ヒ酸塩（アーセネート）とは｜定義・化学式・性質・毒性・生物での役割

ヒ酸塩（アーセネート）の定義・化学式・性質・毒性と生物での役割をわかりやすく解説し、人体や環境への影響も紹介。

著者: Leandro Alegsa

ヒ酸塩はイオンの一種です。化学式は AsO43- で、ヒ素が+5の状態（酸化数 +5）にある酸素四面体イオンです（この+5の状態については酸化に関する説明を参照してください）。ヒ酸塩中のヒ素は+5の酸化状態で存在し、これは通常のリン酸イオン（PO43-）と形や電荷が類似しています（ヒ素とリンは周期表で隣接する元素です）。ヒ素を持っている点が特徴です。

ヒ酸塩とは、ヒ酸の塩である、という意味です。ヒ酸（H3AsO4）は三塩基酸であり、段階的にプロトンを失って以下のような塩基種を作ります：ジヒドロゲンヒ酸イオン H2AsO4-（しばしば「ヒ酸水素塩」と呼ばれる）、ヒ酸水素イオン HAsO42-、そして最終的に AsO43-（完全に脱プロトン化したヒ酸塩）になります。ヒ酸はまた局所的には酸化剤としての性質を示すことがあります。元の一部の表記にあるように、ヒ酸からすべてのプロトンが奪われない場合に中間体（HAsO42- や H2AsO4-）が生成されます。

ヒ酸塩は細胞内でリン酸塩の代わりに取り込まれることがあり、化学的にはリン酸のアナログとして振る舞います（例えばイオン半径や立体配位が似ているため、リン酸を扱う酵素や輸送体に取り込まれやすい）。しかし、リン酸塩のように正常な生化学的機能を果たさないため、細胞はエネルギー代謝や代謝経路の破綻で死に至ることがあり、したがってヒ酸塩は有毒な物質です。例えば解糖系において、ヒ酸塩はグリセルアルデヒド-3-リン酸デヒドロゲナーゼ（GAPDH）の反応で生成される中間体に入り、安定なATP合成につながらない「アーセノ酸（アルソ）」中間体を作らせるため、結果的にATPの産生が阻害されます。一方で、ある種のバクテリアはリン酸塩の代わりにヒ酸塩を使ったり、あるいはヒ酸塩を電子受容体として呼吸に利用したりします。こうした微生物群は総称してヒ素細菌と呼ばれ、環境中のヒ素循環に重要な役割を果たします。

化学的性質と平衡（要点）

  • 構造：AsO43- は四面体構造で、リン酸イオンと類似。
  • 酸解離定数（代表値）：H3AsO4 の pKa1 ≈ 2.24、pKa2 ≈ 6.97、pKa3 ≈ 11.5（温度やイオン強度で変化）。これにより生理条件（pH ~7.4）では HAsO42- と H2AsO4- が混在します。
  • 可溶性：アルカリ金属塩（Na3AsO4 など）は可溶、金属と結合した鉱物として不溶性・難溶性のヒ酸塩鉱物も存在します。

毒性と作用機序

  • 作用機序：主にリン酸の類似体として振る舞うことで代謝経路を撹乱します。代表的には解糖系での「アーセネート効果」によりATP合成が阻害されます（ADP-アーセネートが不安定で分解され、実際のATP獲得が妨げられる）。
  • 急性中毒：嘔吐、下痢、腹痛、脱水、ショック、心不整脈などを引き起こすことがあり、重篤な場合は死に至ります。
  • 慢性曝露：皮膚病変（色素沈着や角化症）、末梢神経障害、呼吸器や循環器系障害、発がん性のリスク増加（皮膚がん、膀胱・肺がんなど）が報告されています。
  • ヒ酸塩とヒ素化合物全般は形態によって毒性が異なる（一般に三価のヒ素（ヒ化物・亜ヒ酸塩など、As(III)）はチオール（-SH）基を持つ酵素を阻害する点で強毒性、五価のヒ酸塩（As(V)）はリン酸代替による毒性が主要）。

