick. Cells in the basal layer (bottom row) divide just fast enough to replenish cells that are shed. When a basal cell divides, it produces two cells. One remains in the basal layer and retains the capacity to divide. The other migrates out of the basal layer and loses the capacity to divide. The number of dividing cells in the basal layer, therefore, stays about the same.


DENTAL HYGIENE

DH 101 Preventive Oral Health Care I : 4 Credits

This course introduces the student to the dental hygiene process. Fundamental concepts, assessment skills and preventive techniques are emphasized. Principles of communication, education and motivation provide a firm foundation for patient education. The laboratory component of this course provides the student with hands-on experience in learning and applying instrumentation techniques utilizing manikins and student partners. Related skills including dental unit operation and patient and operator positioning strategies are also addressed. (Three hours lecture/7 hours laboratory) Vereisten:CH 101 this course is open to students enrolled in the Dental Hygiene

DH 102 Preventive Oral Health Care II : 5 Credits

This course focuses on transition into clinical practice. Development of clinical skills continues with consideration of periodontal assessment and treatment planning and the introduction of ultrasonic instrumentation, polishing pit and fissure sealant application, instrument sharpening procedures and pain control techniques. Students are also familiarized with the scope of dental specialty areas and common procedures performed in prosthodontics, endodontics, oral surgery, pedodontics and orthodontics. In the entry level clinical component of this course, the student applies principles and techniques learned in didactic and pre-clinical laboratory courses to actual clinical practice. Students render dental hygiene services to patients in a clinical setting. Assessment, diagnosis and planning skills are cultivated, as well as basic instrumentation skills. (Three hours lecture/8-9 hours clinic) Vereisten:This course is open to students who have attained a passing grade of “C” or better in all attempted dental hygiene didactic courses, and a “Pass” in pre-clinic laboratory.

DH 103 Oral Radiology : 3 Credits

This course introduces the student to radiological technology to assure that dental professionals who expose patients to radiation for diagnostic purposes meet radiological health standards. Emphasis will be placed on radiation physics, biological effects of radiation, function of dental x-ray equipment, quality and interpretation of x-ray films and darkroom techniques. Students will be taught techniques for producing dental radiographs of acceptable diagnostic quality. Technical skills will be developed on manikins before students demonstrate competence in a clinical setting. (Two hours lecture/two hours laboratory.) Vereisten:CH 101. This course is open to students enrolled in the Dental Hygiene Program.

DH 104 Oral Histology and Embryology : 2 Credits

This course provides the student with an overview of the development and function of cells, tissues and organs on both the macroscopic and microscopic levels. Embryonic development of the head and neck and the morphodifferentiation of the face and oral structures is presented. The emphasis of this course is to familiarize the student with the parts of oral histology and embryology that are pertinent to clinical dental hygiene practice. Vereisten:This course is open to students who have attained a passing grade of “C” or better in all attempted dental hygiene didactic courses and a “pass” in pre-clinic laboratory.

DH 106 Dental Anatomy : 2 Credits

This course will provide the student with a comprehensive study of the form, function, and characteristics of the human dentition and supporting structures. Eruption sequence of the primary and permanent dentitions, as well as the occlusion and position of individual teeth will be reviewed. Students will learn pertinent terminology as it relates to dental anatomy. Various activities and exercises will be utilized in the course to enhance the student’s knowledge. (Two hours lecture.) Vereisten:CH 101. This course is open to students enrolled in the Dental Hygiene Program.

DH 107 Dental Materials : 2 Credits

This course introduces the student to materials used in dental practice. Lectures, demonstrations, readings and laboratory activities will assist the student in developing an understanding of the properties, uses and manipulation of amalgam, composite resins, cements, impression materials, gypsum products, waxes, bleaching materials, porcelain and gold. Physical and biological properties will be emphasized and clinical applications will be shown in the laboratory portion of the course. (One hour lecture/2 hours laboratory) Prerequisite:CH 101. This course is open to all students enrolled in the Dental Hygiene Program.

