タンパク質の構成単位であるアミノ酸は、アミノ基とカルボキシ基の両方をもつ特異な化合物です。
双性イオン・等電点・電気泳動という概念は、生化学や医学の基礎でもあります。
20種類のアミノ酸の分類と、ニンヒドリン反応による検出までを体系的に学びましょう。
アミノ酸とは、分子内にアミノ基 -NH2 とカルボキシ基 -COOH を両方もつ化合物の総称です。タンパク質を構成するのは、同一の炭素原子（α炭素）にアミノ基とカルボキシ基が結合したα-アミノ酸です。
R は側鎖とよばれ、アミノ酸の種類によって異なります。グリシン（R = H）を除くすべての α-アミノ酸は不斉炭素原子をもち、鏡像異性体（L 型・D 型）が存在します。生体内のタンパク質を構成するのは、原則としてL 型のアミノ酸のみです。
体内でタンパク質を合成するために使われる α-アミノ酸は20種類あります。
| 名称 | 略号 | 側鎖 R | 分類 |
|---|---|---|---|
| グリシン | Gly | -H | 中性 |
| アラニン | Ala | -CH3 | 中性 |
| フェニルアラニン | Phe | -CH2C6H5 | 中性・芳香族 |
| チロシン | Tyr | -CH2-C6H4OH | 中性・芳香族 |
| グルタミン酸 | Glu | -(CH2)2COOH | 酸性 |
| アスパラギン酸 | Asp | -CH2COOH | 酸性 |
| リシン | Lys | -(CH2)4NH2 | 塩基性 |
| システイン | Cys | -CH2SH | 中性・硫黄含有 |
アミノ酸は分子内に酸性のカルボキシ基（-COOH）と塩基性のアミノ基（-NH2）をもちます。結晶状態では、カルボキシ基の H+ がアミノ基に移動し、H2N+-CH(R)-COO- のような形をとる。分子内に正と負の両電荷を同時にもつこのイオンを双性イオン（両性イオン）といいます。
双性イオン構造のため、アミノ酸の結晶は同程度の分子量のカルボン酸やアミンに比べて融点が高く、水に溶けやすく、有機溶媒には溶けにくい。
アミノ酸の水溶液中のイオン形は pH によって変化します。
| pH 条件 | イオン形 | 電気泳動での移動方向 |
|---|---|---|
| 酸性水溶液（低 pH） | 陽イオン +H3N-CH(R)-COOH | 陰極側に移動 |
| 等電点（特定の pH） | 双性イオン +H3N-CH(R)-COO- | 移動しない |
| 塩基性水溶液（高 pH） | 陰イオン H2N-CH(R)-COO- | 陽極側に移動 |
正の電荷と負の電荷がつり合い、全体の電荷の総和が 0 になるときの pH を等電点といいます。等電点ではほとんどのアミノ酸分子が双性イオンの形で存在します。
アミノ酸の水溶液を一定の pH のろ紙に乗せて電圧をかけると、アミノ酸のイオン形に応じて移動する。この操作を電気泳動といいます。等電点では双性イオンが主体のため移動しません。等電点より pH を下げると陽イオンになって陰極へ移動し、pH を上げると陰イオンになって陽極へ移動する。
等電点よりも溶液の pH が低い（酸性が強い）→ アミノ基に H+ が結合して正電荷が強まる → 陽イオンになり陰極へ移動。等電点よりも pH が高い（塩基性が強い）→ カルボキシ基が H+ を放出して負電荷が強まる → 陰イオンになり陽極へ移動。この「等電点を基準に上か下か」を軸に整理すること。
| 分類 | 側鎖の特徴 | 等電点 | 例 |
|---|---|---|---|
| 中性アミノ酸 | 側鎖に -COOH も -NH2 もない | pH 約 6 | グリシン、アラニン、フェニルアラニン |
| 酸性アミノ酸 | 側鎖に -COOH をもつ | pH 約 3（酸性側） | グルタミン酸、アスパラギン酸 |
| 塩基性アミノ酸 | 側鎖に -NH2（またはグアニジノ基等）をもつ | pH 約 10（塩基性側） | リシン、アルギニン、ヒスチジン |
