Informations

Module 3.1 : Introduction au pH et au comportement acide-base - Biologie


objectif d'apprentissage

  • Comprendre la relation entre la structure et l'acidité d'un acide.
  • Calculer la quantité d'acide protoné à un pH donné.

PH

En solution, une molécule d'eau peut donner un proton à une autre. Ce faisant, le premier devient un ion hydroxyde chargé négativement et l'autre devient un ion hydronium chargé positivement. Pour simplifier les choses, l'ion hydronium est souvent abrégé en proton nu, (H^+). La concentration des ions hydrogène en solution peut être modifiée par l'ajout d'un acide (par exemple de l'acide chlorhydrique), ce qui augmentera la quantité de H+. La quantité de (H^+) peut également être diminuée par l'ajout d'une base à la solution, telle que l'ammoniac.

Le pH est la mesure de la concentration d'ions hydrogène chargés positivement dans une solution aqueuse. pH signifie (-log[H^+]). A pH bas, les concentrations de protons sont élevées et la solution est acide, et, à pH élevé, les concentrations de protons sont faibles et la solution est basique, en raison d'une abondance d'ions hydronium, (OH^-). Le pH neutre est de 7,0. A ce pH, il y a un nombre égal d'ions (H^+) et (OH^-) en solution. ([H^+]=10^{-7} M).

pH de divers composés.

À gauche se trouvent des composés biologiques et à droite se trouvent des aliments et des produits de nettoyage.

Acides et bases

  • Acide : peut donner des protons
  • Base : peut accepter des protons

Ce qui suit décrit l'ionisation ou la dissociation du proton de l'acide :

L'acide (HA) donne son proton à une molécule d'eau, générant le base conjuguée de l'acide ((A^-)) et un ion hydronium. Bien que le proton libéré ((H^+)) ​​soit associé à une molécule d'eau, il est souvent représenté de manière plus simple comme un simple ion hydrogène libre, (H^+).

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

Un composé peut avoir un ou plusieurs groupes ionisables, chacun avec des forces acides différentes. Voici des exemples d'acides mono-, di- et triprotiques.

Acide monoprotique

Acide diprotique

Acide triprotique

Réactions d'équilibre général :

Considérons d'abord une réaction très simple et ses caractéristiques d'équilibre.

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

La cinétique donne les équations de taux suivantes :

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

  • (k_1) est le taux (sec(^{-1})) auquel A est converti en B. Il est souvent appelé constante de taux à terme. Le taux global que A va à B est (k_1[A]), donnant des unités de moles/sec.
  • (k_2) est la vitesse (sec(^{-1})) à laquelle B est converti en A. Elle est souvent appelée constante de vitesse inverse. De même, le taux global de conversion de B en A est (k^{-1}[B]), qui a également des unités de moles/sec.

A l'équilibre, il n'y a pas de changement dans la concentration moyenne de A ou B, donc :

[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{[produits]_{EQ}}{[ ext {reactants}]_{EQ}}}end{array} onumber]

Le rapport de [B] à [A] à l'équilibre est appelé constante d'équilibre, (K_{eq}). C'est une constante qui est atteinte à l'équilibre quelles que soient les quantités de départ de (A) ou (B). La constante d'équilibre dépend de la différence d'énergie relative entre A et B, qui peut dépendre des conditions de la réaction (par exemple la température)

Caractérisation de la force acide à l'aide de (pK_a)

Lorsqu'un proton se dissocie de l'acide protoné (HA), il se lie à une molécule d'eau, générant un ion hydronium, en plus de l'acide déprotoné ((A^-)):

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

Étant donné que la concentration d'eau est essentiellement constante, elle peut être ignorée et nous pouvons écrire une réaction d'équilibre modifiée qui se concentre uniquement sur l'espèce d'intérêt :

[H A ightleftharpons A^{-}+H^{+} onumber]

et écrire la constante d'équilibre pour la dissociation.

