酸と塩基・代謝概要

平成３０年４月１２日

病態生化学分野教授（生化学２）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（ヘンダーソン・ハッセルバルヒの式）

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

平衡定数

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は小さ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] 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）

ヘンダーソン・ハッセルバルヒの臨床的意義

重炭酸イオン緩衝系:

生体内では重炭酸イオン緩衝系が働いている（緩衝とはpHの変化に抵抗する力のこと）。そのため血液のpHは極めて狭い範囲（7.35-7.45）に維持されている。

H+ + HCO3- H2CO3 H２O + CO2

pH = pKa + log [HCO3

–]

[H2CO3] = 6.1 + log

0.3paCO2

[HCO3-]

37度でpKa=6.1。[H2CO3]は動脈血中の二酸化炭素分圧paCO2に比例し、

[H2CO3]=0.3paCO2の関係がある。したがって

ヘンダーソン・ハッセルバルヒの臨床的意義

pH = pKa + log [HCO3

–]

[H2CO3] = 6.1 + log

0.3pCO2

[HCO3-]

腎不全（代謝性アシドーシス）①腎臓に障害があり、体内に酸（Ｈ＋）がたまる（アシデミア＝酸性、pHが低下する）。②重炭酸イオンはＨ＋と反応し、消費され低下する（緩衝応答）。③さらに脳の呼吸中枢がpHの変動を感知し、肺で換気がたかまり、paCO2が低下する（呼吸性代償）。④その結果、pHの低下が改善する。

採血で測定

pH = 6.1 + log0.3paCO2

[HCO3-]

H+ + HCO3- H2CO3 H２O + CO2

① ②

～ ③④

肺疾患（呼吸性アシドーシス）①肺に障害があり、炭酸ガス（pCO2）がたまる。②pCO2が上昇するので、プロトンが生成される方向に動く（H+が増加し、pHが低下する）。③腎臓でHCO3の吸収の増加がおきる。その結果、血中HCO3が増加する。④その結果、低下していたpHが上昇する（代償過程）。

pH = 6.1 + log0.3paCO2

[HCO3-]

H+ + HCO3- H2CO3 H２O + CO2

①

② ～ ③

④

ヘンダーソン・ハッセルバルヒの具体例

pH = pKa + log [HCO3

–]

[H2CO3] = 6.1 + log

0.3paCO2

[HCO3-]

[HCO3-]正常値 24mEq/LpaCO2正常値 40mmHg

pH正常値 7.35-7.45

ある患者さんの検査結果

pH=7.3, PaCO2 =25 mmHg, HCO3- =12 mEq/l

この患者さんの病態は？

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２pH4, 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３pH7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

HC

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

C H 3

H

C O 2 H

低pH（酸性pH）

CH 2 N

C H 3

H

C O 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

C O 2-C+ H 3 N

C H 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 H 2

＋ 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

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

pKa1=2.2, pKa2=9.2, pKa3=10.8

pKa1 pKa2, 3

アミノ酸の電気泳動

Gly, Glu, Lys

電気泳動 pH 7.0

+ -

Gly, Glu, Lysの移動後の位置はどこか？

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

GΔG≠

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

H

HO

H

CH2OH

1

23

4

5

6

O H

OH

H

OH

OH H

H

HO

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 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

GΔG

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。

ヘンダーソンハッセルバルヒの式を導くことができる。

血液の酸性・アルカリ性の病態が把握できる。

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は小さい値をとる 「 」

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. アミノ酸のカルボキシル基の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