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タンパク質科学実験メモ:van’t Hoff の式についてのメモ3題
けいはんな文化学術協会
高橋 克忠

(投稿日2008/5/26、再投稿日2008/5/30、受理日2008/5/30)

問題  解説1  解説2  解説3  PDF

1 緩衝液pHの温度依存性は何で決まるのでしょうか?
 生化学反応の実験には緩衝液が不可欠です。その際、室温で調製した緩衝液のpHが低温室に持ち込むと変わるというのは実験の基本として皆さんよく承知しておられる通りですね。ところで、これは単に経験的なものでなく、物理化学的な現象であり、温度によってどれだけ変化するかはきちんと理論的に予測できるものです。きわめて基礎的なサイエンスなのですが、意外と気付かずにおられる人もいるようなので、ちょっとメモしておきましょう。

 緩衝液のpHは良くご存知のように緩衝液組成のプロトン解離定数Kaによって決まり、pKaを中心に、±1ぐらいの範囲で緩衝能があるわけです。温度によってpHが変わるということはプロトン解離定数が温度によって変化することに由来しますが、これは平衡定数の温度依存性を示すvan’t Hoffの式で説明されます。

 いうまでもなく、van’t Hoffのプロットは平衡定数の対数を絶対温度の逆数に対してプロットするものですが、多くの場合、それは直線となり、その傾斜が −ΔH を与えます(注:本当は直線でなければならない理由はなくて、むしろ曲がるのが当たり前です)。緩衝液の場合にはpKaを絶対温度の逆数に対してプロットすれば、これが緩衝液組成のプロトン解離におけるvan’t Hoffプロットとなり、その傾斜から得られるΔH はpHの温度係数に相当するものになります。

 このように、緩衝液のpHが温度によって変化するのはvan’t Hoffの式によっています。とすれば、温度係数すなわち −ΔH の値が小さい緩衝液ほど、そのpHは温度による影響を受けません。具体的には酢酸緩衝液やリン酸緩衝液のプロトン解離のエンタルピー変化−ΔH はほとんどゼロなので、温度が変わってもpHはほとんど変化しません。逆にトリス緩衝液(tris(hydroxymethyl)aminomethane)のプロトン解離熱はΔH = 47.44 kJ mol-1(11.34 kcal mol-1) と非常に大きく、その結果、0℃と100℃の間では緩衝液としてのpH は2.4 pHユニットも違いがあります。

 生化学実験ではある種のリガンドやメタルと結合しないものとして設計されたグッド緩衝液(Good’s buffer)がよく用いられていますが、それらのpHの温度依存性はみんな異なります。こうした緩衝液pHの温度依存性は、主要なものについてきちんと示された論文がありますので(1)、まだご存知でない方は是非参考にして下さい。なお、この論文には各種緩衝液のpHにおける温度依存性が0℃〜100℃の範囲で5℃間隔で表にして記載されています。プロトン解離のΔH ならびにΔCpのカロリメトリーによる実測値を用いて計算したpHの温度依存性がやはり実測されたpHの温度依存性と良く一致することが示されています。

 

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