8. アミノ酸滴定曲線がついに読める
〜pKa・等電点・緩衝域を一気につなぐ〜
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1. この記事が解決してくれること
滴定曲線、まだ形だけ🧠暗記していませんか。
pKa、等電点、緩衝域。
✏️試験でつながらなくなる。
この記事では、グリシン を使って、
滴定曲線を1本の流れとして読めるようにします。💯
📚目次
（4）最初に変わるのは COOH。ここが見えると一気に進む🔥
（6）次に動くのは NH3⁺。2つ目の反応まで見えるようになる✌️
（9）✏️試験ではこの3つ。形より“どこがいつ変わるか”を見る
2．H⁺ がつく場所と外れる場所。 まず基本をおさえよう
アミノ酸には、H⁺ を受け取れる場所 と、
H⁺ を手放せる場所 があるよ。
そう。
・マイナスの場所は、
プラスを受け取れる。
・H+を持っているからプラスの状態である場合、
H＋を手放すことができるんだ。
どこが手放す場所なのか？
常に意識しておくと、今何がおこっているのか
わかりやすくなるよ。
水の中では、その形が多いんだよね。
酸性、つまり pH が低いと、H⁺ が多い。
だからアミノ酸は、H⁺ を受け取った形に
なりやすいんだ。
受け取るほうに傾くのか。
逆に、pH が上がると、H⁺ は少なくなる。
だからアミノ酸は、
少しずつ H⁺ を手放していくよ。
今度は持っている H⁺ を手放していくんだね。
NH３＋はH+を手放せる場所。
それぞれの”場所”の意味を
ここでしっかり確認しよう！
・H+がたくさんあると、
H+を受け取るからプラスに傾く。
・H+が少ししかないと、
持っているH+を手放すからマイナスに傾く。
マイナス寄りになるかが変わるんだ。
この H⁺ の出入り を線で見せている図なんだ。
しているよ。
酸性の溶液からスタートして、
それにOH⁻を少しずつ加えると、H+が中和されるから
溶液は酸性からだんだん中性→アルカリ性に変わっていく。
そのとき、アミノ酸のイオン性がどう変化するのかを
見ているよ。
横軸が OH⁻ の滴下量、縦軸が pH のグラフも
よく出てくるよ。試験では、軸の意味を取り違えないように
気をつけてね。
そこはちゃんと見ないと危ないね。
3. いちばんシンプルな グリシンで意味をつかむ
側鎖は ”Hだけ” だったよね。
グリシンは、側鎖がいちばんシンプルなんだ。
アミノ酸の基本を考えるときの出発点にしやすいんだよ。
注目すべき主な場所は２つ。
・COO-
・NH3⁺
pH がとても低いというのは、
まわりに H⁺ がたくさんある、ということなんだ。
グリシンは H⁺ を取り込みやすいんだね。
グリシンは H⁺ をしっかり持った形になりやすい。
H⁺ を手放せる側も、
どちらも H⁺ を持った形になりやすいんだ。
COOH と NH3⁺ の形ということ？
完全にプロトン化された状態なんだ。
言いかえると、
受け取れるだけの最多の H⁺ を受け取った状態だよ。
H⁺ をたくさん持ったスタート地点 と考えるといいよ。
左端は、プロトンが多い。
だから最もプロトン化された状態で出発する
んだね。
4.最初に変わるのは COOH。一気に理解が進む
まず最初に変化しやすいのは
COOH なんだ。
まわりの H⁺ がだんだん少なくなると、
待ってました！とばかり
H⁺ がCOOH から外れようとするんだ。
酸性から塩基性へ向かうとき、
もともと外れやすい
COOH からH+が外れるんだね。
NH3⁺ はまだ H⁺ を持ったままなんだ。
絶対に安定、という意味ではないよ。
H⁺ をつけたままでいるほうが有利というか、
楽なんだ。
「アミノ酸のイオン性」で詳しく話しているよ。
COO⁻ と NH3⁺ を両方持つ形になるんだ。
両性イオン（双生イオン・zwitterion） だよ。
マイナスもある。
でも全体としては net charge 0。
分子全体としては正味電荷は 0。
この両性イオンがいちばん多くなるんだ。
プラスもマイナスもあるのに、
全体では 0 なんだ。
5．【最重要】pKa と緩衝域が ここでつながる
ここで、滴定曲線の見方が少し見えてくるよ。
最初の段差は、
COOH から H⁺ が外れていく変化 を
表しているんだ。
そしてその変化の真ん中あたり、
つまり 半分くらい外れたところ が
pKa なんだよ。
なるほど。
pKa って、どの pH で
その H⁺ が半分くらい外れるかを表す数値なんだね。
そう。pKa とは、
H⁺ の外れやすさを表す値だよ。
たとえば、pKa が小さいということは、
低いpHでH+を離すということ。
つまり「H⁺ を持ち続ける」より「H⁺ を放す」ほうに
傾きやすい、ということなんだ。
ブレンステッドの定義では
酸 = H⁺ を与えるものだったよね。
言い換えれば、H⁺ を手放すものと言える。
pKa が小さいとは、
より低いpHでH+を離すということ。
つまり、酸としてふるまいやすい傾向があるとも言えるね。
その結果、マイナス電荷をもつ形が増えやすい。
ただし大事なのは、
必ずしも物質全体がマイナスになるとは限らない、
ということなんだ。
緩衝作用とは？
H⁺ を持つ形と、離した形が