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

La constante d'équilibre de cette réaction porte un nom spécial, le « K-a », ou « K-acidité ». La constante d'acidité, (K_a) est une propriété fondamentale de l'acide, elle ne dépend pas du pH de la solution. Cependant, cela dépend de la structure chimique et de l'environnement du groupe acide. L'échelle de pH étant utilisée pour caractériser [(H^+)], il est utile d'exprimer la constante d'acidité de la même manière, en prenant son log négatif :

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

Les acides forts sont complètement dissociés dans l'eau et ont généralement des valeurs (pK_a) inférieures à ~ -2. Les acides faibles ne se dissocient pas complètement et ont des valeurs (pK_a) égales ou supérieures à 2,0. Des exemples d'acides forts comprennent l'acide chlorhydrique (HCl), et un exemple d'acide faible est l'acide acétique.

Prédiction de l'état de protonation :

Dans de nombreux cas, une seule des deux espèces (protonée ou déprotonée) peut être biologiquement active. Étant donné un pH et (pK_a) du groupe ionisable, nous souhaitons calculer :

La fraction protonée :(mathrm{f}_{mathrm{HA}}=[mathrm{HA}] / mathrm{A}_{mathrm{T}})
La fraction déprotonée :(mathrm{f}_{mathrm{A}-}=[mathrm{A}] / mathrm{A}_{mathrm{T}})

car cela permettrait de prédire l'activité biologique du système à différentes valeurs de pH. Par exemple, si l'espèce protonée est active, alors l'activité sera proportionnelle à la fraction protonée.

La relation entre le pH, la force de l'acide et la fraction protonée/déprotanée peut être obtenue à partir du Équation d'Henderson-Hasselbalch, qui est dérivé ci-dessous :

[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} pas de numéro]

Remarque : lorsque pH=(pK_a) les concentrations des espèces protonées et déprotonées sont égales (([A^-] = [HA])), lorsque le pH = (pK_a) l'acide est de 50% protoné.

L'équation de Henderson-Hasselbalch peut être utilisée pour trouver facilement la fraction protonée et déprotonée. En commençant par définir R=[A-]/[HA], puis en écrivant les équations pour la fraction déprotonée ((f_{A-})) et la fraction protonée ((f_{HA})) :

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

La valeur de R est obtenue à partir du pH donné et du (pK_a connu) :

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

Exemple de calcul : Calculer la fraction protonée pour la chaîne latérale de l'histidine, étant donné que le (pK_a) est de 6,0

Ionisation des chaînes latérales de l'histidine

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)

apprendre en faisant

Pour explorer davantage la relation entre le pH et (pK_a) et l'état de protonation, complétez l'apprentissage par la pratique suivant.

Examinons la relation qui existe entre les concentrations d'origine en HA, le pH de l'acide et la valeur K de l'acide.

1. En utilisant les informations fournies dans le tableau à droite lorsque la concentration d'origine en HA augmente, qu'arrive-t-il à la valeur K ?

une. augmente

b. reste le même

c. diminue

indice

Regardez la colonne du milieu de la boîte pour les valeurs K.

Réponse

b. (le rapport des produits aux réactifs ne change pas pour une substance donnée à l'équilibre.)

2. En utilisant les informations fournies dans le tableau à droite lorsque la concentration d'origine en HA augmente, qu'arrive-t-il à la valeur du pH ?

une. diminue

indice

Regardez la colonne de droite de la case pour les valeurs de pH.

Réponse

c (à mesure que la concentration en HA augmente, davantage d'ions H+ sont créés, ce qui rend la solution plus acide.)

3. Dans les simulations précédentes, vous avez déterminé que le pH n'affecte pas la constante d'équilibre pour l'ionisation d'un acide faible. Dans cet exercice, vous déterminerez comment le pH affecte la quantité d'acide faible ionisée.

En utilisant l'équation de la fraction protonée illustrée à droite, vous devez sélectionner un pH donné calculer ensuite la fraction protonée à l'aide des concentrations des différentes espèces indiquées dans les cases. Entrez votre réponse à l'endroit approprié dans le tableau de données. Faites les cinq valeurs de pH.

Gain de temps : La concentration totale de l'acide faible, [HA]+[A-] ne change pas avec le pH, et est de 1000 dans cet exercice.

Au fur et à mesure que le pH augmente

une. [HA] diminue à mesure que le pH augmente.

b. [HA] augmente à mesure que le pH augmente.

indice

En utilisant la formule au-dessus du tableau de données, sélectionnez chaque valeur de pH et calculez la fraction protonée en remplissant les valeurs pour [HA] et [A-]

Réponse

une.

