第2章生命の化学的基盤

Section Summaryこの節のまとめ

Water has many properties that are critical to maintaining life. It is a polar molecule, allowing for forming hydrogen bonds. Hydrogen bonds allow ions and other polar molecules to dissolve in water. Therefore, water is an excellent solvent. The hydrogen bonds between water molecules cause the water to have a high heat capacity, meaning it takes considerable added heat to raise its temperature. As the temperature rises, the hydrogen bonds between water continually break and form anew. This allows for the overall temperature to remain stable, although energy is added to the system. Water also exhibits a high heat of vaporization, which is key to how organisms cool themselves by evaporating sweat. Water’s cohesive forces allow for the property of surface tension; whereas, we see its adhesive properties as water rises inside capillary tubes. The pH value is a measure of hydrogen ion concentration in a solution and is one of many chemical characteristics that is highly regulated in living organisms through homeostasis. Acids and bases can change pH values, but buffers tend to moderate the changes they cause. These properties of water are intimately connected to the biochemical and physical processes performed by living organisms, and life would be very different if these properties were altered, if it could exist at all.

英語のヒント

水には、生命の維持に不可欠な性質が数多くある。水は極性分子であり、水素結合を形成できる。水素結合によって、イオンやほかの極性分子が水に溶ける。そのため、水は優れた溶媒である。水分子間の水素結合によって、水は高い熱容量を持つ。つまり、温度を上げるにはかなりの熱を加えなければならない。温度が上がると、水分子間の水素結合は絶えず切れ、新しく作られる。このため、系にエネルギーが加わっても、全体の温度が安定していられる。水は気化熱も高く、これは生物が汗を蒸発させて体を冷やす仕組みの鍵となる。水の凝集力によって表面張力という性質が生じる。一方、付着性は、毛細管の中を水が上がる様子に見られる。pH値は溶液中の水素イオン濃度の尺度であり、恒常性によって生体内で厳密に調節されている多くの化学的特徴の一つである。酸と塩基はpHを変化させるが、緩衝剤はその変化を和らげる傾向がある。こうした水の性質は、生物が営む生化学的・物理的過程と密接に結び付いている。これらの性質が変われば、仮に生命が存在できたとしても、今とは大きく異なるものになるだろう。

Review Questions確認問題

Exercises 9–12練習問題 9–12

Exercise 9問題 9

Which of the following statements is not true?

次の記述のうち、正しくないものはどれか。

Water is polar.
水は極性を持つ。
Water stabilizes temperature.
水は温度を安定させる。
Water is essential for life.
水は生命に不可欠である。
Water is the most abundant molecule in the Earth’s atmosphere.
水は地球の大気中で最も豊富な分子である。

Solution解き方

Exercise 10問題 10

When acids are added to a solution, the pH should ________.

溶液に酸を加えると、pHは________はずである。

decrease
下がる
increase
上がる
stay the same
変わらない
cannot tell without testing
試験しなければ分からない

Solution解き方

Exercise 11問題 11

We call a molecule that binds up excess hydrogen ions in a solution a(n) ________.

溶液中の過剰な水素イオンと結合する分子を、________という。

acid
酸
isotope
同位体
base
塩基
donator
供与体

Solution解き方

Exercise 12問題 12

Which of the following statements is true?

次の記述のうち、正しいものはどれか。

Acids and bases cannot mix together.
酸と塩基は混ざり合うことができない。
Acids and bases will neutralize each other.
酸と塩基は互いに中和する。
Acids, but not bases, can change the pH of a solution.
酸は溶液のpHを変えられるが、塩基は変えられない。
Acids donate hydroxide ions (OH^–); bases donate hydrogen ions (H⁺).
酸は水酸化物イオン（OH^–）を与え、塩基は水素イオン（H⁺）を与える。

Solution解き方

Critical Thinking Questions考察問題

Exercises 13–14練習問題 13–14

Exercise 13問題 13

Discuss how buffers help prevent drastic swings in pH.

緩衝剤がpHの急激な変動を防ぐ仕組みを説明しなさい。

Solution解き方

Buffers absorb the free hydrogen ions and hydroxide ions that result from chemical reactions. Because they can bond these ions, they prevent increases or decreases in pH. An example of a buffer system is the bicarbonate system in the human body. This system is able to absorb hydrogen and hydroxide ions to prevent changes in pH and keep cells functioning properly.

緩衝剤は、化学反応によって生じる遊離の水素イオンや水酸化物イオンを吸収する。これらのイオンと結合できるため、pHの上昇や低下を防ぐ。緩衝系の例に、ヒトの体内の炭酸水素イオンの系がある。この系は水素イオンや水酸化物イオンを吸収してpHの変化を防ぎ、細胞が正常に働く状態を保つ。

Exercise 14問題 14

Why can some insects walk on water?