半分ずつくらい共存している。
つまり緩衝作用が大きいんだよ。
pHが急に変わりにくい
という意味だよ。
少し酸やアルカリが入ると pH が変わりやすい。
すぐには強く酸性にならない。アルカリが少し入っても、
すぐには強くアルカリ性にならない。
「pHのゆれを小さくするクッション」
のようなものなんだよ。
急に変わりすぎないようにしてくれるんだ。
H⁺を受け取れる形 と H⁺を放せる形 の両方が
ほぼ同じ量でいるとき、
緩衝作用が大きいんだ。
pKa の近くでは
H⁺ を受け取る
H⁺ を放す
その両方に対応しやすく、
pHを変わりにくくできるんだよ。
緩衝域 と呼ぶよ。
pKa の近くで、緩衝作用が大きいところ が、
緩衝域 なんだね。
６．次に動くのは NH3⁺。 2つ目の段差
今度は NH3⁺ が H⁺ を離すよ。
今度は NH3⁺ のほうが変わるんだね。
すでに COO⁻ になっているので、
NH3⁺ が H⁺を手放すと
全体としてはマイナスが強くなる。
OH⁻ を加えるにつれて、グリシンはしだいに
負に帯電していくんだ。
ここで2つ目の段差ができる。
そして、その真ん中あたりに、
もう1つの pKa があるよ。
NH3⁺ の pKa は約 9.6 なんだね。
COO-と比べてpKaが高いね。
かなり塩基性に傾かないと、
H⁺ が外れないということだね。
7.なぜ S字なのか。 段階ごとの脱プロトン化で見る
あの独特な S字 になると思う？
そう。その理由はシンプルだよ。
それは、H⁺ が一気に
全部外れるわけではないからなんだ。
最初に外れやすい場所がある。
次に外れる場所がある。
その途中には、
半分ずつ混ざる領域がある。
この変化が、
なだらかな部分 と
立ち上がる部分 を作るんだよ。
段階ごとの脱プロトン化の記録
と言えるね。
順番に外れていくからなんだね。
8. 等電点は“なんとなく真ん中”ではない
分子全体のnet chargeがゼロ、言い換えると
正味電荷が 0 になる pH のことなんだ。
それは 両性イオン（双性イオン・zwitterion） が
いちばん多いあたりになるよ。
その形が、
分子全体としてちょうど正味電荷 0 だからなんだ。
計算でも求められるの？
グリシンのように、
正味電荷 0 の形をはさむ pKa が 2つある場合は、
pI = (pKa1 + pKa2) / 2 で求めるよ。
グリシンなら、
pI = (2.34 + 9.60) / 2 = 5.97 だね。
大事なのは、
全部の pKa を足すのではなく、
正味電荷 0 の形をはさむ 2つの pKa を使う
ことだよ。
2つ目の pKa の
ちょうど間くらいに、
pI が来るってこと？
そのとおり。
ここで大事なのは、
等電点は「なんとなく真ん中」ではなく、
電荷が打ち消し合う形が中心になる場所
ということなんだよ。
電荷が 0 になることが大事なんだね。
9. 試験ではこの3つ。 “どこがいつ変わるか”を見る
まず見るべきはこの3つだよ。
1つ目：どこで H⁺ が外れているか。
2つ目：それぞれの pKa がどの変化に対応しているか。
3つ目：どの pH で正味電荷が 0 になるか。
滴定曲線は「形」を覚えるのではなく
どの部位がいつ脱プロトン化するか
を追うことが、得点につながるんだ。
今日一緒に勉強したことで
その考え方が身についたよ。
10. ここだけ押さえれば大丈夫。 グリシン 滴定曲線の最短ルート
・低い pH では、H⁺ をたくさん持っている。
・最初に COOH から H⁺ が外れる。
・中間で 両性イオン（双性イオン）zwitterion になる。
・次に NH3⁺ から H⁺ が外れる。
・pKa は半分ずつの点。
・pI は net charge 0 の点。
こう並ぶと、流れがすごく見やすいね。
11. 🍀ブログ特典 豆知識
等電点で、なぜタンパク質は集まりやすくなるの？
こはく。
アミノ酸と同じように
タンパク質にも等電点があるんだよ。
そう。
タンパク質の等電点
= たくさんのアミノ酸が集まった
全体の電荷が 0 になる pH
そして等電点の付近では
タンパク質が集まって沈殿しやすい。
等電点だと、どうして
タンパク質は集まりやすくなるの？
わかりやすく説明するね。
アミノ酸やタンパク質には、
プラスやマイナスの電荷があるよね。
この電荷があるおかげで、
分子どうしは反発し合い、
水の中でも散らばって存在しやすいんだ。
反発し合う様に
分子同士が近づきすぎにくくなるんだね。
ところが、等電点では話が少し変わるよ。
等電点とは、
分子全体の正味電荷が 0 になる pH のことだったね。
このとき、分子全体としては
プラスでもマイナスでもなくなるため、
分子どうしの電気的な反発が小さくなるんだよ。
分子どうしが近づきやすくなるんだ。
その結果、
・水に溶けにくくなる。
・分子どうしが集まりやすくなる。
・沈殿しやすくなる。
ことがあるよ。
つまり、等電点では「ばらばらでいにくくなる」んだ。
だから、集まって沈みやすくなることがあるんだね。
これは、タンパク質を取り出したり、
分けたりするときの大事な考え方なんだ。
実験では、pH を等電点に近づけて
タンパク質を沈殿させる ことがあるよ。
