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酸と塩基・代謝概要

平成２５年４月１５日

病態生化学分野

（生化学２）教授

山縣 和也

本日の学習の目標

ヘンダーソン・ハッセルバルヒの式を理解する

アミノ酸の電荷について理解する

1.酸と塩基

酸・塩基の定義

酸 Acid・塩基 Base

アレニウスの定義 Svante August Arrhenius（スウェーデン）1880年頃 酸：H+を与える

塩基：OH-_を与える 一般性に欠ける（弱酸・弱塩基を表わすのに難点）

ブレンステッド，ローリーの定義 1920年頃

Johannes Nicolaus Brønsted (1879-1947)（デンマーク） Thomas Martin Lowry (1874-1936)（英）

酸：H+を与える

塩基：H+_{を受け取る} より一般的，生化学系（弱酸・弱塩基）

生体内の反応の多くに酸・塩基反応が関わっている。

またアミノ酸や核酸は酸や塩基の性質を示す。

酸・塩基

酸：H+を与える _{(AHまたはHAと表わす）} 塩基：H+を受け取る（Bと表わす） AH + B A– + BH+ 可逆反応，平衡状態:正反応と逆反能の両者が等しく、外見上変化がない状態 AH：酸 Acid B：塩基 Base A–：共役塩基 Conjugate base BH+：共役酸 Conjugate acid

水溶液中の酸 HCl + H2O Cl– + H3O+ K HCl Cl– + H+ または単に CH3COOH + H2O CH3COO– + H3O+ CH3COOH CH3COO– + H+ または単に AH + H2O A– + H3O+ K K :平衡定数 H3O+は水溶液中のH+の存在状態 K = [A–] [H3O+] [AH] [H2O] [ ]は濃度を示す

pHとpKa

AH A− + H+ Ka Ka = [A−] [H+] [AH] pH = − log10 [H+]（定義） pKa = − log10 Ka （定義） Ka：この平衡式の平衡定数 酸解離定数_{，単にKと表すこともある} 強酸のpKaは低い値をとることに注意

Y=log[H]

1 10 -1

Y=-log[H]

10 [H] [H] 弱酸HAのイオン化の平衡定数（水を省略した 式より導く）を酸解離定数といい、_{Kaとあらわす。}

ヘンダーソン・ハッセルバルヒの式 Henderson-Hasselbalch equation pKa = − log10 [A−] [H+] [AH] = –log [H+] − log [A−] [AH] = pH − log [A−] [AH] pKa = pH + log [AH] [A–] pH = pKa + log [A–] [AH] AH A− + H+ Ka Ka = [A−] [H+] [AH]

酸と塩基，pHとpKa

pH = pKa + log [A –_] [AH] ヘンダーソン・ハッセルバルヒの式 Henderson-Hasselbalch equation 酸・塩基平衡のもっとも基本的な式 [AH] = [A–] （酸HAが50%解離）のとき pKa = pH pKa：酸が50%解離するpHの値 pH がpKaに等しい時，酸は50%解離する pH – pKa = log [A –_] [AH]

pH > pKa の時 [AH] < [A-]（解離型優先） pH = pKa の時 [AH] = [A-]（50%解離）

緩衝作用

緩衝作用とはある溶液に強酸か強アルカリを加

えたときにpHの変化に抵抗する能力をいう。

弱酸とその共役塩基を含む溶液、または弱塩基

とその共役酸を含む溶液

_{は緩衝作用を示す。}

動物の体液、血液はきわめて優秀な緩衝溶液である。

生体の中でｐHが著しく変化すると、分子の構造が破壊され、有害な 反応が起きる可能性がある。そこで生体系ではｐHの変化を緩和する 機構が進化した。このようなｐH変化に抵抗する溶液を緩衝液という。

ヘンダーソン・ハッセルバルヒの臨床的意義

pH = pKa + log [A –_] [AH] 重炭酸イオン緩衝系の場合は pH = pKa + log [HCO3 –_] [H₂CO₃] = 6.1 + log 0.3pCO₂ [HCO₃-] 患者の動脈血を採血し、pH、[HCO₃-]、pCO₂を測定することで、どこの異常 （肺・腎臓の障害、糖尿によるケトアシドーシスなど）がおこっているか推定する 生体内では重炭酸イオン緩衝系が働いている。 37度でpKa=6.1。[H2CO3]は血中の二酸化炭素分圧pCO₂に比例し、 ほぼ[H₂CO₃]=0.3pCO2の関係がある。したがって

例題１ 酢酸のpKaは4.8である。0.1M酢酸と0.2M酢酸イオン のpHはいくらか（log2=0.3） 例題２ pH4, 5, 6, 7においてpK値が６の酸の共役塩基と酸の比率 はいくらか 例題３ pH7の2倍の水素イオン濃度の溶液のpHはいくらか （log2=0.3）