DH 108 Oral Pathology : 2 Credits

This course presents a study of disease processes occurring in the oral cavity. Diagnosis and treatment of common lesions, inflammation and repair and the immune system will be studied in depth. Oral manifestations and systemic problems encountered with neoplastic lesions will be examined as well as the distinction between benign and malignant tumors. Systemic diseases with significant oral manifestations and complications will be covered. (Two hours lecture) Prerequisite:This course is open to students who have attained a grade of “C” or better in all attempted dental hygiene courses.

DH 109 Periodontics I : 2 Credits

This course is designed to teach students about the normal, healthy periodontium in order to understand the various stages of periodontal disease and its treatment. A study of the clinical and histological characteristics of both the healthy and the diseased periodontium is presented. (Two hours lecture) Prerequisite:This course is open to students who have attained a grade of “C” or better in all attempted dental hygiene courses.

DH 110 Medical Emergencies : 1 Credit

This course will examine a variety of medical emergencies that can and do occur in the dental office. Students will learn basic information necessary to prevent, recognize and manage medical emergencies as an effective member of the dental health care team. (One hour lecture) Prerequisite:This course is open to students who have attained a grade of “C” or better in all attempted dental hygiene courses.

DH 201 Preventive Oral Health Care III : 5 Credits

The lecture portion of this course focuses on advanced treatment planning, dietary analysis and counseling, and further consideration of pain control techniques. The management of patients with developmental, medical, physical, sensory and psychological impairments is discussed with emphasis on normalization of care, adaptation of oral care techniques and access to care. In intermediate level clinic, students continue to integrate preventive, educational and therapeutic care as they treat patients in a clinical setting. Emphasis is on the expansion and refinement of skills through the treatment of patients with moderate to advanced periodontal involvement. (Three hours lecture/12 hours clinic) Prerequisite:This course is open to students who have attained a grade of “C” or better in all attempted dental hygiene courses, and a “Pass” in entry level clinic.

DH 202 Preventive Oral Health Care IV : 5 Credits

Lecture, discussion and group activities will focus on ethical and legal issues and controversial topics relating to the dental hygiene profession. Alternative practice settings and job procurement strategies will be explored. In advanced level clinic, students continue to apply knowledge and skills learned in didactic and clinical courses. Emphasis is on efficiency and proficiency in all dental hygiene processes as students prepare for licensure examination and transition into private practice. (Three hours lecture/15 hours clinic) Prerequisite:This course is open to students who have attained a grade of “C” or better in all attempted dental hygiene courses, and a “Pass” in intermediate level clinic.

DH204 Head and Neck Anatomy : 1 Credit

An in depth study of the head and neck is presented in this course. The focus will be on identification of important anatomical structures of all major systems in this region including, but not limited to: bones, muscles, blood vessel, nerves, etc. Vereisten: DH101, DH103, DH106, DH107 For Dental Hygiene students only.

DH205 Local Anesthesia : 2 Credits

This course is a study of basic and current concepts in the administration of local anesthetics, systemic effects, and tissues diffusion. Assessment of the patient's health, apprehension and pain threshold will be addressed in determining the indications and contraindications of pain control and alleviation. Emphasis will be placed on the selection and administration of appropriate anesthetic agents and evaluation of proper techniques. (lecture/ lab) prerequisite: this course is open to students who have attained a grade "C" or better in all attempted dental hygiene courses.

DH 209 Periodontics II : 2 Credits

This course is a continuation of Periodontics I. There is a strong emphasis on the different types of periodontal therapy and the reason for their use on periodontal involved patients. (Two hours lecture) Prerequisite:This course is open to students who have attained a grade of “C” or better in all attempted dental hygiene courses.

DH 212 Pharmacology : 3 Credits

Pharmacology introduces the hygiene student to the study of drugs and how they affect biological systems. This course will provide the student with a base of knowledge in the principles of pharmacology and the drugs used in the current therapy of disease states, as well as a solid foundation in the terminology and vocabulary that is associated with pharmacology. Special emphasis is given to those drugs administered or prescribed in the dental practice, as well as those drugs whose actions, side effects, or interactions with other drugs may impact dental healthcare. (Three hour lecture) Prerequisite:This course is open to students who have attained a grade of “C” or better in all attempted dental hygiene courses.

