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

自由エネルギーについて理解する

1.酸と塩基

2. 代謝概要（反応速度について）

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） pH < pKa の時 [AH] > [A-]（非解離型優先）

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

CO2−

+H3N

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）

CH 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

+H3N-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 CO O H CO 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 CN H 2 +

N H 2N H C

N H

N H 2＋ H +

C+H 3 N

H

CO O -

CH 2C 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

2. 代謝概要（反応速度について）

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

水素がもえて水ができる

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

A + B C + D 遷移状態 （活性化状態）

遷移状態 （活性化状態） 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

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

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

HHO

H

CH2OH

1

23

4

5

6

O H

OH

H

OH

OH H

HHO

H

CH2OPO32-

グルコース Glucose

グルコース６-リン酸 Glucose 6-phosphate

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 PO

O

OPO

O O-

- PO

OO

- -

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