结构生物化学/酸碱化学
描述酸碱化学有很多种方法。布朗斯特和劳里提出的一个简单的模型是，酸是质子捐赠者，而碱是质子接受者。了解这些定义的一个简单方法是考虑酸性和碱性与水的关系。碱会从水中去除质子形成氢氧根离子，而酸会向水中捐赠质子形成氢离子。水是中性的，pKa值为15.7。这可以作为确定化合物酸度或碱度的参考点。pH定义为[H+]的负对数。对于纯水，pH值为7，低于7的溶液被认为是酸性的，而高于7的溶液被认为是碱性的。溶液的pKa可以通过pKa = -log(Ka)方程确定，其中Ka是酸解离常数。通常，pKa低于1的酸被认为是强酸，而pKa大于4的酸被认为是弱酸。一些强酸的例子包括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）。可以在特定条件下充当酸，而在不同环境中充当碱的分子被称为两性化合物。水是常见的可自电离两性化合物。[1]
吉尔伯特·N·路易斯还提供了一种描述酸和碱的方法。路易斯酸至少比封闭外壳短两个电子，而路易斯碱至少含有一对孤对电子。此外，路易斯碱可以与其孤对电子中的一个与路易斯酸共享，形成新的共价键。这个概念可以帮助理解亲核试剂和亲电试剂的基础知识。所有路易斯酸都是亲电试剂。亲核试剂通常是指路易斯碱，并且始终至少含有一对孤对电子。[1]
可以使用一些通用规则确定酸HA的相对强度
1) 电负性: 与酸性质子相连的原子电负性越高，质子酸性越强，因为键极性越强。这种趋势非常有用，因为通常电负性从元素周期表的左到右增加。例如，HF比H2O酸性更强，因为氟比氧电负性更强。[1] 电负性是元素吸引电子的现象。这意味着随着电负性的增加，元素从其他元素中拉动电子的可能性越大。氟是电负性水平已知的最高的元素。
2) 尺寸: 随着酸HA中A的大小增加，化合物的酸性增加。这是由于A的外层轨道与1s氢轨道重叠不良导致的。因此，HA解离成H+和A-对于较大的A更有利。此外，较大的外层轨道允许电子占据更大的空间区域，因此A-中的电子-电子斥力减弱。由于这些原因，在元素周期表中向下移动时，酸性会增加。这有助于解释为什么HI > HBr > HCl > HF（酸性降低，HI是该组中最酸性的）。[1]
3) 共振: A-中的共振允许电荷在多个原子上传播。醋酸与甲醇就是一个例子。醋酸比甲醇酸性更强，因为其去质子化形式是共振稳定的，而甲醇的则不是。[1]
确定化合物酸性的一个通用规则是，HA的酸性从元素周期表左到右和从上到下增加，而A-的碱性则以相同的方式降低。
我们日常生活中与酸碱化学相互作用的一个例子包括胃酸。胃液的pH通常保持在1.0到2.5之间，具体取决于感觉刺激。这种胃酸会改变蛋白质分子的天然折叠形状，使它们能够被消化酶分解。虽然胃酸在很大程度上很有用，但如果不受控制也会有害，因为它会破坏胃组织本身的蛋白质分子。为了防止这种情况发生，胃壁覆盖着一层称为胃粘膜的细胞，它可以隔离胃壁免受酸性胃液的侵蚀。胃粘膜下的细胞通过味觉、嗅觉和组胺（一种信号分子）的刺激而被激活，导致壁细胞将HCl释放到胃中。高酸度（胃中分泌过量的酸）和消化性溃疡（由细菌感染引起的溃疡）等疾病可以通过阻断组胺向壁细胞发出信号的药物来控制。这些药物中使用的常见成分包括西咪替丁、法莫替丁和雷尼替丁。[1]
酸碱反应的另一个例子是pH对DNA的影响。DNA的形成在pH值为7.0时很容易发生；然而，改变含有双螺旋DNA的溶液的pH值会使DNA双螺旋不稳定。例如，在含有双螺旋DNA和浓缩碱（如OH-）的溶液中，当pH接近9.0时，DNA将开始解离成其相应的单链。这是由于氢氧根离子和它们与DNA碱基对的相互作用，移除了特定的质子。同样，当该溶液的pH降得太低（低于5.0）时，DNA双螺旋也会不稳定。这是因为一些氢键受体被质子化，不再参与氢键，因此双螺旋分离。这表明改变DNA的pH值会破坏其双螺旋结构。 [2]