DH 215 Community Dentistry : 2 Credits

This course introduces the student to the role of dentistry and dental hygiene practice as it relates to community-based oral health promotion and prevention approaches. Students are introduced to health education methods, basic principles of research and the socioeconomic, demographic and epidemiological trends of oral disease. The course provides an opportunity for an active partnership between various community groups and the student by completion of a major project. The student will apply the principles of community dental health as they develop and evaluate a community-based oral health presentation. (Two hours lecture) Prerequisite:MH 203 this course is open to students who have attained a grade of “C” or better in all attempted dental hygiene courses.


Characterization of Native and Modified Starches by Potentiometric Titration

1 Laboratorio de Polímeros y Reacciones, Escuela de Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería, Universidad del Zulia, Sector Grano de Oro, Avenida 16 (Guajira), Ciudad Universitaria Dr. Antonio Borjas Romero, Edificio Petróleo y Química, Maracaibo 4011, Venezuela

Abstract

The use of potentiometric titration for the analysis and characterization of native and modified starches is highlighted. The polyelectrolytic behavior of oxidized starches (thermal and thermal-chemical oxidation), a graft copolymer of itaconic acid (IA) onto starch, and starch esters (mono- and diester itaconate) was compared with the behavior of native starch, the homopolymer, and the acid employed as a graft monomer and substituent. Starch esters showed higher percentages of acidity, followed by graft copolymer of itaconic acid and finally oxidized starches. Analytical techniques and synthesis of modified starches were also described.

1. Inleiding

Titration is an analytical technique commonly used in many research and industrial chemistry applications. This involves the measured addition of a solution of known concentration of chemical (titrant) to determine the concentration of another chemical (analyte) in a second solution. The chemical in the titrant reacts in a known manner with the analyte material. When the reaction of these chemicals/materials is complete, a surplus of the titrant is detected as a specific end point marking the end of titration. The end point can be determined by several methods: indicators of pH, redox indicators, potentiometry, conductometry, isothermal calorimetry, spectrophotometry, and amperometry [1].

Analytical techniques for this research included potentiometric titration. Potentiometric titration, based on the measurement of pH changes, is a versatile technique with a wide range of applications. It is a well-established analytical method always effective for simple acid-base systems [2, 3]. For over 70 years it has been applied to study macromolecules, whose early use was limited to the analysis of the behavior of proteins. At that time, the application for studying acid synthetic polymers was applied almost exclusively to poly(acrylic acid) and poly(methacrylic acid) [4]. Nowadays it is still used to investigate the dissociation behavior of poly(acrylic acid) [5] but has expanded to study poly(itaconic acid) [6, 7], copolymers of maleic acid with various olefins [5], styrene [8], and ionization amphiphilic diblock and triblock copolymers [9]. In this study the use of potentiometric titration for the characterization of native and modified starches technique is highlighted.

The soluble natural polymers include polynucleotides, polypeptides, and polysaccharides such as starch, cellulose, and chitosan. Due to increased interest in the use of polysaccharides for a wide range of practical applications, potentiometric titration has become a standard method to analyze specific properties of polyelectrolytes in this group. The technique has been widely used to determine the amylose content in the starch [10–14], the degree of deacetylation of chitosan [15, 16], and the degree of protonation of cellulose derivatives [17], among other applications.

Starch is the main storage carbohydrate in plants. It is stored as granules in most plant cells and in this state is called native starch. Native starches from different botanical sources vary widely in structure and composition, but all granules are mainly formed by two molecular components, amylose (20–30%) and amylopectin (70–80%) [18]. It is a food and an important basic engineering building product widely applied in various branches of the food industry (milk, meat, canned goods, and pastries) and in nonfood technologies, such as paper, textiles, adhesives, and pharmaceutical [19]. Industrial use is based on the adhesive and thickening properties, the ability to form films and gels, as well as its low cost and quality control [20–22].

However, this polysaccharide has unfavourable properties such as low shear strength, ease of thermal decomposition, and high tendency for retrogradation (crystallization and aging of gels), limiting its use in other applications. These properties can be overcome by chemical and/or physical modification [23]. The structure and properties of polysaccharides, such as starch, can be modified through grafting reactions, oxidation, etherification, esterification, and crosslinking, among others [24].