4. Votre graphique correspond-il au graphique théorique ?

une. Oui

b. Non

indice

Revenir au "calcul de la fraction protonée"

Réponse

une. (Bon travail!)

5. A quel moment la fraction protonée est-elle égale à 0,5 ?

une. pH 1.

b. pH4.

c. pH 6.

indice

Regardez comment le graphique change avec le pH et comment cela change la fraction.

Réponse

b. (lorsque la courbe est à son milieu, la fraction protonée est de 0,5. Cela signifie également que la fraction déprotonée est également de 0,5.)

6. Que vous dit le milieu du graphique courbe à propos de l'acide ?

une. (pK_a) de l'acide

b. Concentration de l'AH

indice

N'oubliez pas qu'à ce stade, vous avez un mélange 50-50 de protoné et de déprotoné.

Réponse

une. (le (pK_a) de l'acide est le point où vous avez un mélange 50-50 de protoné et déprotoné.)

Maintenant que vous avez terminé l'activité précédente sur les acides faibles, essayez d'appliquer ce que vous avez appris à cet exemple concret.

est-ce que j'ai eu ça

1. L'aspirine traversera plus rapidement les membranes lorsqu'elle n'est pas chargée (protonée). Cet apprentissage par la pratique explore l'effet du pH sur l'absorption d'aspirine.

La structure de l'aspirine (acide acétylsalicyclique) est illustrée ci-dessus (à gauche). Le groupe carboxylate a un (pK_a) de 4,0.

Le pH de l'estomac est de 2,0 quelle est la fraction d'aspirine qui est protonée dans l'estomac (les équations de droite peuvent être utiles) ?

une. 0.99

b. 0,90

c. 0,09

indice

Les équations de droite peuvent être utiles

Réponse

une. (pH=2, (pK_a)=4, (R=10^{2-4}=10^{-2}space f_{HA}=frac{1}{(1+0,01)} =0.99))

2. (le (pK_a) de l'acide est le point où vous avez un mélange 50-50 de protoné et déprotoné.)

3. (le (pK_a) de l'acide est le point où vous avez un mélange 50-50 de protoné et déprotoné.)

4. (le (pK_a) de l'acide est le point où vous avez un mélange 50-50 de protoné et déprotoné.)

Structure chimique et acidité :

La constante d'équilibre, Kéq, car toute réaction est liée à la différence d'énergie entre les réactifs (par exemple [HA]) et les produits (par exemple [A-]), par la formule bien connue :

[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{ tableau} onumber]

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

Le tableau suivant explore la relation entre la structure et l'acidité.

Réaction de dissociationForce acide/type AAExplication de l'acidité

Acide chlorhydrique, (pK_a) = -20Acide fort car les ions interagissent avec l'eau. Dissociation complète.

Éthanol, (pK_a)= 14. (Acides aminés sérine & thréonine)Acide très faible. Peu d'ionisation du groupe -OH.

Acide acétique, (pK_a) = 4. (Aspartate et glutamate d'acides aminés)Acide faible, mais plus fort que l'éthanol en raison de la délocalisation de la charge sur le groupe carbonyle.

Glycine, (pK_a) = 2. (Tous les acides aminés)Acide faible, mais plus fort que l'acétique en raison de la délocalisation de la charge sur le groupe carbonyle et de l'azote chargé positivement.

est-ce que j'ai eu ça

1. La structure de l'acide trifluoroacétique (TFA, (pK_a)=0,5) et de l'acide acétique ((pK_a)=4,8) est indiquée ci-dessous. Quel est l'acide le plus fort, le TFA ou l'acide acétique ?

une. Le TFA est l'acide le plus fort

b. L'acide acétique est l'acide le plus fort

indice

(pK_a)=-log(K_a). Les petites valeurs (pK_a) indiquent des valeurs (K_a) grandes ou petites ?

Un acide plus fort s'ionise plus complètement, indiquant une constante d'acidité plus grande, (K_a).

Réponse

une. (L'acide avec le (pK_a) le plus bas est l'acide le plus fort.)

2. Expliquez pourquoi le TFA est un acide plus fort que l'acide acétique.

indice

En quoi les atomes de fluor diffèrent-ils des atomes d'hydrogène ?

Réponse

Lorsque l'un des deux acides se déprotone, une charge négative est générée sur le groupe COOH. Les atomes de fluor plus électronégatifs retirent, et donc délocalisent, une partie de cette charge, ce qui abaisse l'énergie de l'état déprotoné, améliorant l'ionisation.

