結構生物化學/酸鹼化學
描述酸鹼化學有很多種方法。布朗斯特和勞裡提出的一個簡單的模型是，酸是質子捐贈者，而鹼是質子接受者。瞭解這些定義的一個簡單方法是考慮酸性和鹼性與水的關係。鹼會從水中去除質子形成氫氧根離子，而酸會向水中捐贈質子形成氫離子。水是中性的，pKa值為15.7。這可以作為確定化合物酸度或鹼度的參考點。pH定義為[H+]的負對數。對於純水，pH值為7，低於7的溶液被認為是酸性的，而高於7的溶液被認為是鹼性的。溶液的pKa可以透過pKa = -log(Ka)方程確定，其中Ka是酸解離常數。通常，pKa低於1的酸被認為是強酸，而pKa大於4的酸被認為是弱酸。一些強酸的例子包括HI（pKa = -10）、HBr（pKa = -9）和HCl（pKa = -8）。弱酸的例子包括醋酸（pKa = 4.7）和甲醇（pKa = 15.5）。可以在特定條件下充當酸，而在不同環境中充當鹼的分子被稱為兩性化合物。水是常見的可自電離兩性化合物。[1]
吉爾伯特·N·路易斯還提供了一種描述酸和鹼的方法。路易斯酸至少比封閉外殼短兩個電子，而路易斯鹼至少含有一對孤對電子。此外，路易斯鹼可以與其孤對電子中的一個與路易斯酸共享，形成新的共價鍵。這個概念可以幫助理解親核試劑和親電試劑的基礎知識。所有路易斯酸都是親電試劑。親核試劑通常是指路易斯鹼，並且始終至少含有一對孤對電子。[1]
可以使用一些通用規則確定酸HA的相對強度
1) 電負性: 與酸性質子相連的原子電負性越高，質子酸性越強，因為鍵極性越強。這種趨勢非常有用，因為通常電負性從元素週期表的左到右增加。例如，HF比H2O酸性更強，因為氟比氧電負性更強。[1] 電負性是元素吸引電子的現象。這意味著隨著電負性的增加，元素從其他元素中拉動電子的可能性越大。氟是電負性水平已知的最高的元素。
2) 尺寸: 隨著酸HA中A的大小增加，化合物的酸性增加。這是由於A的外層軌道與1s氫軌道重疊不良導致的。因此，HA解離成H+和A-對於較大的A更有利。此外，較大的外層軌道允許電子佔據更大的空間區域，因此A-中的電子-電子斥力減弱。由於這些原因，在元素週期表中向下移動時，酸性會增加。這有助於解釋為什麼HI > HBr > HCl > HF（酸性降低，HI是該組中最酸性的）。[1]
3) 共振: A-中的共振允許電荷在多個原子上傳播。醋酸與甲醇就是一個例子。醋酸比甲醇酸性更強，因為其去質子化形式是共振穩定的，而甲醇的則不是。[1]
確定化合物酸性的一個通用規則是，HA的酸性從元素週期表左到右和從上到下增加，而A-的鹼性則以相同的方式降低。
我們日常生活中與酸鹼化學相互作用的一個例子包括胃酸。胃液的pH通常保持在1.0到2.5之間，具體取決於感覺刺激。這種胃酸會改變蛋白質分子的天然摺疊形狀，使它們能夠被消化酶分解。雖然胃酸在很大程度上很有用，但如果不受控制也會有害，因為它會破壞胃組織本身的蛋白質分子。為了防止這種情況發生，胃壁覆蓋著一層稱為胃粘膜的細胞，它可以隔離胃壁免受酸性胃液的侵蝕。胃粘膜下的細胞透過味覺、嗅覺和組胺（一種訊號分子）的刺激而被啟用，導致壁細胞將HCl釋放到胃中。高酸度（胃中分泌過量的酸）和消化性潰瘍（由細菌感染引起的潰瘍）等疾病可以透過阻斷組胺向壁細胞發出訊號的藥物來控制。這些藥物中使用的常見成分包括西咪替丁、法莫替丁和雷尼替丁。[1]
酸鹼反應的另一個例子是pH對DNA的影響。DNA的形成在pH值為7.0時很容易發生；然而，改變含有雙螺旋DNA的溶液的pH值會使DNA雙螺旋不穩定。例如，在含有雙螺旋DNA和濃縮鹼（如OH-）的溶液中，當pH接近9.0時，DNA將開始解離成其相應的單鏈。這是由於氫氧根離子和它們與DNA鹼基對的相互作用，移除了特定的質子。同樣，當該溶液的pH降得太低（低於5.0）時，DNA雙螺旋也會不穩定。這是因為一些氫鍵受體被質子化，不再參與氫鍵，因此雙螺旋分離。這表明改變DNA的pH值會破壞其雙螺旋結構。 [2]