松廼屋｜論点解説　薬剤師国家試験対策ノート問106-095【物理】論点：アミノ酸 / 両性化合物のpKaと等電点（pI）

2024年9月13日 21:09

第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 /
問95

一般問題（薬学理論問題）【物理】

問106-095
Q. アミノ酸は両性化合物であり、その等電点(pI)と電荷はイオン交換クロマトグラフィーや等電点電気泳動における分離挙動を決定する因子となる。下に3つのアミノ酸の構造式とpKa値を示す。これらのアミノ酸の等電点と電荷に関する記述のうち、正しいのはどれか。2つ選べ。

選択肢｜

1. アミノ酸ＡのpIは、約5.98である。
2. アミノ酸ＢのpIは、約5.61である。
3. アミノ酸Ａは、pH2.33の緩衝液中では負電荷を持つ。
4. アミノ酸Ｂは、pH5.61の緩衝液中では正電荷を持つ。
5. アミノ酸Ｃは、pH3.22の緩衝液中では正電荷を持つ。

こんにちは！薬学生の皆さん。
Mats & BLNtです。

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苦手意識がある人も、この機会に、薬学理論問題【物理】を一緒に完全攻略しよう！
今回は、第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 / 問95、アミノ酸 / 両性化合物のpKaと等電点（pI）を徹底解説します。

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松廼屋｜論点解説　薬剤師国家試験対策ノート問106-095【物理】論点：アミノ酸 / 両性化合物のpKaと等電点（pI）

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設問へのアプローチ｜

第106回薬剤師国家試験の問95（問106-095）では、アミノ酸 / 両性化合物のpKaと等電点（pI）に関する知識を問われました。

pKaと等電点😭🤣

でも、ここで焦ってはいけません。

大丈夫です。

まず、基本的なところを復習しておきましょう。

■■GPT4o

アミノ酸の等電点と電荷について

1. 両性電解質の性質：

アミノ酸は、カルボキシル基（酸性）とアミノ基（塩基性）を持つ両性電解質です。
これにより、アミノ酸は酸性・塩基性の溶液中でそれぞれ異なる形態（プロトン化/脱プロトン化）を取ります。
pHが低い環境では、アミノ酸は全体的にプロトン化されて正電荷(+)を帯び、pHが高い環境では脱プロトン化されて負電荷(-)を持ちます。

2. 等電点（pI）の概念：

アミノ酸の等電点 (pI) は、その分子全体が電荷を持たないpHのことです。
等電点ではアミノ酸は中性であり、電気泳動などでは移動しません。
pIは、非極性アミノ酸ではカルボキシル基（pKa1）とアミノ基（pKa2）のpKaの平均として求められますが、側鎖に酸性または塩基性の基がある場合、そのpKa値（pKR）も考慮に入れる必要があります。

3. pKaの役割：

pKa1:
アミノ酸のカルボキシル基に対応し、pHがこれより低い場合はプロトン化（-COOH）、高い場合は脱プロトン化（-COO−）されます。
pKa2:
アミノ基に対応し、pHがこれより低い場合はプロトン化（-NH3+）、高い場合は脱プロトン化（-NH2）されます。
pKR:
側鎖に酸性または塩基性基がある場合のpKaです。
このpKaもそのアミノ酸の電荷に重要な影響を与えます。

楽勝です！

論点整理をしておきましょう。

■■GPT4o

この問題では、アミノ酸の等電点 (pI) と、特定のpHでの電荷に関する理解が求められています。
アミノ酸の等電点 (pI) は、アミノ酸が全体として電荷を持たない中性点のpHを指します。
アミノ酸は一般的に、カルボキシル基とアミノ基のpKa値を持ち、さらに側鎖に酸性または塩基性基がある場合、そのpKa値も考慮されます。

総合的な論点

等電点の計算方法：
- 等電点は、アミノ酸が全体として電荷を持たないpHです。
  これは、酸性基（カルボキシ基）のpKa1と塩基性基（アミノ基または側鎖）のpKa2の平均値から求められます。
- 例えば、酸性アミノ酸ではpKa1とpKa2の平均、塩基性アミノ酸ではpKa2とpKRの平均を用います。
pH環境における電荷：
- pHが低いとき、アミノ酸はプロトン化され、正電荷を持ちます。
  逆に、pHが高いときには脱プロトン化され、負電荷を持つようになります。中間pHは等電点に相当し、全体として電荷がゼロになります。