アミノ酸 Amino acid

CO

2− +

_H

3

N

R

H

C

アミノ基（塩基）

Amino group (base)

カルボキシル基（酸）

Carboxyl group (acid)

α水素 α-Hydrogen

側鎖 Side chain

両性電解質 Ampholyte, amphoteric electrolyte 水溶液中で酸，塩基の両方の性質を示す

α炭素 α-Carbon

生理的なpH (pH7.4)ではカルボキシル基はCOO-として、

アミノ基はNH3+として存在している。

アミノ酸の電荷とpH

中性pH

C + H 3 N CH 3 H CO 2 H

低pH（酸性pH）

C H 2 N CH 3 H CO 2

-高pH（塩基性pH）

アラニン

正味の電荷

+1

正味の電荷

0

正味の電荷

–1

CO 2 -C + H 3 N CH 3 H 酸性の溶液ではカルボキシル基はCOOHでアミノ基はNH3+である。 アルカリの溶液ではカルボキシル基はCOO-でアミノ基はNH2である。

pKa=2.4

pKa=9.9

アミノ酸のpKa値

アミノ酸 α-COOH α-NH3+ アラニン 2.3 9.9 - アルギニン 1.8 9.0 12.5 アスパラギン 2.1 8.8 - アスパラギン酸 2.0 9.9 3.9 システイン 1.9 10.8 8.3 グルタミン 2.2 9.1 - グルタミン酸 2.1 9.5 4.2 グリシン 2.3 9.8 - ヒスチジン 1.8 9.3 6.0 イソロイシン 2.3 9.8 -

ほぼ２

ほぼ９

側鎖Rに解離基がない場合

+_H

3N-CHR-COOH +H3N-CHR-COO- H2N-CHR-COO -

K1 K2 C + H 3 N H R C O O -pK1 pK2 正味の電荷 +1 0 -1 正味の電荷 = 0 [+H3N-CHR-COOH] = [H2N-CHR-COO−] 正味の電荷 +1 -1

アミノ酸のイオン化状態

pH = pK1 + log pH = pK2 + log pH = pI [+H3N-CHR-COO−] [+H3N-CHR-COOH] [H2N-CHR-COO−] [+H3N-CHR-COO−] (1) (2) 2pI = pK1 + pK2 pI = (1/2) (pK1 + pK2) (1) + (2)

等電点 (pI) Isoelectric point：正味の電荷が０となるpH

pIは等イオン形の両側の２つの pKa値の中間のpHである。

側鎖の解離（電離）

酸 塩基 pKa (pK) アミノ酸側鎖 アスパラギン酸 グルタミン酸 C O O H C O O - ＋ H + 3.9/4.2 リシン

N H

₃

+

N H 2 ＋ H + 10.0 12.0 アルギニン N H C N H 2 + N H ₂ N H C N H N H₂ ＋ H +

C + H 3 N H C O O -C H 2 C O O -アスパラギン酸 pK1 2.0 pK2 3.9 pK3 9.9 低pH 中性pH 高pH 側鎖Rに解離基がある場合 +1 -1 -2 正味の電荷 0 +H3N C H COOH CH2 COOH +H3N C H COO- CH2 COOH +H3N C H COO- CH2 COO- H2N C H COO- CH2 COO- K1 K2 K3

アミノ酸のイオン化状態

アミノ酸のpKa値

アミノ酸 α-COOH α-NH3+ 側鎖 ロイシン 2.2 9.7 - リシン 2.2 9.2 10.8 メチオニン 2.1 9.3 - フェニルアラニン 2.2 9.2 - プロリン 2.9 10.6 - セリン 2.2 9.2 - トレオニン 2.1 9.1 - トリプトファン 2.4 9.4 - チロシン 2.2 9.1 10.1 バリン 2.3 9.7 -

C + H 3 N H ( C H 2 ) 4 C O O H N H 3 + C + H 3 N H ( C H 2 ) 4 C O O -N H 3 + C H ( C H 2 ) 4 C O O -H 2 N N H 2 リシン

低pH

中性pH

高pH

正味の電荷 +2 +1 -1

中性領域でのアミノ酸の電荷

アミノ酸の電気泳動

Gly, Glu, Lys

電気泳動 pH 7.0

グルタミン酸 Glu 3.2 pH > pI − グリシン Gly 6.0 pH = pI 0 リシン Lys 9.6 pH < pI +

pI 正味の電荷

Glu Gly Lys

1.酸と塩基

自由エネ ルギ ー ΔG≠ ΔG 反応軸 Reaction Coordinate ΔG：反応の自由エネルギー変化 ΔG≠_{：活性化自由エネルギー} 2H₂ + O₂ H₂O

