アミノ酸の性質と等電点

同じ炭素原子にアミノ基とカルボキシ基が結合しているアミノ酸を $\alpha$-アミノ酸 といい、一般式は $\mathrm{R}-\mathrm{CH}(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2)-\mathrm{COOH}$ と表せます（R を側鎖といい、R の違いでアミノ酸の種類が決まります。R が H のものがグリシンです）。カルボキシ基は ${\mathrm{H}}^{+}$ を放出しやすく（ブレンステッド・ローリーの酸）、アミノ基は ${\mathrm{H}}^{+}$ を受け取りやすい（塩基）ので、分子の中で ${\mathrm{H}}^{+}$ が移り、$\mathrm{R}-\mathrm{CH}(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3^{+})-\mathrm{CO}{\mathrm{O}}^{-}$ という、1 つの分子の中に正電荷と負電荷を両方もつイオンになります。これを双性イオンといいます。結晶中のアミノ酸は双性イオンどうしが静電気的な力で強く引き合っているので、同じくらいの分子量の分子からなる有機化合物に比べて融点が高く（加熱すると融解する前に分解するものが多い）、水に溶けやすく有機溶媒には溶けにくい、という性質を示します。

水溶液の pH を変えると、イオンの形が変わります。酸性にして $[{\mathrm{H}}^{+}]$ を大きくすると、$-\mathrm{CO}{\mathrm{O}}^{-}$ が ${\mathrm{H}}^{+}$ を受け取って $-\mathrm{COOH}$ になり、全体として正に帯電した陽イオン $\mathrm{R}-\mathrm{CH}(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3^{+})-\mathrm{COOH}$ が多くなります。逆に塩基性にして $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$ を加えると、$-\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3^{+}$ が ${\mathrm{H}}^{+}$ を失って $-\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2$ になり、負に帯電した陰イオン $\mathrm{R}-\mathrm{CH}(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2)-\mathrm{CO}{\mathrm{O}}^{-}$ が多くなります。こうして、水溶液中では陽イオン・双性イオン・陰イオンが平衡状態で混ざり、その割合が pH によって変わります。

陽イオンと陰イオンの電荷がちょうど打ち消し合い、アミノ酸全体の電荷の合計が 0 になる pH を等電点といいます。等電点では、水溶液に電極を入れて電圧をかけても、アミノ酸は陽極にも陰極にも移動しません。中性アミノ酸（側鎖に酸性・塩基性の基をもたないもの、例: グリシン）の等電点は 6 付近です。側鎖にもカルボキシ基をもつ酸性アミノ酸（例: グルタミン酸）では、側鎖の $-\mathrm{COOH}$ まで $-\mathrm{CO}{\mathrm{O}}^{-}$ になると負の電荷が余ってしまいます。そこで、水溶液中の ${\mathrm{H}}^{+}$ が多い酸性側の pH にして、側鎖の $-\mathrm{COOH}$ が $-\mathrm{CO}{\mathrm{O}}^{-}$ にならないようにしたところで、電荷の合計が 0 になります。そのため等電点は酸性側（3 付近）にずれます。側鎖にもアミノ基をもつ塩基性アミノ酸（例: リシン）では逆に、側鎖の $-\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3^{+}$ の分だけ正の電荷が余るので、${\mathrm{H}}^{+}$ が少ない塩基性側の pH にして側鎖の $-\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3^{+}$ が $-\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2$ になったところで電荷の合計が 0 になります。そのため等電点は塩基性側（10 付近）にずれます。また、アミノ酸の水溶液にニンヒドリン水溶液を加えて温めると、アミノ基と反応して赤紫〜青紫色を呈します（ニンヒドリン反応）。これはアミノ酸やタンパク質の検出に使われます。