Questionnaire récapitulatif

est-ce que j'ai eu ça

1. En perdant un proton, un acide devient

une. très réactif

b. son acide conjugué.

c. sa base conjuguée.

ré. un ion hydronium.

e. un ion hydroxyde.

réponse

c.

2. Un facteur affectant la force d'un acide est

une. exercice fréquent.

b. l'électronégativité des atomes proches du groupe acide.

c. le nombre de doubles liaisons.

ré. le nombre de protons libérés.

e. Aucune de ces réponses.

réponse

b.

3. Si le (pK_a) de l'acide trifluoracétique (TFA) est égal à 0 et le (pK_a) de l'acide acétique est égal à 4,0, le (pK_a) de l'acide trichloroacétique (TCA) est :

une. -1

b. 1

c. 3

indice

Essayez l'exercice sur la page comparant le TFA à l'acide acétique.

réponse

b. (Parce que le chlore est moins électronégatif que le fluor, le TCA est un acide plus faible que le TFA et le (pK_a) du TCA sera plus proche du TFA.)

4. Lorsque le pH est inférieur au (pK_a), alors

une. La concentration de [HA] dépasse [A-].

b. La concentration de [HA] est inférieure à [A-].

c. La concentration de [HA] est égale à [A-].

ré. Le rapport de [HA] à [A-] ne peut pas être déterminé.

e. La concentration de l'acide est nécessaire pour calculer le rapport de [HA] à [A-].

indice

Le (pK_a) marque le pH qui va 1/2 protoner l'acide. Comment l'abaissement du pH affectera-t-il la concentration en ions hydrogène ?

réponse

une. (Le (pK_a) marque le 1/2 point dans l'effet de la concentration en protons d'un acide. Si le pH est inférieur à (pK_a), alors [HA]>[A-], si le pH > (pK_a), alors [HA] est inférieur à [A-].)


A l'origine, les termes acide et base désignaient le goût. La pratique de classer les substances selon leur acide (acide) ou de base Les propriétés (alcalines ou amères) remontent à l'Antiquité. Un acide était quelque chose avec un goût aigre, comme le jus de citron, et une base était quelque chose avec un goût amer, comme l'eau tonique. Aujourd'hui, il existe trois catégories supplémentaires de goût: doux, salé et umami. Le plus récent, l'umami, est spécifique au glutamate monosodique (MSG).

Ce n'est pas un hasard si les propriétés acido-basiques des composés sont liées au goût. Les récepteurs gustatifs humains couplés aux récepteurs olfactifs ont évolué pour interpréter certaines caractéristiques moléculaires comme des goûts différents. Les composés formés à partir de combinaisons d'acides et de bases ont un goût salé et sont appelés sels en chimie. Les composés sucrés ont des caractéristiques à la fois des acides et des bases dans la même molécule.

Nous explorerons la relation entre la structure moléculaire et les acides et les bases, et considérerons les solutions aqueuses d'acides et de bases. Dans l'eau ou une solution aqueuse, la solution est acide si la concentration en ions hydrogène est supérieure à la concentration en ions hydroxyde (OH - ), la solution est basique si la concentration en ions hydroxyde est supérieure à la concentration en ions hydrogène (H + ), et la solution est neutre lorsque les concentrations sont égales. Ainsi, les propriétés d'une solution acide sont dues à la concentration relativement élevée en ions hydrogène, et les propriétés des solutions basiques sont dues à la concentration élevée en ions hydroxyde.

Comme beaucoup d'idées fondamentales en chimie, le concept d'acide et de base remonte à l'Antiquité et découle d'observations quotidiennes sur les substances rencontrées par les gens. Il a fallu des siècles plus tard, cependant, avant que des interprétations moléculaires ne soient données à ces observations de la vie réelle. Le concept acide&ndashbase est un système de classification des substances chimiques qui permet à la fois l'organisation et la prédiction d'un grand nombre de réactions chimiques.