各アミノ酸の等電点

選択肢1
アミノ酸A：
側鎖に酸性または塩基性基がないため、pIはカルボキシル基とアミノ基のpKaの平均から求めます。
- pI = (pKa1 + pKa2) / 2 = (2.36 + 9.60) / 2 = 5.98

選択肢2
アミノ酸B：
側鎖が塩基性であり、pKRがあります。塩基性アミノ酸のpIは、pKa2とpKRの平均で求めます。
- pI = (pKa2 + pKR) / 2 = (9.04 + 12.48) / 2 = 10.76

選択肢5
アミノ酸C：
側鎖が酸性であり、pKRがあります。酸性アミノ酸のpIは、pKa1とpKRの平均で求めます。
- pI = (pKa1 + pKR) / 2 = (2.19 + 4.25) / 2 = 3.22

pH条件下での電荷

選択肢3
アミノ酸A（pH 2.33）：
pH 2.33 < pI 5.98　正電荷をもつ。
選択肢4
アミノ酸B（pH 5.61）：
pH 5.61 < pI 10.76　正電荷をもつ。
選択肢5
アミノ酸B（pH 3.22）：
pH 3.22 = pI 3.22　電荷がゼロになる。

はじめましょう。

薬剤師国家試験の薬学理論問題【物理】からアミノ酸 / 両性化合物のpKaと等電点（pI）を論点とした問題です。

なお、以下の解説は、著者（Yukiho Takizawa, PhD）がプロンプトを作成して、その対話に応答する形でGPT4o & Copilot 、Gemini 1.5 Pro、またはGrok 2 (beta) が出力した文章であって、著者がすべての出力を校閲しています。

生成AIの製造元がはっきりと宣言しているように、生成AIは、その自然言語能力および取得している情報の現在の限界やプラットフォーム上のインターフェースのレイト制限などに起因して、間違った文章を作成してしまう場合があります。
疑問点に関しては、必要に応じて、ご自身でご確認をするようにしてください。

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Here we go.

第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 /
問95

一般問題（薬学理論問題）【物理】

選択肢｜

■■GPT4o

物理｜問 106-095

■論点｜アミノ酸 / 両性化合物のpKaと等電点（pI）

この問題の論点は、アミノ酸の等電点 (pI)および特定のpHでの電荷を特定することです。

■解説1｜

アミノ酸AのpIは、約5.98である。（選択肢1）[正しい]

アミノ酸Aの等電点 (pI) を計算するためには、アミノ酸のpKa1とpKa2の平均を取ります。アミノ酸Aの構造には側鎖に酸性基または塩基性基がないため、カルボキシル基とアミノ基のpKaのみを用いて等電点を求めます。

pKa1 (カルボキシル基) = 2.36
pKa2 (アミノ基) = 9.60

等電点の計算式は以下の通りです。

pI = (pKa1 + pKa2) / 2 = (2.36 + 9.60) / 2 = 5.98

よって、アミノ酸AのpIは約5.98となります。この値は選択肢1と一致するため、正しいです。

アミノ酸BのpIは、約5.61である。（選択肢2）[誤り]

アミノ酸Bには側鎖に塩基性基が存在するため、等電点 (pI) の計算にはpKa1、pKa2に加えてpKR（側鎖のpKa）も考慮する必要があります。
塩基性アミノ酸の場合、pIはアミノ基のpKa2と側鎖のpKRの平均で計算します。

pKa2 (アミノ基) = 9.04
pKR (側鎖) = 12.48

等電点の計算式は以下の通りです。

pI = (pKa2 + pKR) / 2 = (9.04 + 12.48) / 2 = 10.76

よって、アミノ酸BのpIは約10.76となり、選択肢2の約5.61は誤りです。

■解説2｜

選択肢3
アミノ酸A（pH 2.33）：
pH 2.33 < pI 5.98　正電荷をもつ。
選択肢4
アミノ酸B（pH 5.61）：
pH 5.61 < pI 10.76　正電荷をもつ。
選択肢5
アミノ酸B（pH 3.22）：
pH 3.22 = pI 3.22　電荷がゼロになる。

上記のように、pHとpIとの比較で、正電荷をもつか、負電荷をもつか、電荷がゼロになるかは判断できます。ここは覚えたほうが早いです。
下記は、より詳細なアプローチ方法です。

アミノ酸Aは、pH2.33の緩衝液中では負電荷を持つ。（選択肢3）[誤り]

