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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
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