ヒトの体内で合成できず、食物から摂取しなければならないアミノ酸を必須アミノ酸といいます。成人では9種類あります。
バリン・ロイシン・イソロイシン・フェニルアラニン・トリプトファン・メチオニン・トレオニン（スレオニン）・リシン（リジン）・ヒスチジン
※必須アミノ酸の種類は高校範囲で問われることがあります。「9種類」という数字を押さえておく。
アミノ酸の水溶液にニンヒドリン溶液を加えて温めると、アミノ基 -NH2 と反応して赤紫色〜青紫色に呈色します。この反応をニンヒドリン反応といい、アミノ酸の検出に利用されます。
「ニンヒドリン反応はアミノ酸の検出」と覚えがちだが、タンパク質でもアミノ基をもつアミノ酸残基が側鎖にある場合に呈色します。一方、ビウレット反応はペプチド結合が2個以上ある（トリペプチド以上）ことが条件で、アミノ酸単体では起こりません。両者を混同しないこと。
Q1. α-アミノ酸の一般構造式を示し、側鎖 R の役割を説明せよ。
Q2. グルタミン酸の等電点は pH 約 3.2 です。pH 7 の水溶液中でグルタミン酸はどのようなイオン形で存在し、電気泳動ではどちらの極へ移動するか。
Q3. アミノ酸の結晶が同程度の分子量の有機化合物より融点が高い理由を述べよ。
Q4. ニンヒドリン反応で呈色するのはどのような官能基をもつ化合物か。
アミノ酸に関する記述として正しいものを、次の①〜⑤からすべて選べ。
①③⑤
②が誤り：グリシン（R = H）は α 炭素に同じ原子（H）が2つ結合するため、不斉炭素原子をもちません。④が誤り：等電点では双性イオンとして存在し、電気泳動では移動しません。①③⑤は正しい。
アラニン（中性アミノ酸、等電点 pH 6.0）の水溶液について答えよ。
(1) pH 2 の水溶液中でのアラニンのイオン形の構造式を示せ。
(2) pH 2、pH 6、pH 10 のそれぞれの緩衝液に溶かしたアラニンに対して電気泳動を行った。それぞれの条件でアラニンが移動する方向（陽極・陰極・移動しない）を答えよ。
(1) +H3N-CH(CH3)-COOH（陽イオン形）
(2) pH 2：等電点より低い → 陽イオン → 陰極側へ移動 pH 6：等電点 → 双性イオン → 移動しない pH 10：等電点より高い → 陰イオン → 陽極側へ移動
電気泳動の移動方向は「等電点より pH が低い = 陽イオン = 陰極へ」「等電点より pH が高い = 陰イオン = 陽極へ」の2パターンで整理できます。陽極（+極）には陰イオン（-）が引き付けられ、陰極（-極）には陽イオン（+）が引き付けられると覚えると間違えません。
グルタミン酸（酸性アミノ酸、側鎖に -CH2CH2COOH をもつ）は等電点が pH 約 3.2 です。
(1) グルタミン酸が酸性アミノ酸に分類される理由を述べよ。
(2) グルタミン酸の等電点が中性アミノ酸（pH 約 6）より低い理由を、電荷の観点から述べよ。
(3) グルタミン酸ナトリウムはうま味調味料として知られます。この塩は水溶液中でどのように電離するか。グルタミン酸（酸性アミノ酸）の性質と関連づけて述べよ。
(1) 側鎖に -COOH（カルボキシ基）をもつため、分子全体として酸性基が塩基性基より多く、水溶液は酸性を示します。
(2) グルタミン酸は側鎖にも -COOH をもつため、中性アミノ酸より負電荷が生じやすい。正負の電荷をつり合わせるには、より酸性側（低 pH = H+ 濃度が高い環境）でアミノ基に H+ を引き付けて正電荷を補う必要があるため、等電点が低くなる。
(3) グルタミン酸ナトリウムは水溶液中でグルタミン酸イオン（陰イオン）と Na+ に電離します。グルタミン酸は酸性アミノ酸であり弱酸に相当するため、その塩は弱酸強塩基の塩として水溶液が弱アルカリ性を示します。
(2) が本質。等電点は「全電荷 = 0」になる pH。側鎖に余分な -COOH があると、その分の負電荷を相殺するために正電荷（-NH3+）が必要となり、より強い酸性条件（低 pH）でないとバランスが取れません。塩基性アミノ酸（側鎖に -NH2）はその逆で、等電点が高 pH 側になります。