アミノ酸AのpKa1は2.36であり、pKa2は9.60です。
pH 2.33の条件下では、このpHはpKa1（カルボキシル基）の近くにあり、カルボキシル基はほとんどプロトン化された状態（中性）になっています。

pH < pKa1 のとき、カルボキシル基は主にプロトン化（COOH）されており、電荷は中性です。
アミノ基（pKa2 = 9.60）はpH 2.33では完全にプロトン化されており、正電荷を持ちます。

したがって、pH 2.33ではアミノ酸Aの全体的な電荷は正電荷を帯びているはずです。選択肢3の「負電荷を持つ」は誤りです。

アミノ酸Bは、pH5.61の緩衝液中では正電荷を持つ。（選択肢4）[正しい]

アミノ酸Bは塩基性の側鎖を持っています。pH5.61の環境では、次のpKa値を考慮します。

pKa1 (カルボキシル基) = 2.17
pKa2 (アミノ基) = 9.04
pKR (側鎖) = 12.48

pH5.61はカルボキシル基のpKa1よりも高いため、カルボキシル基は脱プロトン化されて負電荷を持ちます。
一方、アミノ基（pKa2）と側鎖（pKR）はプロトン化されているため、正電荷を持ちます。
したがって、全体の電荷は正電荷となり、選択肢4は正しいです。

アミノ酸Cは、pH3.22の緩衝液中では正電荷を持つ。（選択肢5）[誤り]

アミノ酸Cは酸性の側鎖を持っています。pKa値は以下の通りです。

pKa1 (カルボキシル基) = 2.19
pKa2 (アミノ基) = 9.67
pKR (側鎖) = 4.25

pH3.22はpKa1とpKRの間にあります。
この場合、カルボキシル基 (pKa1 = 2.19) はすでに脱プロトン化されて負電荷を持っていますが、側鎖 (pKaR = 4.25) はまだプロトン化された状態であり、アミノ基 (pKa2 = 9.67) もプロトン化されて正電荷を持ちます。

ただし、pH3.22はこのアミノ酸の等電点（pI = 3.22）と等しいため、全体の電荷はゼロです。
したがって、このpHで「正電荷を持つ」という選択肢5は誤りです。

■結論｜

正しい選択肢は、1と4です。

■補足｜

電荷状態とpHの関係

pH < pKa1:
カルボキシル基がプロトン化され、全体として正電荷を持つことが多いです。
pKa1 < pH < pKa2:
カルボキシル基は脱プロトン化されて負電荷を持ちますが、アミノ基や側鎖の電荷によって全体の電荷が決まります。
pH > pKa2:
アミノ基も脱プロトン化され、全体として負電荷を持つようになります。

アミノ酸の電荷はpHに依存しており、pKa値との相対的な位置関係を正確に把握することが重要です。

復習

選択肢1: アミノ酸AのpIは、約5.98である。[正しい]

アミノ酸Aは側鎖に酸性または塩基性基がないため、pIはカルボキシル基（pKa1 = 2.36）とアミノ基（pKa2 = 9.60）の平均値で求められます。

選択肢2: アミノ酸BのpIは、約5.61である。[誤り]

アミノ酸Bは側鎖に塩基性基を持ち、そのpKa (pKR = 12.48) を含めて計算します。
塩基性アミノ酸の場合、pIはアミノ基（pKa2 = 9.04）と側鎖のpKa（pKR = 12.48）の平均を取ります。

選択肢3: アミノ酸Aは、pH2.33の緩衝液中では負電荷を持つ。[誤り]

pH2.33はアミノ酸AのpKa1（2.36）に非常に近い値です。
このpHではカルボキシル基（pKa1 = 2.36）は部分的にプロトン化され、アミノ基（pKa2 = 9.60）は完全にプロトン化されています。
したがって、アミノ酸Aは全体として正電荷を持つ状態です。

選択肢4: アミノ酸Bは、pH5.61の緩衝液中では正電荷を持つ。[正しい]

pH5.61はアミノ酸BのpKa1（2.17）より高く、pKa2（9.04）およびpKR（12.48）より低いです。
この場合、カルボキシル基は脱プロトン化されて負電荷を持ちますが、アミノ基と側鎖はプロトン化されており正電荷を持っています。
全体的に正電荷が上回ります。

選択肢5: アミノ酸Cは、pH3.22の緩衝液中では正電荷を持つ。[誤り]

アミノ酸CのpIは約3.22です。
pH3.22の環境では、アミノ酸Cは全体として中性の状態であるため、正電荷を持つとはいえません。
カルボキシル基は脱プロトン化されて負電荷を持ち、側鎖はプロトン化された状態です。