Une substance peut être classée dans l'une de nos quatre catégories envisageables. Il peut s'agir d'un acide ou d'une base, mais en plus, il peut s'agir à la fois d'un acide et d'une base ou il peut ne s'agir ni d'un acide ni d'une base. Les premiers chimistes ont réalisé que même parmi les acides et les bases, certains acides étaient plus forts (plus acides) ou plus basiques (plus amers) que d'autres. Ainsi, les acides peuvent être encore classés en acides forts et acides faibles, et les bases en bases fortes et bases faibles.


Systèmes bicycliques avec tête de pont (jonction en anneau) atomes de bore☆

7.2 boronates MIDA

Les groupes acide boronique sont couramment utilisés dans diverses réactions de synthèse, par exemple le couplage de Suzuki. Cependant, la réactivité des organoboranes peut être problématique lors de la synthèse avancée en plusieurs étapes. Une ressource commune est la Ngroupe protecteur -méthyliminodiacétate (MIDA) 100. Produit pour la première fois en 1986, ce groupe protecteur s'est avéré très utile car il s'engage pleinement avec la forme hybridée au bore&#sp 3 l'empêchant d'interagir avec d'autres molécules (schémas 13 et 14). 48

Ce groupe protecteur est résistant à de nombreuses réactions chimiques couramment utilisées, notamment les couplages Heck, Negishi, Sonogashira, Stille et Suzuki-Miyraura anhydre. 49 Le groupe Burke a montré en 2009 que les esters de boronate MIDA libèrent lentement de l'acide boronique libre en présence d'une base aqueuse douce pour permettre des réactions de couplage croisé Suzuki plus efficaces. 50 Ces composés ont été utilisés efficacement comme blocs de construction pour l'assemblage itératif de molécules complexes. 51 Le groupe boronate MIDA est également résistant aux oxydants, aux réducteurs, aux acides doux, aux bases anhydres, aux électrophiles et aux nucléophiles mous. De plus, la fraction MIDA augmente la solubilité des acides boroniques dans les solvants protiques. Pour ces raisons, le fragment MIDA est devenu un groupe protecteur largement utilisé pour les acides boroniques.


Mécanismes de résistance

Homéostasie du pH

L'homéostasie du pH est la régulation du pH à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule et est un indicateur important de l'état physiologique des cellules dans un environnement acide (Baker-Austin et Dopson 2007). Il est essentiel pour la croissance et le métabolisme cellulaires, influençant l'absorption et l'utilisation des nutriments, la dégradation des substrats et la synthèse des protéines et des acides nucléiques (Guan et al. 2013). Comme illustré dans les Fig. 1 et 2, le maintien de l'homéostasie du pH est le résultat d'interactions entre plusieurs systèmes de transport. Les pompes à protons électrogènes expulsent les protons des cellules, générant un potentiel membranaire et un gradient de pH. L'interconversion de ceux-ci est régulée par le transfert de cations et de protons via des transporteurs secondaires (Călinescu et al. 2014).

Mécanismes de tolérance aux acides associés aux membranes cellulaires et aux systèmes de transport d'ions. Les cellules microbiennes maintiennent l'homéostasie du pH en limitant le flux entrant de protons à travers des membranes cellulaires hautement imperméables (I) et en modulant la taille des canaux membranaires (II), en déviant l'afflux de protons en générant des gradients chimiosmotiques via les ATPases potassiques (III), en pompant l'excès de protons hors du cytoplasme par la pompe à protons (IV), et maintenir l'intégrité et la fluidité des membranes cellulaires en modulant la composition en acides gras (V)

Mécanismes de tolérance aux acides à base d'enzymes

Différentes stratégies pour résister au stress acide par homéostasie soutenue du pH ont évolué chez les microbes (He et al. 2017 Jain et al. 2013 Liu et al. 2016b Lu et al. 2013 Miller et Maier 2014 Sohlenkamp 2017). Certaines levures et bactéries maintiennent un pH intracellulaire relativement stable et neutre (pHje) en présence d'un pH extracellulaire en constante évolution (pHex) et génèrent des gradients de protons non fixés (Siegumfeldt et al. 2000). Cependant, un gradient de pH constant est plus favorable à la plupart des microbes tolérants aux acides. En effet, une grande quantité d'énergie doit être consommée pour maintenir un pH neutreje, qui restreint sévèrement la croissance et le métabolisme des microbes (dim. 2016). Le pHje de ces microbes tolérants aux acides diminue avec l'acidification de l'environnement, mais se maintient à un niveau supérieur au pHex. Une fois que l'acide atteint une certaine concentration, le pHje diminue fortement et l'homéostasie du pH est détruite. Cela entraîne des dommages aux protéines et à l'ADN, les cellules finissant par se flétrir (Wu et al. 2012a). Par conséquent, le maintien de l'homéostasie du pH est essentiel pour que les microbes survivent dans des environnements acides.