Starch oxidation using KMnO4, grafting, or esterification with organic acids, such as itaconic acid, generates structural changes in the starch by incorporating carboxyl groups –COOH [25], which gives the starch superhydrophilicity and acidity [24]. The presence of –COOH groups allows for the characterization of these starch derivatives via potentiometric titration.

In this study modified starches were synthesized. The polyelectrolytic behavior of oxidized starches (thermal and thermal-chemical oxidation), a graft copolymer of itaconic acid (IA) onto starch, and starch esters (mono- and diester itaconate) was compared with the behavior of native starch, the homopolymer, and the acid employed as a graft monomer and substituent.

2. Experimental

2.1. Materialen

Food grade corn starch supplied by Alfonzo Rivas & Cía hydrochloric acid, HCl (37%) nitric acid, HNO3 (65%) silver nitrate, AgNO3 (>99.9%) potassium permanganate, KMnO4 (99%) from Fisher Scientific ammonium hydroxide, NH4OH (95%) iodine, I2 (99.9%) potassium iodide, KI (100.5%) from JT Baker hydroxylamine hydrochloride, NH2OH·HCl (99%) ethanol, C2H5OH (99.9%) acetone, CH3(CO)CH3 (99.9%) ammonium persulfate (APS), (NH4)2S2O8 (≥98.5%) itaconic acid (IA), C3H4(COOH)2 (≥99%) sodium hydroxide, NaOH (99%) from Merck sodium bisulfite, NaHSO3 (Mallinckrodt Baker, 66.9%) and potassium bromide, KBr (Riedel-de-Haen, 99.5%), were all used as received.

2.2. Monstervoorbereiding
2.2.1. Oxidized Starches

Oxidation by hydrothermal treatment involved the preparation of an aqueous dispersion of 10% m/v (10 g dry basis corn starch, equivalent to 0.062 moles of anhydroglucose units (AGU) in 100 mL of distilled water). The dispersion was heated to 75°C for 15 min with gentle shaking to promote starch gelatinization. Once formed, the starch paste and 200 mL of distilled water were added and cooled to the reaction temperature (60°C). 300 mL distilled water were added and the starch was oxidized by heat treatment (Ht-St) after 3 h.

For the thermal-chemical oxidation, after cooling the slurry to 60°C, 0.63 g (4 × 10 −3 moles) of KMnO4 (oxidizing initiator) and 1.04 g (0.01 moles) of NaHSO3 (reducing activator) were added and kept at 60°C for 10 min in order to preoxidize the starch. The volume of distilled water was immediately made up to 500 mL and allowed to react for 3 h to obtain the oxidized starch by thermal-chemical treatment (Ox-St).

In both oxidations, the product obtained was cooled to room temperature and precipitated with ethanol. The oxidized starch was washed with a mixture of 50% v/v ethanol/water and dried at 40°C to constant weight.

2.2.2. Poly(itaconic acid)

Poly(itaconic acid) (PIA) was synthesized thermally using a modification of a classic method developed by Marvel and Shepherd in 1959 [26]. The reaction was conducted in a 100 mL Schlenk containing 50 mL of degassed distilled water by three alternating cycles of vacuum and nitrogen supplies. Then, 2.1 mL of 12.02 moles/L HCl (37% m/m), 10 g (0.0768 moles) of IA, and 0.5020 g (2.2 × 10 −3 moles) of APS (thermal decomposition initiator) were quickly added. The loaded Schlenk was immersed in a thermal bath of silicone oil, at 60°C (controlled temperature) for 44 h. After this time the solution was cooled to room temperature and slowly poured into excess acetone for precipitating the polymer. The precipitate was redissolved in water and dried on a lyophilizer to remove both free and bound water. After lyophilization, it was washed with acetone for three days, changing the solvent every 24 h to remove residual monomer. Finally, the homopolymer was dried under vacuum to constant weight and stored over silica gel for further characterization.