類題

類題にもチャレンジしてみましょう。

第107回薬剤師国家試験　問96

薬学理論問題
物理｜問 107-096
分配係数は、薬物の脂溶性の指標として用いられる。ある1価の弱酸HA(pKa5.3)がpH5.0の緩衝液中に溶解している。この緩衝液200mLに水と混ざり合わない有機溶媒100mLを加えてHAを1回抽出したところ、抽出率は75％であった。この弱酸HAの分配係数KD(有機溶媒中の分子形の濃度/緩衝液中の分子形の濃度)に最も近い値はどれか。1つ選べ。
ただし、温度は一定で、混合により有機溶媒と緩衝液の体積に変化はなく、イオン形(解離形)は有機層に移行しないものとする。また、100.3=2とする。
■選択肢

第108回薬剤師国家試験　問95

薬学理論問題
物理｜問 108-095
0.20mol/L塩化アンモニウム水溶液100mLを用いてアンモニア・塩化アンモニウム緩衝液(pH 9.0)を調製したい。この塩化アンモニウム水溶液に加える0.18 mol/L アンモニア水溶液の液量に最も近い値はどれか。1つ選べ。
ただし、アンモニアのpKb=4.7、水のイオン積[H+][OH-]=1.0×10^(-14)(mol/L)^2、10^(0.3)=2 とし、混合により各水溶液の体積は変化しないものとする。
■選択肢

15mL
35mL
55mL
75mL
95mL

第108回薬剤師国家試験　問97

薬学理論問題
物理｜問 108-097
純度試験に用いた液体クロマトグラフィー(LC)に関する記述のうち、正しいのはどれか。2つ選べ。
次の記述は、日本薬局方L-アラニン(C3H7NO2：89.09)の純度試験(一部要約)である。
純度試験｜試料溶液及び標準溶液20μLずつを正確にとり、次の条件で液体クロマトグラフィーにより試験を行う。試料溶液及び標準溶液から得たピーク高さから試料溶液1mLに含まれるアラニン以外のアミノ酸の質量を求め、その質量百分率を算出するとき、アラニン以外の各アミノ酸の量は0.1％以下である。
試験条件｜
検出器：可視吸光光度計(測定波長：570nm)｜
カラム：内径4.6mm、長さ8cmのステンレス管に3nmのポリスチレンにスルホン酸基を結合した液体クロマトグラフィー用強酸性イオン交換樹脂(Na型)を充塡する。｜～(中略)～
移動相：移動相AからＥの順に切り換える。
反応試薬：ニンヒドリンを含む溶液｜～(以下略)～
■選択肢

一般に、この検出器の光源にはタングステンランプが用いられる。
固定相は陰イオン交換体である。
移動相はAからＥの順に、pHが大きくなる。
このLCは、プレカラム誘導体化法である。
アラニンとプロリンは同じ呈色物質を生成する。

第108回薬剤師国家試験　問98

薬学理論問題
物理｜問 108-098
ある化合物が医薬品として適合するかどうかの判定は、分離分析、定性分析及び定量分析を駆使して行われる。次の記述は、日本薬局方L-アラニン(C3H7NO2：89.09)の純度試験(一部要約)及び定量法である。純度試験
試料溶液及び標準溶液20μLずつを正確にとり、次の条件で液体クロマトグラフィーにより試験を行う。試料溶液及び標準溶液から得たピーク高さから試料溶液1mLに含まれるアラニン以外のアミノ酸の質量を求め、その質量百分率を算出するとき、アラニン以外の各アミノ酸の量は0.1％以下である。
試験条件
検出器：可視吸光光度計(測定波長：570nm)
カラム：内径4.6mm、長さ8cmのステンレス管に3nmのポリスチレンにスルホン酸基を結合した液体クロマトグラフィー用強酸性イオン交換樹脂(Na型)を充塡する。
～(中略)～
移動相：移動相AからＥの順に切り換える。
反応試薬：ニンヒドリンを含む溶液
～(以下略)～
定量法
本品を乾燥し、その約90mgを精密に量り、ギ酸3mLに溶かし、酢酸(100)50mLを加え、0.1mol/L過塩素酸で滴定する(電位差滴定法)。同様の方法で空試験を行い、補正する。0.1 mol/L 過塩素酸1mL=[ア]mg C3H7NO2
定量法に関する記述のうち、正しいのはどれか。2つ選べ。
■選択肢