Biochemistry · 1/2
アミノ酸の構造的・化学的性質；pH・温度依存的性質
Structural and chemical characteristics of amino acids; pH- and temperature-dependent properties — S I
🧠 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 equationHenderson–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。
| 官能基Group官能基（Group）Group（官能基） | 英語 | 典型的pKₐ |
|---|---|---|
| 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） | α-carboxyl（pK₁） | 約2 |
| α-アミノ基amino groupアミノ基（amino group）amino group（アミノ基） | α-amino（pK₂） | 約10 |
| Asp/Glu 側鎖カルボキシル | side-chain carboxyl | pK₁より高い（約4） |
| Lys/Arg 側鎖アミノ・グアニジノ | side-chain amino/guanidino | pK₂より高い（約10〜12） |
| His 側鎖イミダゾールimidazoleイミダゾール（imidazole）imidazole（イミダゾール） | side-chain imidazole | 約6（生理的pHに近い） |
💡 α基のpKₐが側鎖より「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（pKₐ≈6）はこの傾向の例外。
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。
| 分類 | 英語 | 側鎖の追加基 | 例 |
|---|---|---|---|
| 中性 | “neutral” amino acids | なし | 大多数のアミノ酸 |
| 酸性 | acidic amino acids | 追加のカルボキシル基carboxyl groupカルボキシル基（carboxyl group）carboxyl group（カルボキシル基） | Asp, Glu |
| 塩基性 | basic amino acids | アミノ／グアニジノ／イミダゾールimidazoleイミダゾール（imidazole）imidazole（イミダゾール） | Lys, Arg, His |
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。
- 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）は生理的緩衝剤。 His側鎖のpKₐ（≈6）が生理的pH（7.4）に近いため、生体内in vivo生体内（in vivo）in vivo（生体内）でHisは緩衝剤として働く。実際、細胞内でタンパク質が緩衝能buffer capacity緩衝能（buffer capacity）buffer capacity（緩衝能）をもつのは、まさにそのHis含量による。
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。
| アミノ酸の型 | pIの求め方 |
|---|---|
| 中性アミノ酸 | pK₁ と pK₂ の算術平均 |
| 酸性アミノ酸Asp, Glu酸性アミノ酸（Asp, Glu）Asp, Glu（酸性アミノ酸） | 2つのカルボキシル pKₐ の平均（酸性域） |
| 塩基性アミノ酸basic amino acid塩基性アミノ酸（basic amino acid）basic amino acid（塩基性アミノ酸） | 2つの塩基性 pKₐ の平均（塩基性域） |
flowchart TD
A["低pH：全基<span class='jp-term jp-term-diagram' title='protonation'>プロトン化</span><br>正味電荷 ＋"]
A --> B["pHを上げる<br>−COOHが先に脱プロトン"]
B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='isoelectric point, pI'>等電点</span> pI<br>正味電荷 0（zwitterion）"]
C --> D["さらにpH上昇<br>−NH₃⁺が脱プロトン"]
D --> E["高pH：全基脱プロトン<br>正味電荷 −"]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、pKₐの低い順にプロトンが順次引き抜かれる（−COOH → −NH₃⁺ → 側鎖 の順など）。
| アミノ酸 | プロトン供与基の数 | 滴定titration滴定（titration）titration（滴定）段階 | 明らかになるpKₐ |
|---|---|---|---|
| 中性（二プロトン性diprotic二プロトン性（diprotic）diprotic（二プロトン性）、diprotic） | 2 | 2段階 | pK₁, pK₂ |
| 酸性・塩基性（三プロトン性triprotic三プロトン性（triprotic）triprotic（三プロトン性）、triprotic） | 3 | 3段階 | pK₁, pK₂, pK_R |
pKₐの局所環境依存性
タンパク質中では、周囲の環境（polar interactions 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（pKₐ≈6）は生理的緩衝剤。
- 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。