環境・生態での役割と微生物

  • 環境発生源：自然由来（岩石の風化、鉱床）や人為的汚染（採掘、農薬、工業排水）により地下水や土壌にヒ酸塩が蓄積することがあります。地下水のヒ素汚染は世界的な公衆衛生問題です。
  • 微生物の関与：一部の細菌・古細菌はヒ酸塩を電子受容体として嫌気呼吸に利用し（アーセネート呼吸）、また一部の菌類や細菌はヒ酸塩を還元してより可溶なヒ素(III)（亜ヒ酸塩）に変換します。さらに、微生物はヒ酸塩の取り込み・排出を担う遺伝子（例：arsオペロン）を持ち、これが耐性の基盤となっています。
  • 注記：過去にある種の細菌がリン酸を完全にヒ酸塩で置換して生育すると報告された事例（例：GFAJ-1 の報告）は議論を呼び、その後の再検証で「DNAなどの生体高分子にヒ素が主要成分として置換される」という結論は支持されないことが示されました。現在では「一部微生物が高ヒ素環境で生育可能であり、ヒ素化学を代謝に取り入れる多様な戦略がある」と理解されています。

代表的なヒ酸塩化合物・鉱物

  • 水溶性塩：三ナトリウムヒ酸塩（Na3AsO4）など。
  • 鉱物：スコロダイト（scorodite、FeAsO4·2H2O）などのヒ酸塩鉱物は自然界に存在し、鉱床や鉱山廃棄物中に見られます。

人の健康と規制基準

  • 飲料水の基準：世界保健機関（WHO）や多くの国は飲料水中の総ヒ素濃度の指標を 10 μg/L（マイクログラム/リットル）に設定しています。これは主に慢性曝露リスクを低減するための値です。
  • 予防対策：ヒ素汚染地域では水処理（吸着、沈殿、逆浸透など）や代替水源の確保、土壌管理が重要です。職業的曝露においては適切な防護具と管理が必要です。

まとめると、ヒ酸塩（アーセネート）は化学的にはリン酸と類似した四面体イオンであり、生体内ではリン酸の置換により代謝を阻害するため毒性を示します。一方で微生物によるヒ素の利用や変換は環境のヒ素循環で重要な役割を果たします。ヒ酸塩への曝露は公衆衛生上の懸念があり、適切な監視と対策が求められます。

発生状況

ヒ素は、天然には様々な鉱物に含まれています。それらの鉱物には、水和ヒ素や無水ヒ素が含まれていることがある。リン酸塩とは異なり、ヒ酸塩は風化の過程で鉱物から失われることはない。ヒ酸塩を含む鉱物の例としては、アダマイト、アラーサイト、アナベルジャイト、エリスライト、レグランダイトなどがある。

質問と回答

Q: ヒ酸塩とは何ですか?


A: ヒ酸は化学式AsO43-で表されるイオンです。

Q: ヒ酸塩中のヒ素の酸化状態は?


A:ヒ酸塩中のヒ素の酸化状態は+5です。

Q: ヒ酸塩とは何ですか?


A: ヒ酸塩とは、酸化剤として作用するヒ酸の塩です。

Q: ヒ酸水素塩とは何ですか?


A: ヒ酸水素塩は、ヒ酸からすべてのプロトンが取り除かれない場合に形成され、HAsO42-またはH2AsO4-という化学式で表されます。

Q: なぜヒ酸塩は有毒なのですか?


A:ヒ素酸塩は細胞内でリン酸塩と置き換わりますが、同じようには働かないため、細胞死に至ります。

Q:ヒ素バクテリアとは何ですか?


A: リン酸塩の代わりにヒ酸塩を使うことができるバクテリアがおり、ヒ素バクテリアと呼ばれています。

Q: ヒ酸塩は細胞内でリン酸塩の代わりになるのですか?


A:はい、ヒ酸塩は細胞内でリン酸塩に取って代わることができますが、同じようには働かず、毒性があります。


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