2.2.3. Graft Copolymer of Itaconic Acid onto Starch

The same thermal-chemical oxidation procedure was used but after the preoxidation of the starch, the monomer (IA) previously dissolved in 180 mL of distilled water was added. The volume was immediately made up to 500 mL with distilled water. This time was regarded as the initial time of reaction (0.18 moles/L IA). After 3 h, the reaction was stopped, and the product (St-G-IA) was precipitated with ethanol. Subsequently, it was washed with a mixture of 50% v/v ethanol/water to remove any residual monomer, homopolymer, and fragments of soluble starch in cold water. Washing was performed until iodine testing (detection of starch) and Baeyer testing (detection of residual monomer) were negative and the pH of washing water was equal to or very close to that of the original washing mixture. Finally, samples were dried in an oven at 40°C to constant weight.

2.2.4. Itaconic Acid Starch Esters

The esterification reactions were carried out using a combination of procedures in the literature [27, 28]. For obtaining itaconate starch semiester or starch semi-itaconate (SI), 200 mL of distilled water and 20 mL of 0.5 moles/L NaOH were added in a 3-neck flask containing 6.25 g starch dry basis (0.1754 moles/L AGU) and gelatinized for 10 min at 80°C, with pH monitoring (2.9). 16.0386 g of esterifying agent (0.5604 moles/L IA) was added and heated at 80°C for 4 h.

The same procedure was used for the itaconate starch diester or starch di-itaconate (DI) but a solution of 150 mL (0.2269 moles/L AGU and 0.7252 moles/L IA) in water was used. Then after the first 4 h of reaction, 18.75 g of starch on a dry basis dispersed in 50 mL of water (0.1875 moles/L AGU) was added and heated at 80°C for another 4 h (0.7015 moles/L AGU and 0.5604 moles/L IA). The reaction product was precipitated with ethanol the precipitate was filtered and washed with ethanol until the Baeyer test was negative. The samples were dried in an oven at 40°C until constant weight was reached.

2.3. Characterization of Samples
2.3.1. FTIR

In all cases, the formation of the desired starch derivative was confirmed by infrared Fourier transform spectroscopy (FTIR). The spectra were taken on a Shimadzu IR Prestige spectrophotometer in the range of 4000–400 cm −1 , using KBr pellets.

2.3.2. Potentiometric Titration

In this section the experimental procedure used for the potentiometric titration of different starch derivatives (Ht-St, Ox-St, St-G-IA, SI, and DI) of native corn starch (St), the homopolymer (PIA) and itaconic acid (IA), is detailed. All solutions used were prepared using distilled water. The NaOH was titrated with 0.1 moles/L HCl before use. Titrations were carried out with gentle shaking at room temperature controlled at 22°C using a pH meter BOECO BT-500. Stabilizing the dispersion was allowed for 2 min between each addition of titrant to ensure equilibrium. Titration curves were obtained by analyzing the gel fraction of the product separated by leaching with hot water. For this, the samples were placed in filter paper bags and immersed in beakers with 400 mL of distilled water at 60°C the change of leaching water was performed every 24 h until iodine test was negative.

(1) Potentiometric Titration of Itaconic Acid and Poly(itaconic acid). A volume of 25 mL of 0.5 moles/L IA solution and another of PIA were prepared with similar mass concentrations, since it was not possible to determine the molar mass of the PIA. In both cases the titrant was 0.1 moles/L NaOH.

(2) Carboxyl Content. The carboxyl content of oxidized starch was determined according to the modified procedure of Chattopadhyay et al. [29]. About 0.2 g of starch sample was mixed with 2.5 mL of 0.1 moles/L HCl, and the slurry was stirred occasionally for 30 min with a magnetic stirrer. The slurry was then vacuum-filtered and washed with 40 mL of distilled water. The starch cake was then carefully transferred into a 50 mL beaker, and the volume was adjusted to 30 mL with distilled water. The starch slurry was heated in a boiling water bath with continuous stirring for 15 min to ensure complete gelatinization. The hot starch dispersion was then adjusted to 45 mL with distilled water and titrated to pH 8.3 with standardized 0.01 moles/L NaOH. A blank test was performed without sample. Carboxyl content was calculated as follows:


Bekijk de video: Rode kool sap, kleur indicator zuur-base. (November 2021).