アミノ酸の構造的・化学的性質；pH・温度依存的性質

🧠 アミノ酸は「複数の弱酸 weak acid 弱酸（weak acid） weak acid（弱酸） の集まり」として、pKₐと電荷で読む。 各官能基 Group 官能基（Group） Group（官能基） （カルボキシル基carboxyl groupカルボキシル基（carboxyl group）carboxyl group（カルボキシル基）・アミノ基amino groupアミノ基（amino group）amino group（アミノ基）・側鎖）はそれぞれ固有のpKₐをもち、pHによってプロトン化 protonation プロトン化（protonation） protonation（プロトン化） 状態＝電荷が変わる。Henderson–Hasselbalch式Henderson-Hasselbalch equation Henderson–Hasselbalch式（Henderson-Hasselbalch equation）Henderson-Hasselbalch equation（Henderson–Hasselbalch式） で電荷を予測し、正味電荷ゼロになるpH（等電点isoelectric point, pI等電点（isoelectric point, pI）isoelectric point, pI（等電点） pI）と、緩衝作用buffering 緩衝作用（buffering）buffering（緩衝作用） を理解するのがこの回のゴール。

アミノ酸の酸塩基平衡

水溶液中で、アミノ酸のカルボキシル基 carboxyl group カルボキシル基（carboxyl group） carboxyl group（カルボキシル基） （−COOH）とアミノ基 amino group アミノ基（amino group） amino group（アミノ基） （−NH₃⁺）は、水との間で動的なプロトン平衡にある。プロトンを部分的に放出するため、これらは弱酸weak acid弱酸（weak acid）weak acid（弱酸）としてふるまう。

💡 α基のpKₐが側鎖の同種 homologous 同種（homologous） homologous（同種） の基より「強酸的（低い）」なのはなぜ？ αカルボキシル基 carboxyl group カルボキシル基（carboxyl group） carboxyl group（カルボキシル基） とαアミノ基 amino group アミノ基（amino group） amino group（アミノ基） は同じα炭素に隣り合い、互いに電子求引効果electron-withdrawing effect電子求引効果（electron-withdrawing effect）electron-withdrawing effect（電子求引効果）を及ぼし合うため、側鎖の同種 homologous 同種（homologous） homologous（同種） 基よりプロトンを放しやすい（pKₐが低い）。His側鎖のイミダゾール imidazole イミダゾール（imidazole） imidazole（イミダゾール） 基はアミノ基 amino group アミノ基（amino group） amino group（アミノ基） とは別種の弱塩基 weak bases 弱塩基（weak bases） weak bases（弱塩基） で、もともとpKₐが約6と低いので、この比較には当てはまらない。

側鎖による分類

側鎖に追加のプロトン化 protonation プロトン化（protonation） protonation（プロトン化） 基があるかで、アミノ酸を3群に分ける。

Henderson–Hasselbalch式と緩衝作用

各官能基 Group 官能基（Group） Group（官能基） について、pHと「脱プロトン型／プロトン型」の比は Henderson–Hasselbalch 式で表せる。

• [脱プロトン型] ＝ [プロトン型] のとき比は1、log(1)=0 なので pH = pKₐ。
• pHが pKₐ より1高ければ比は10：1（約91%が脱プロトン型）、1低ければ1：10。pHが pKₐ から2離れると約99%がどちらか一方の型になる。
• すなわち pKₐ は、その官能基 Group 官能基（Group） Group（官能基） が 50%脱プロトン・50%プロトンの状態になるpH。
• アミノ酸は pKₐ ± 1 の範囲で最大の緩衝能 buffer capacity 緩衝能（buffer capacity） buffer capacity（緩衝能） を示す。

⭐ ヒスチジンhistidine ヒスチジン（histidine）histidine（ヒスチジン） は生理的緩衝に寄与する。 His側鎖のpKₐが中性付近にあり、局所環境local environment 局所環境（local environment）local environment（局所環境） で変動するため、生体内in vivo 生体内（in vivo）in vivo（生体内） で緩衝に働きうる。ただしタンパク質の緩衝能 buffer capacity 緩衝能（buffer capacity） buffer capacity（緩衝能） はHisだけで決まらず、ほかのイオン化 ionization イオン化（ionization） ionization（イオン化） 残基や細胞内pH調節機構 regulatory mechanisms 調節機構（regulatory mechanisms） regulatory mechanisms（調節機構） も関与する。²