Restriction de la perméation des protons

La force motrice protonique (FMP) est une mesure de l'état énergétique de la membrane cellulaire générée par une séparation de charge entre le cytoplasme et le milieu externe créée par le potentiel membranaire et le gradient de pH à travers la membrane (Baker-Austin et Dopson 2007). C'est une référence indicative commune pour contrôler l'homéostasie du pH, qui est principalement servie par le gradient de pH dans l'étude de la résistance aux acides (Lee et Kang 2016). Il est soutenu par l'équilibre entre les flux entrants et sortants de protons.

Les protons voyagent dans le cytoplasme à travers la membrane plasmique et sont limités par la perméabilité aux protons et la taille des canaux de la membrane (Sohlenkamp 2017). Les microbes tolérants aux acides sont généralement équipés de membranes moins perméables pour réduire l'entrée de protons dans les cellules (Sohlenkamp 2017). Il est suggéré que plusieurs facteurs contribuent à cette caractéristique, notamment la structure dure de la monocouche, le noyau isoprénoïde volumineux et une composition lipidique unique telle que les lipides tétraéthers (Macalady et Banfield 2003). La modulation de la taille des canaux membranaires est une autre stratégie importante adoptée par certains microbes tolérants aux acides pour maintenir l'homéostasie du pH. Expression de la porine de la membrane externe de Acidithiobacillus ferrooxidans augmenté en réponse à l'acide, tentant de contrôler la taille de la passerelle de porine en formant une grande boucle L3 (Amaro et al. 1991). Par conséquent, l'afflux de protons était limité à la seule membrane externe (Guiliani et Jerez 2000).

L'afflux de protons peut également être réduit dans les microbes tolérants aux acides en utilisant un gradient chimiosmotique généré par un potentiel de Donnan, et la différence de potentiel électrique formée entre deux solutions séparées par une membrane échangeuse d'ions sans aucun courant à travers la membrane (Baker- Austin et Dopson 2007). De nombreux transporteurs de cations ont été découverts chez les acidophiles, et ils sont supposés être impliqués dans la génération d'un potentiel Donnan (Fütterer et al. 2004). Les transporteurs de potassium seraient les plus efficaces pour générer des gradients chimiosmotiques, à travers lesquels un potentiel de membrane inverse est généré et le flux entrant de protons est restreint (Suzuki et al. 1999). Il a également été observé que les ions potassium participent à la pompe à protons liée à la respiration dans Sulfolobe spp. (Schäfer 1996). De plus, les cations ATPases (telles que la K + -ATPase) sont impliquées dans le maintien de l'homéostasie du pH en échangeant H + et K + (Macpherson et al. 2005).

Un mécanisme intéressant de résistance aux acides de certaines bactéries est la formation de biofilms. C'est un comportement de groupe qui implique une communication de cellule à cellule (Li et al. 2001). Les biofilms protègent les cellules microbiennes contre les chocs acides en enveloppant les cellules dans la partie la plus interne. Par conséquent, la densité cellulaire, qui est liée à la formation de biofilms, est également un facteur affectant la résistance aux acides des micro-organismes (Liu et al. 2015c).

Amélioration des pompes à protons

La pompe à protons dépendante du PMF est l'un des systèmes de tolérance aux acides les plus importants chez les bactéries dans le maintien de l'homéostasie du pH, à travers lequel les protons en excès sont pompés du cytoplasme (Jain et al. 2013). Il a été démontré que plusieurs pompes à protons favorisent l'efflux de protons, telles que la H + -ATPase, le symporteur, l'antiporteur et le transporteur secondaire (Sun 2016). Les protons seraient exportés des cellules via la H + -ATPase dans les bactéries, un processus qui consomme de l'ATP (Sun 2016). Par conséquent, une activité H + -ATPase plus élevée et une plus grande accumulation d'énergie améliorent la capacité des cellules à réguler le pHje homéostasie.

