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高校の化学で緩衝作用について勉強したんですが、まだまだたくさん緩衝作用について分からないことがあるので教えてください。もしくは、関連のあるサイトを教えてください。これからの授業に役立てます。お願いします。
(1)緩衝液のpHの変化が小さいのはなぜか
(2)生体内の緩衝作用の意義とは?
(3)たんぱく質・アミノ酸がなぜ緩衝作用を持っているのか?

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A 回答 (3件)

1)について


たぶん勉強したと思うけど、
例えば酢酸と酢酸ナトリウムの緩衝溶液の場合そこに塩基を加えると、
CH3COOH + OH- → CH3COO- + H2O
CH3COO- + H+ → CH3COOH + H2O

上の反応式のように酢酸は塩基と反応し、酢酸イオンと水ができる。また酢酸イオンと酸は酢酸と塩基を形成し、水酸化物イオンと水素イオンを除去するため。そのpHは
pH=pKa-log[CH3COOH]/[CH3COO-]
となる。酸と塩との比の対数に依存するから、pHを1変えるために、10倍比率を変える必要がある。そのためpHは変化しにくい。

2)細胞、組織はそれらが浸っている液体の性質に極めて敏感であるので、生体内の環境を一定に保つ必要がある。血液またはその他の液体のpHは一定に保たれなければならない。そのために緩衝作用は重要な意味をもつ。
3)  ???
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1)補足すると、弱酸(酢酸、リン酸など)や弱塩基(トリスなど)を使うということがポイントです。



弱酸、弱塩基は電離度が低いので一部の分子しか電離していません。

弱酸緩衝液の場合は、酸が加わるとその分だけ、電離度が低い弱酸は未解離状態に戻ります。逆に塩基が加わるとその分だけ未解離だった分子が電離します。弱塩基緩衝液の場合は酸が加わると電離が進み、塩基が加わると未解離状態にもどります。こうして、酸や塩基が加えられても、水素イオン濃度が一定に保たれるのです。

強酸や強塩基のようなものでは、最初から100%電離しているので、緩衝作用はありません。

2)血液の緩衝作用をpHは炭酸バッファー、リン酸バッファーなどで担われていますが、病的な状態で酸性に偏ると(アシドーシス)、いろいろ全身症状が出るようです。神経活動の異常による痙攣やら意識障害なども。。。

酵素を考えるとわかると思いますが、タンパク質の内部でちゃんと電離すべきところは電離し、してはいけないところはしていない状態でなければ、正常に機能しません。そのためには緩衝液によって適当なpHを保つ必要があります。

3)アミノ酸は弱酸であるカルボキシル基、弱アミノ酸であるアミノ基をもっているので、緩衝作用をしめす条件を満たしています。ペプチド結合によりこれらは縮合してしまうので、タンパク質の緩衝作用は側鎖によるところが大きいでしょう。側鎖にもカルボン酸やアミンが多く見られます。
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(1)代表的な、酢酸と酢酸ナトリウムからなる緩衝溶液を考えてみるます。


溶液中には、CH3COOHとCH3COO-が含まれています。
酸を加えると  CH3COO- + H+ → CH3COOH
塩基を加えると CH3COOH + OH- → CH3COO- + H2O
の反応が起き、H+濃度、OH-濃度があまり変化しません。
つまり、pHがあまり変化しないということです。

(2)pHが大きく変動すると、たんぱく質の変性などが起こり、機能しなくなります。

(3)アミノ酸はアミノ基(NH2)とカルボキシル基(COOH)を持っています。
酸を加えると、アミノ基にH+がくっつき、NH3+となり
塩基を加えると、カルボキシル基からH+が取れて、COO-になります。
したがって、H+濃度、OH-濃度があまり変化しません。
たんぱく質にもアミノ基やカルボキシル基が多数ありますので、同様の作用を示します。
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