等電点

非常に低いpHではすべての基がプロトン化 protonation プロトン化（protonation） protonation（プロトン化） されて正味電荷は正、非常に高いpH（13以上）ではすべて脱プロトンされて負になる。その中間に、正味電荷がゼロになるpH＝等電点 isoelectric point, pI等電点（isoelectric point, pI） isoelectric point, pI（等電点）が必ず存在する。この状態の分子を 両性イオンzwitterion両性イオン（zwitterion）zwitterion（両性イオン） とよぶ。

💡 なぜ「正味電荷0の型をはさむ2つのpKₐ」を平均するのか。 pIは、正味電荷 ＋1 の型と −1 の型がちょうど同量ずつ存在して打ち消し合うpHである。電荷0の型を作る脱プロトンと、それを壊す脱プロトンの2段だけがpIを決めるので、その2つのpKₐの平均になる。

中性アミノ酸（グリシンなど）の解離は、酸塩基平衡acid-base balance 酸塩基平衡（acid-base balance）acid-base balance（酸塩基平衡） による非酵素的 non-enzymatic 非酵素的（non-enzymatic） non-enzymatic（非酵素的） なプロトンの授受で、次の3つの型を行き来する。

flowchart TD
  CAT["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cation'>陽イオン</span>型<br>H₃N⁺−CH(R)−COOH<br>正味電荷 ＋1（低pH）"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='non-enzymatic'>非酵素的</span>な解離（pK₁ ≈ 2）<br>−COOH → −COO⁻ ＋ H⁺"| ZW["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='zwitterion'>両性イオン</span><br>H₃N⁺−CH(R)−COO⁻<br>正味電荷 0（pI で最多）"]
  ZW -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='non-enzymatic'>非酵素的</span>な解離（pK₂ ≈ 9〜10）<br>−NH₃⁺ → −NH₂ ＋ H⁺"| AN["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='anion'>陰イオン</span>型<br>H₂N−CH(R)−COO⁻<br>正味電荷 −1（高pH）"]

滴定曲線

完全にプロトン化 protonation プロトン化（protonation） protonation（プロトン化） したアミノ酸を強塩基 strong base 強塩基（strong base） strong base（強塩基） （NaOHなど）で滴定 titration 滴定（titration） titration（滴定） すると、各解離基のpKₐが低い順にプロトンが引き抜かれる。したがって側鎖を含む実際の順序はアミノ酸ごとに異なる。³

滴定曲線titration 滴定曲線（titration）titration（滴定曲線） では、pKₐに当たる点で曲線が最も平らになり（加えた塩基に対してpHが動きにくい＝緩衝能 buffer capacity 緩衝能（buffer capacity） buffer capacity（緩衝能） が最大）、2つのpKₐの中間点（中性アミノ酸ではpI）で曲線が最も急になる。

pKₐの局所環境依存性

タンパク質中では、周囲の環境（極性相互作用・近くの電荷・疎水的な埋没など）が側鎖のpKₐを大きくずらしうる。特に酵素の活性部位 active site 活性部位（active site） active site（活性部位） では、極性相互作用によりpKₐが摂動 perturb 摂動（perturb） perturb（摂動） され、触媒に必要な特殊なプロトン化 protonation プロトン化（protonation） protonation（プロトン化） 状態が実現する。

まとめ

• アミノ酸の各官能基 Group 官能基（Group） Group（官能基） は固有のpKₐをもつ弱酸 weak acid 弱酸（weak acid） weak acid（弱酸） で、pHで電荷が変わる。
• α基のpKₐが側鎖より低いのは相互の電子求引効果 electron-withdrawing effect 電子求引効果（electron-withdrawing effect） electron-withdrawing effect（電子求引効果） による。
• pH = pKₐ で緩衝能 buffer capacity 緩衝能（buffer capacity） buffer capacity（緩衝能） が最大。His側鎖は中性付近のpKₐをもち、生理的緩衝に寄与する。
• pIは正味電荷ゼロのpH。中性＝pK₁とpK₂の平均、酸性・塩基性はそれぞれ酸性域・塩基性域。
• 滴定titration 滴定（titration）titration（滴定） でpKₐを決定でき、中性は2段階、酸性・塩基性は3段階。
• 活性部位active site 活性部位（active site）active site（活性部位） では局所環境 local environment 局所環境（local environment） local environment（局所環境） がpKₐを摂動 perturb 摂動（perturb） perturb（摂動） し、触媒に関わる。