なぜ水の上を歩ける昆虫がいるのか。

Solution解き方

Some insects can walk on water, although they are heavier (denser) than water, because of the surface tension of water. Surface tension results from cohesion, or the attraction between water molecules at the surface of the body of water (the liquid-air/gas interface).

一部の昆虫は水より重い（密度が高い）にもかかわらず、水の表面張力によって水面を歩ける。表面張力は、凝集、すなわち水面（液体と空気・気体との境界面）で水分子同士が引き合うことによって生じる。

acid

酸

molecule that donates hydrogen ions and increases the concentration of hydrogen ions in a solution

水素イオンを与え、溶液中の水素イオン濃度を高める分子。

adhesion

付着

attraction between water molecules and other molecules

水分子とほかの分子の間に働く引力。

base

塩基

molecule that donates hydroxide ions or otherwise binds excess hydrogen ions and decreases the hydrogen ions' concentration in a solution

水酸化物イオンを与えるか、別の形で過剰な水素イオンと結合し、溶液中の水素イオン濃度を下げる分子。

buffer

緩衝剤

substance that resists a change in pH by absorbing or releasing hydrogen or hydroxide ions

水素イオンまたは水酸化物イオンを吸収・放出することで、pHの変化に抵抗する物質。

calorie

カロリー

amount of heat required to change the temperature of one gram of water by one degree Celsius

水1グラムの温度を摂氏1度変えるために必要な熱量。

capillary action

毛細管現象

occurs because water molecules are attracted to charges on the inner surfaces of narrow tubular structures such as glass tubes, drawing the water molecules to the tubes' sides

ガラス管などの細い管状構造の内面にある電荷へ水分子が引き付けられ、管の壁面に向かって引かれることで起こる現象。

cohesion

凝集

intermolecular forces between water molecules caused by the polar nature of water; responsible for surface tension

水の極性によって生じる、水分子同士の間に働く分子間力。表面張力を生じさせる。

dissociation

解離

release of an ion from a molecule such that the original molecule now consists of an ion and the charged remains of the original, such as when water dissociates into H⁺ and OH^-

分子からイオンが離れ、元の分子が、そのイオンと電荷を帯びた残りの部分に分かれること。水がH⁺とOH^-に解離する場合などがある。

evaporation

蒸発

change from liquid to gaseous state at a body of water's surface, plant leaves, or an organism's skin

水面、植物の葉、または生物の皮膚で起こる、液体から気体への変化。

heat of vaporization of water

水の気化熱

high amount of energy required for liquid water to turn into water vapor

液体の水が水蒸気になるために必要な、多量のエネルギー。

hydrophilic

親水性

describes ions or polar molecules that interact well with other polar molecules such as water

水のようなほかの極性分子とよく相互作用する、イオンや極性分子の性質。

hydrophobic

疎水性

describes uncharged nonpolar molecules that do not interact well with polar molecules such as water

水のような極性分子とはうまく相互作用しない、電荷を持たない無極性分子の性質。

litmus paper

リトマス紙

(also, pH paper) filter paper treated with a natural water-soluble dye that changes its color as the pH of the environment changes in order to use it as a pH indicator

pH試験紙ともいう。pH指示薬として使うために、周囲のpHの変化に応じて色が変わる天然の水溶性色素で処理したろ紙。

pH paper

pH試験紙

see litmus paper

「リトマス紙」を参照。

pH scale

pH尺度

scale ranging from zero to 14 that is inversely proportional to the hydrogen ions' concentration in a solution

0から14の範囲を取り、溶液中の水素イオン濃度に反比例する尺度。

solvent

溶媒

substance capable of dissolving another substance

別の物質を溶かすことのできる物質。

specific heat capacity

比熱容量

the amount of heat one gram of a substance must absorb or lose to change its temperature by one degree Celsius

物質1グラムの温度を摂氏1度変えるために、その物質が吸収または放出しなければならない熱量。

sphere of hydration

水和圏

when a polar water molecule surrounds charged or polar molecules thus keeping them dissolved and in solution

極性を持つ水分子が、帯電した分子や極性分子を取り囲み、それらを溶液中に溶けた状態で保つときにできるもの。

surface tension

表面張力

tension at the surface of a body of liquid that prevents the molecules from separating; created by the attractive cohesive forces between the liquid's molecules

液体の分子間に働く引力である凝集力によって生じ、分子が離れるのを防ぐ、液体表面の張力。