Normalement, l'ATP est généré via FoF1ATPase lorsque les protons extracellulaires traversent la membrane cellulaire dans le cytoplasme via un gradient de pH (Sun 2016). Cependant, l'accumulation de H + entraîne une forte diminution du pHje à faible pHex, et les pompes à protons commencent à consommer de l'ATP (Fig. 1). Par conséquent, l'énergie disponible pour les cellules est épuisée et la survie de la souche est inhibée (Zheng et al. 2011). Par conséquent, l'élévation des niveaux d'énergie est une stratégie efficace pour améliorer les pompes à protons. La phosphorylation au niveau du substrat et la phosphorylation oxydative sont les deux façons dont les micro-organismes produisent de l'ATP. Cette dernière peut être améliorée en ajoutant des substrats énergétiques auxiliaires (Zhou et al. 2009). Il est rapporté que le citrate est important dans certains micro-organismes procaryotes en tant que cosubstrat énergétique auxiliaire, favorisant la régénération de l'ATP (Drici et al. 2010 Kang et al. 2013). Zhou et al. ont pu augmenter l'offre d'ATP Candida glabrata en ajoutant du citrate au milieu et en augmentant le gradient de pH du système, améliorant ainsi sa tolérance aux acides lors de la production d'acide pyruvique (Zhou et al. 2011). En bref, l'équilibrage du transport des protons et du métabolisme de l'ATP constitue le cœur du mécanisme de la pompe à protons. Outre les bactéries et les levures, Rhizopus oryzae a également été signalé pour résister au stress acide par FoF1ATPase (Liu et al. 2015b).

Consommation de protons

En plus de contrôler le transport transmembranaire des protons, certains micro-organismes ont développé plusieurs mécanismes de tolérance aux acides basés sur la consommation excessive de protons cytoplasmiques pour maintenir l'homéostasie du pH dans des environnements acides. Les systèmes enzymatiques des cellules qui génèrent des produits alcalins jouent un rôle clé dans ces mécanismes, comme illustré sur la figure 2.

Le système uréase est connu pour neutraliser H + en produisant de l'ammoniac, ce qui permet de résister à un faible pH lors de la culture de bactéries telles que Helicobacter pylori (Mols et Abee 2011 Zanotti et Cendron 2010). Trois modèles d'uréase ont été proposés pour réguler l'homéostasie du pH. À l'origine, on croyait que l'urée est catalysée par l'uréase extracellulaire associée aux cellules et produit de l'ammoniac, qui neutralise les protons autour des cellules (Hazell 1991). Cependant, l'uréase s'est avérée plus tard être une enzyme cytoplasmique qui est libérée par lyse cellulaire (Scott et al. 1998). Selon le deuxième modèle, l'ammoniac produit à partir de l'uréase se combine avec H + dans le périplasme et le microenvironnement intracellulaire est maintenu en augmentant le pH de celui-ci. Le mécanisme actuellement généralement accepté est que l'uréase transforme l'urée en ammoniac et en CO2, neutralisant directement les protons et régulant le pHje dans le cytoplasme (Miller et Maier 2014). Vollan et al. trouvé le rôle de H. pylori membrane externe phospholipase A dans la tolérance acide basée sur l'afflux d'urée et l'efflux d'ammoniac. Il s'est avéré plus tard que cela était impliqué dans le transport de NH4 + dans le périplasme (Vollan et al. 2017).

Les acides aminés rendent plusieurs micro-organismes tolérants aux acides en augmentant le pHje pendant le métabolisme (Senouci-Rezkallah et al. 2011). De tels systèmes ont été appelés systèmes de tolérance aux acides dépendant des acides aminés. Le système arginine désaminase (ADI) a été identifié comme un mécanisme de défense important dans plusieurs bactéries contre les dommages causés par l'acide (Liu et al. 2015c Shabayek et Spellerberg 2017). Trois étapes sont impliquées dans ce système (Fig. 2). Tout d'abord, l'arginine transportée dans les cellules par ArcD est convertie en citrulline et en ammoniac par ADI. Ensuite, l'ornithine carbamoyltransférase (OTC) catalyse la phosphorolyse de la citrulline en ornithine et en phosphate de carbamoyle. Le premier est ensuite transporté hors de la cellule, tandis que le second est finalement converti en dioxyde de carbone et en ammoniac par la carbamate kinase (CK), au cours de laquelle l'ATP est généré à partir de l'ADP. Par conséquent, les protons sont neutralisés par l'ammoniac et le dioxyde de carbone formés par le système, et l'ATP produit est disponible pour extruder les protons grâce à la H + -ATPase (Guan et al. 2013). Pendant ce temps, un antiporteur d'arginine-agmatine AdiC et l'arginine décarboxylase AdiA constituent l'autre branche du système de tolérance aux acides arginine-dépendante (Kanjee et Houry 2013). L'arginine passe dans la cellule par AdiC et est convertie en agmatine et en dioxyde de carbone par catalyse par AdiA, consommant des protons intracellulaires dans le processus.

