はじめに

アミノ酸の等電点について詳しく説明できる人は意外と少ない。このページではアミノ酸の電離平衡から中性アミノ酸・酸性アミノ酸・塩基性アミノ酸の等電点、等電点絡みの計算問題の解き方まで一から丁寧に解説していく。是非この機会にアミノ酸の等電点をマスターしてライバルに差をつけよう!


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等電点とは

双性イオンとは?定義から特徴、酸・塩基との反応まで解説!でやったように、アミノ酸が持つ電荷は溶液のpHによって変化する。アミノ酸の持つ正の電荷と負の電荷が釣り合ってアミノ酸全体として電荷を持たないpHのことをそのアミノ酸の等電点という。

等電点では、ほぼ全てのアミノ酸が双性イオンになっており、少しだけ存在する陽イオンと陰イオンの数が等しく、全体で電荷は0になっている。


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等電点一覧

代表的なアミノ酸の等電点は以下の通り。ただし、大学入試では中性アミノ酸の等電点は約6、酸性アミノ酸の等電点は約3、塩基性アミノ酸の等電点は約10と覚えていれば問題ない。

中性アミノ酸

アミノ酸 等電点
グリシン 5.97
アラニン 6.00
セリン 5.68
フェニルアラニン 5.48
チロシン 5.66
システイン 5.07
メチオニン 5.74

酸性アミノ酸

アミノ酸 等電点
アスパラギン酸 2.77
グルタミン酸 3.22

塩基性アミノ酸

アミノ酸 等電点
リシン 9.74

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酸性・塩基性アミノ酸の等電点

酸性アミノ酸の等電点が酸性側に、塩基性アミノ酸の等電点が塩基性側に偏る理由について考えていこう。

酸性アミノ酸の等電点

酸性アミノ酸はカルボキシ基を余分に持っている。

このカルボキシ基の電離を考えると…

等電点ではほとんどのイオンが双性イオンになっているので溶液中のH+濃度を大きくして(ルシャトリエの原理により)平衡を左に移動させた点が等電点となる。

従って、酸性アミノ酸の等電点は酸性側に偏る。

塩基性アミノ酸の等電点

塩基性アミノ酸はアミノ基を余分に持っている。

このアミノ基の電離を考えると…

等電点ではほとんどのイオンが双性イオンになっているので、溶液中のOH濃度を大きくして(ルシャトリエの原理により)平衡を左に移動させた点が等電点となる。

従って、塩基性アミノ酸の等電点は塩基性側に偏る。

アミノ酸の分離

等電点の違いによりアミノ酸の混合物を分離することができる。中性アミノ酸であるアラニン、酸性アミノ酸であるアスパラギン酸、塩基性アミノ酸であるリシンが入った中性の溶液を電気泳動すると次のようになる。

溶液のpHが等電点と等しいアラニンは電荷を持たないため移動しない。それに対して、溶液のpHが等電点より大きいアスパラギン酸は負電荷を持つため陽極に、溶液のpHが等電点より小さいリシンは正電荷を持つため陰極に移動する。

アミノ酸の電気泳動について詳しくは電気泳動とは?原理や中性/酸性/塩基性アミノ酸の移動方向について解説!を確認しよう。


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等電点の求め方

双性イオンとは?定義から特徴、酸・塩基との反応まで解説!でやったように、アミノ酸は溶液中で陽イオン・双性イオン・陰イオンが平衡状態になっている。平衡定数と等電点の関係を使った計算問題は入試頻出なのでここでしっかり確認しておこう!

問題

中性アミノ酸であるアラニンは水溶液中で次のような電離平衡状態にある。
\[
\underbrace{ H_{3}N^{+}-CH_{2}-COOH }_{ A^{+} } \overset{K_{1}}{\rightleftarrows}\underbrace{ H_{3}N^{+}-CH_{2}-COO^{-} }_{ B }+H^{+} \\
\underbrace{ H_{3}N^{+}-CH_{2}-COO^{-} }_{ B }\overset{K_{2}}{\rightleftarrows}\underbrace{ H_{2}N-CH_{2}-COO^{-} }_{ C }+H^{+}
\]
アラニンの等電点を求めなさい。ただし、K1=1.0×10-2.3(mol/L)、K2=1.0×10-9.7(mol/L)とする。

まずは上の式。

\[
A^{+} \overset{K_{1}}{\rightleftarrows} B+H^{+}
\]

この式より、電離定数K1は次のように表すことができる。

\[
K_{1}=\frac{ [B][H^{+}] }{ [A^{+}] }・・・①
\]

次に下の式。

\[
B \overset{K_{2}}{\rightleftarrows} C^{-}+H^{+}
\]

この式より、電離定数K2は次のように表すことができる。

\[
K_{2}=\frac{ [C^{-}][H^{+}] }{ [B] }・・・②
\]

このとき、①式×②式より

\[
K_{1}×K_{2}
=\frac{ \cancel{[B]} [H^{+}] }{ [A^{+}] } × \frac{ [C^{-}][H^{+}] }{ \cancel{[B]} }\\
\leftrightarrow K_{1}K_{2}=[H^{+}]^{2}×\frac{ [A^{-}]}{ [A^{+}] }
\]

等電点では[A]=[A+]なので

\[
K_{1}K_{2}=[H^{+}]^{2}\\
\leftrightarrow [H^{+}]= \sqrt{ K_{1}K_{2} }
\]

問題文で与えられているK1及びK2の値を代入すると…

\[
\begin{align}
[H^{+}]&= \sqrt{ K_{1}K_{2} }\\
&=\sqrt{ 10^{-2.3}×10^{-9.7} }\\
&=10^{-6.0}
\end{align}
\]

よって、pH計算の公式を用いると…

\[
\mathtt{
\begin{align} pH&=-log([H^{+}]) \\
&= -log10^{-6.0} \\
&= 6.0
\end{align}
}
\]

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