8. アミノ酸滴定曲線がついに読める

こんにちは！

生化学の勉強を頑張っているみなさん、
今日も本当にお疲れさまです。

要するに、COOーとNH3+はこんな風に変化するんだ。

アミノ酸滴定曲線は、
この H⁺ の出入り を線で見せている図なんだ。

今回は、横軸を pH、縦軸を OH⁻ の滴下量に
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。

ただし、教科書や問題集では、
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。

同じ滴定曲線でも、軸が逆のことがあるんだ。
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▲ 目次へ

グリシンは、基本のアミノ酸の形に、
側鎖は ”Hだけ” だったよね。

その通り。
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。

グリシンの滴定曲線を読む上で
注目すべき主な場所は２つ。
・COO-
・NH3⁺

まずはその2か所を見ればいいんだね。

うん。ではまず、pH がとても低いときを考えよう。
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。

H+が周りにたくさんあると、
グリシンは H⁺ を取り込みやすいんだね。

その通り。低い pH では、
グリシンは H⁺ をしっかり持った形になりやすい。

つまり、H⁺ を受け取れる側も、
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。

ということは、
COOH と NH3⁺ の形ということ？

そう。つまり最初は、
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。

滴定曲線の左端は、
H⁺ をたくさん持ったスタート地点 と考えるといいよ。

なるほど。
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

ここから pH を上げていくと、
まず最初に変化しやすいのは
COOH なんだ。

最初は COOH から変わるんだね。

そう。
前のブログ記事
「アミノ酸のイオン性」でも話したけれど、
COOH の H⁺ は、
もともと COO⁻ から離れやすいんだ。

だから、H⁺がたくさんあるときは我慢しているけど、
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。

へえ。
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。

その通り。そしてこのとき、
NH3⁺ はまだ H⁺ を持ったままなんだ。

NH3⁺ は、H⁺ をつけたままのほうが
絶対に安定、という意味ではないよ。

でも、その pH では、
H⁺ をつけたままでいるほうが有利というか、
楽なんだ。

そこも、前のブログ記事
「アミノ酸のイオン性」で詳しく話しているよ。

だから、酸性から中性へ向かう途中では、
COO⁻ と NH3⁺ を両方持つ形になるんだ。

そう。これが
両性イオン（双生イオン・zwitterion） だよ。

プラスもある。
マイナスもある。
でも全体としては net charge 0。

言い換えると、
分子全体としては正味電荷は 0。

等電点では、
この両性イオンがいちばん多くなるんだ。

へえ。
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？

▲ 目次へ戻る

pKaの付近では
H⁺ を持つ形と、離した形が
半分ずつくらい共存している。

だから buffer として働きやすい、
つまり緩衝作用が大きいんだよ。

緩衝作用が大きいって、どういう意味なの？

酸やアルカリが少し入ってきても、
pHが急に変わりにくい
という意味だよ。

pHが急に変わりにくい？

たとえば、ふつうの水は、
少し酸やアルカリが入ると pH が変わりやすい。

でも 緩衝作用があると、酸が少し入っても、
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。

つまり、緩衝作用は
「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。

ああ。
急に変わりすぎないようにしてくれるんだ。

そう。アミノ酸でいうと、
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。

あっ！だから pKa の近くなんだね。

そう。
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。

 

そして、pKa のおよそ ±1 pH のところを、
緩衝域 と呼ぶよ。

なるほど。
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▲ 目次へ

さらに pH を上げていくと、
今度は NH3⁺ が H⁺ を離すよ。

へえ。
今度は NH3⁺ のほうが変わるんだね。

そう。この時点では、
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。

つまり、pH が高い側では、
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。

へえ。
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▲ 目次へ

では、なぜ滴定曲線は
あの独特な S字 になると思う？

ゆるやかに変化する理由？

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。

だから滴定曲線は、
段階ごとの脱プロトン化の記録
と言えるね。

一気に全部じゃなくて、
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▲ 目次へ

ここで、よく混乱する 等電点 を整理しよう。

等電点、つまり pI は
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。

グリシンでは、
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。

グリシンで両性イオンが多いあたりが等電点になるのは、
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。

じゃあ実際に等電点って
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。

つまり、最初の pKa と
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。

見た目の真ん中じゃなくて、
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▲ 目次へ

では、試験ではどこを見るのか。
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。

① 世界的に有名な生化学の「三大教科書」

01

Lehninger Principles of Biochemistry

英語: Nelson DL, Cox MM. (2021). Lehninger Principles of Biochemistry, 8th Edition.

日本語: デービッド・ネルソン、マイケル・コックス（著）中山和久 他（監訳） (2023年). レ-ニンジャーの新生化学: 生化学と分子生物学の基本原理 (上)

今日のブログ記事に関する特徴: アミノ酸の滴定曲線について、なぜカルボキシ基がアミノ基より先に電離するのかを、近接する官能基の電子的な相互作用（静電的相互作用）から論理的に解説しています。

02

Biochemistry (Stryer)

英語: Berg JM, Tymoczko JL, Gatto Jr. GJ, Stryer L. (2019). Biochemistry, 9th Edition.

日本語: 入村達郎 他（監訳） (2021年). ストライヤー生化学 第10版.

今日のブログ記事に関する特徴: グリシンの pKa と生理学的意義を端的にまとめており、特にタンパク質の三次元構造を維持する上で、滴定曲線から導かれる電荷の状態がいかに重要であるかを強調しています。

03

Harper’s Illustrated Biochemistry

英語: Victor WR, Anthony PW, Peter JK, David AB. (2022). Harper’s Illustrated Biochemistry, 32nd Edition.

日本語: 上代淑人（監訳） (2023年). イラストレイテッド ハーパー・生化学 原書32版

今日のブログ記事に関する特徴: 医師国家試験などの基礎となる臨床的な視点が強く、血液の pH 緩衝能とアミノ酸の緩衝域の関係性を、図解（イラスト）を多用して実践的に解説しています。

01

Lippincott’s Illustrated Reviews: Biochemistry

英語: Abali EE, Cline SD, Franklin DS, Viselli SM. (2021). Lippincott Illustrated Reviews: Biochemistry, 8th Edition.

日本語: 石崎泰樹 他（監訳） (2022年). リッピンコット イラストレイテッド 生化学 原書8版.

今日のブログ記事に関する特徴: 非常に精巧な「コンセプト図」が特徴です。滴定曲線の各ステップでアミノ酸がどのような形（構造）をしているかが一目でわかるよう色分けされており、視覚的な学習に最適です。

02

はじめの一歩の生化学・分子生物学

石浦章一（著） (2013年). はじめの一歩の生化学・分子生物学 第3版.

今日のブログ記事に関する特徴: 「なぜ pH が変わると形が変わるのか？」という初学者の素朴な疑問に対し、数式を極力減らして日本語のストーリーで丁寧に解説しており、今回のブログの解説スタイルと非常によく合致しています。

03

マンガでわかる生化学

武蔵野公嗣（著） (2005年).

今日のブログ記事に関する特徴: 抽象的な pKa や等電点といった概念を、キャラクター同士の掛け合いや視覚的なメタファーで表現しています。「滴定曲線は単なる線ではなく物語である」という理解を助ける一冊です。