反応の自由エネルギー変化と活性化自由エネルギー

ギブス自由エネルギー Gibbs free energy：G

ΔG < 0：過程は自発的に進む（自然におきる反応は負の値）

分子構造が固有のものとして持っている内部エネルギーに相当

2H₂ + O₂

2H₂O

G

ΔG≠ ΔG A + B C + D 反応軸 Reaction Coordinate ΔG：反応の自由エネルギー変化 ΔG≠_{：活性化自由エネルギー} A + B C + D 遷移状態 （活性化状態） （活性化状態） 遷移状態 A•••B

反応の自由エネルギー変化と活性化自由エネルギー

ギブス自由エネルギー Gibbs free energy：G

ΔG < 0：過程は自発的に進む

ΔG = 0 ：系は平衡状態にある（過程は止まっている）

反応速度に関与する 反応の自発性をきめる

G

ΔG≠ ΔG A + B C + D 反応軸 Reaction Coordinate ΔG：反応の自由エネルギー変化 ΔG≠_{：活性化自由エネルギー} 遷移状態 （活性化状態） 酵素存在下 ΔG≠ 酵素は ΔG を変えない，ΔG≠を変える． 反応速度はΔG に依存しない，ΔG≠_{に依存する．} 反応の自由エネルギー変化と活性化自由エネルギー ΔG≠_{が小さいほど（活性化エネルギーが低いほど）反応速度は速い．}

ヘキソキナーゼ Hexokinase

O H OH H OH OH H H HO H CH₂OH 1 2 3 4 5 6 O H OH H OH OH H H HO H CH₂OPO₃ 2-グルコース

Glucose Glucose 6-phosphate グルコース６-リン酸

解糖系の最初の反応

+ Pi

解糖系の一番最初のステップでグルコースはグルコース６リン

酸になる

G

ΔG≠ ΔG 反応軸 Reaction Coordinate ΔG：反応の自由エネルギー変化 ΔG≠_{：活性化自由エネルギー}

反応の自由エネルギー変化と活性化自由エネルギー

ギブス自由エネルギー Gibbs free energy：G

ΔG < 0：過程は自発的に進む ΔG >0 ：グルコースはグルコース６リン酸にはすすまない Pi + グルコース グルコース 6-リン酸 + H2O Pi + グルコース グルコース 6-リン酸 + H2O

+13.8

アデノシン三リン酸 Adenosine triphosphate ATP

CH₂ HO OH N N N N NH₂ O O P O O O P O O O -- _P O O O - -呼吸などの異化作用の過程で放出された遊離エネルギー を化学エネルギーとして蓄えた有機リン酸化合物。 ATPは細胞のエネルギー通貨

反応の自由エネルギー変化

∆G > 0 の反応をおこさせるには： ∆G < 0 の反応と組み合わせ、全体として ΔG < 0 となるようにする（共役） 例 ∆Go_{' (kJ･mol}–1₎ Pi + グルコース グルコース 6-リン酸 + H2O +13.8 ATP + グルコース ADP + グルコース 6-リン酸 -16.7 ATP + H2O ADP + Pi -30.5

化学的に共役した一連の反応の全ギブスエネルギー反応は

個々の過程のギブスエネルギー変化の総和に等しい

G

ΔG

反応軸 Reaction Coordinate

ΔG：反応の自由エネルギー変化

反応の自由エネルギー変化と活性化自由エネルギー

ギブス自由エネルギー Gibbs free energy：G

ΔG < 0：過程は自発的に進む ATP + Pi + グルコース グルコース 6-リン酸 + ADP Pi + ATP グルコース グルコース 6-リン酸 + ADP

-16.7

本日のまとめ

pKaは酸や塩基の相対的な強さをしめす。強酸の

pKaは低く、弱酸のpKaは高い。

ヘンダーソンハッセルバルヒの式を導き出す。

アミノ酸の電荷はpHにより異なる。

ギブス自由エネルギーが負の値のときのみ、その

反応は自発的に進行する。

1. 塩基はH+を受け取るものである 「 」 2. pHがpKaに等しいとき酸は５０％解離する 「 」 3. pKa=logKaである 「 」 4. 弱酸のpKaは低い 「 」 5. アミノ酸は水溶液中で酸としても塩基としても働く 「 」 6. カルボキシル基のpKaはおよそ９である 「 」 7. アスパラギン酸は中性で＋１の電荷をもつ 「 」 8. ギブスの自由エネルギー変化が正の値の場合のみその反応は 自発的にすすむ 「 」 9. 酵素は活性化自由エネルギーを増加させる働きをもつ 「 」 10. ATPを利用することで熱力学的に不利な反応も生体内でおこりえる 「 」 理解の確認のために