Le système de tolérance aux acides dépendant du glutamate est également reconnu comme essentiel pour la survie des bactéries dans des environnements acides. La fonction du système glutamate décarboxylase (GAD) dans la résistance aux acides est similaire à celle de l'arginine décarboxylase (Fig. 2). La glutamate décarboxylase catalyse la décarboxylation du glutamate, produisant de l'acide γ-aminobutyrique (GABA) et du dioxyde de carbone, accompagnée d'une consommation de protons (Reeve et Reid 2016). L'antiporteur d'acides aminés spécifique GadC, également connu pour transporter la glutamine, transporte le glutamate extracellulaire et le GABA intracellulaire (Laroute et al. 2016 Ma et al. 2012). Un autre système, comprenant GadC et la glutaminase YbaS, se trouve dans Escherichia coli (Lu et al. 2013). Après avoir été transportée dans le cytoplasme, la glutamine est convertie en glutamate et en ammoniac par YbaS activé par un acide, après quoi le système GAD est initié. La formation de produits alcalins (ammoniac et GABA) et la réduction des protons intracellulaires sont les conséquences nettes de ce métabolisme lié au glutamate. Outre l'arginine et le glutamate, le système lysine-dépendant joue également un rôle dans la tolérance aux acides des cellules via la décarboxylation de la lysine (He et al. 2017) (Fig. 2). De plus, certains autres acides aminés tels que l'aspartate et la citrulline sont impliqués dans le maintien du pHje l'homéostasie en libérant de l'ammoniac au cours du métabolisme (Cusumano et Caparon 2015 Hu et al. 2010).

Altération des membranes cellulaires

La cible principale du stress environnemental est les membranes cellulaires, qui aident à maintenir les activités cellulaires dans des conditions acides de plusieurs manières. En plus de restreindre la perméation des protons en ajustant la taille des canaux, la bioénergétique membranaire et la physiologie des lipides sont également étroitement liées à la réponse au stress chez les micro-organismes (Yang et al. 2014). Comme mentionné ci-dessus, la H + -ATPase liée à la membrane régule le pHje des cellules en pompant des protons hors du cytoplasme. Par conséquent, des niveaux plus élevés de H + -ATPase et de son activité entraînent une capacité de tolérance aux acides plus élevée (Zhang et Yang 2009). La modulation de l'intégrité, de la fluidité et de la composition lipidique des membranes cellulaires sont également des mécanismes importants qui protègent les bactéries contre les effets délétères des acides (Yan et al. 2016).

Les membranes cellulaires fournissent un environnement intracellulaire constant pour la croissance et le métabolisme cellulaires (Sohlenkamp 2017). Le maintien d'une structure et d'une fonction membranaires appropriées est une condition préalable à toutes les activités métaboliques cellulaires. Un pH bas entraîne généralement des changements morphologiques dans les cellules, conséquence de la membrane cellulaire lipoïde endommagée et d'une diminution de la fluidité (Streit et al. 2008). La viabilité des cellules dans des conditions de stress est régulée par l'état des membranes. 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 à 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 à 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 pHje 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 Streptocoque mutant 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, et 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, ou un 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.


Concepts clés et résumé

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. Expliquez votre raisonnement.

(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.

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

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

(b) Fil de cuivre 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. D'abord, 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. Seconde, 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. Troisième, 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.

Finalement, 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.


Division cellulaire normale

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) Conditions préalables: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) Conditions préalables: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.) Conditions préalables: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. Conditions préalables: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.) Conditions préalables: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. Conditions préalables: 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

Résumé

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. Introduction

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. Matériaux

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 J.T. 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. La préparation des échantillons
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: