Zwitterion, isoelektrischer Punkt und Titrationskurven
Wie Aminosäuren je nach pH als Kation, Zwitterion oder Anion vorliegen, wie man den isoelektrischen Punkt neutraler Aminosäuren berechnet und wie man ihre Titrationskurven liest.
Das Wichtigste in Kürze
- Ein Zwitterion \(\ce{H3N+-CH(R)-COO-}\) trägt eine positive und eine negative Ladung, und als solches liegen α-Aminosäuren in Wasser und im Kristall überwiegend vor; der isoelektrische Punkt ist der pH mit Nettoladung null.
- Unter pKs1 überwiegt das Kation, zwischen den pKs-Werten das Zwitterion, über pKs2 das Anion; bei pH 2 liegt eine Monoaminosäure überwiegend als Kation vor.
- Am pI wandert eine Aminosäure nicht im elektrischen Feld; er ist eine Stoffkonstante, und jede Aminosäure hat genau einen.
- Für neutrale Aminosäuren gilt \(\mathrm{pI} = (\mathrm{p}K_{s1} + \mathrm{p}K_{s2})/2\), etwa 5,48 für Phenylalanin.
- In der Titrationskurve mit NaOH liefern die Halbäquivalenzpunkte die pKs-Werte (zuerst Carboxy, dann Ammonium), der Wendepunkt dazwischen den pI; Lysin zeigt drei Pufferbereiche.
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Worum es geht
Aminosäuren tragen eine saure und eine basische Gruppe im selben Molekül. Welche davon gerade ein Proton trägt, hängt vom pH ab und bestimmt Ladung, Löslichkeit und Wanderung im elektrischen Feld. Das braucht man in der Pharmazie für Elektrophorese, Trennverfahren und das Verständnis von Peptid- und Proteinarzneistoffen.
Zwitterion und Ampholyt
Eine α-Aminosäure besitzt eine Carboxygruppe mit einem pKs um 2 und eine Aminogruppe, deren konjugierte Säure einen pKs um 9 bis 10 hat. Die Carboxygruppe ist also viel saurer als die Ammoniumgruppe. Deshalb wandert das Proton innerhalb des Moleküls von der COOH- zur \(\ce{NH2}\)-Gruppe.
Ein Zwitterion trägt im selben Molekül eine positive und eine negative Ladung und ist nach außen neutral. Bei Aminosäuren ist das \(\ce{H3N+-CH(R)-COO-}\).
In wässriger Lösung und im Kristall liegen α-Aminosäuren ganz überwiegend als Zwitterion vor. Die Aminogruppe ist in Wasser also protoniert. Die ungeladene Neutralform \(\ce{H2N-CH(R)-COOH}\) spielt praktisch keine Rolle, wie die Abbildung am Glycin zeigt.
Im Kristall bilden die Zwitterionen ein Ionengitter. Anders als Carbonsäuren bilden Aminosäuren daher keine wasserstoffverbrückten Dimere, denn ihre Carboxygruppe ist schon deprotoniert. Das Ionengitter erklärt auch die hohen Schmelzpunkte und die gute Wasserlöslichkeit.
Aminosäuren sind Ampholyte im Sinne der Säure-Base-Theorie. Die Carboxylatgruppe nimmt ein Proton auf, die Ammoniumgruppe gibt eines ab. Mit starken Säuren entstehen deshalb Salze. L-Methionin liegt in verdünnter Bromwasserstoffsäure als Hydrobromid vor, also als \(\ce{[H3N+-CH(R)-COOH] Br-}\). Mit Natronlauge entsteht entsprechend das Natriumsalz.
Protonierungszustand und pH
Eine neutrale Aminosäure kann zwei Protonen abgeben. Beim Anheben des pH läuft das in zwei Stufen ab:
\[\ce{H3N+-CH(R)-COOH <=>[- H+] H3N+-CH(R)-COO- <=>[- H+] H2N-CH(R)-COO-}\]
Welche Form überwiegt, folgt aus einer einfachen Regel der Henderson-Hasselbalch-Gleichung. Liegt der pH unter dem pKs einer Gruppe, ist sie überwiegend protoniert. Liegt er darüber, ist sie überwiegend deprotoniert. Man prüft also jede Gruppe einzeln und setzt das Molekül daraus zusammen.
| pH-Bereich | vorherrschende Form | Nettoladung |
|---|---|---|
| unter pKs1 (stark sauer) | Kation \(\ce{H3N+-CH(R)-COOH}\) | +1 |
| zwischen pKs1 und pKs2 | Zwitterion \(\ce{H3N+-CH(R)-COO-}\) | 0 |
| über pKs2 (stark basisch) | Anion \(\ce{H2N-CH(R)-COO-}\) | −1 |
Am Glycin mit pKs1 = 2,34 und pKs2 = 9,60 heißt das: Bei pH 1 liegt das Kation vor, bei pH 7 das Zwitterion, bei pH 12 das Anion. Auch bei pH 2 überwiegt bei einer Monoaminosäure noch das Kation. Das Zwitterion herrscht also im ganzen Bereich zwischen den beiden pKs-Werten vor, nicht nur an einem einzigen pH.
Kurz gesagt: Unterhalb des isoelektrischen Punkts überwiegen positiv geladene Teilchen, oberhalb negativ geladene. Bei Aminosäuren mit saurer oder basischer Seitenkette kommt eine dritte Gruppe hinzu, die man nach derselben Regel prüft (Seitenketten).
Isoelektrischer Punkt
Der isoelektrische Punkt (pI) ist der pH, an dem die Nettoladung einer Aminosäure null ist. Dort wandert sie im elektrischen Feld weder zur Anode noch zur Kathode. Darauf beruht die Trennung von Aminosäuren und Proteinen durch Elektrophorese.
Am pI liegt fast alles als Zwitterion vor. Die wenigen Kationen und Anionen sind gleich häufig und heben sich auf. Geladene und ungeladene Moleküle sind dort also nicht gleich zahlreich, die ungeladene Neutralform fehlt nahezu ganz. Der pI ist eine Stoffkonstante. Er hängt nicht vom pH der Lösung ab, und jede Aminosäure hat genau einen pI, auch Lysin mit drei ionisierbaren Gruppen.
Für Aminosäuren ohne ionisierbare Seitenkette liegt der pI genau in der Mitte zwischen den beiden pKs-Werten von Carboxy- und Ammoniumgruppe:
\[\mathrm{pI} = \frac{\mathrm{p}K_{s1} + \mathrm{p}K_{s2}}{2}\]
\(\mathrm{p}K_{s1}\): Carboxygruppe, \(\mathrm{p}K_{s2}\): protonierte Aminogruppe. Gilt nur für neutrale Aminosäuren.
Der Grund: Zwischen den beiden Gleichgewichten liegt das Zwitterion. Kation und Anion sind genau dann gleich häufig, wenn der pH gleich weit von beiden pKs-Werten entfernt ist.
Rechenbeispiel Phenylalanin mit pKs1 = 1,83 und pKs2 = 9,13:
\[\mathrm{pI} = \frac{1{,}83 + 9{,}13}{2} = \frac{10{,}96}{2} = 5{,}48\]
Alanin liegt mit pKs-Werten von 2,34 und 9,69 bei einem pI von etwa 6,0. Beide tragen formal dieselben \(\ce{NH2}\)- und COOH-Funktionen. Der Rest R verschiebt aber die pKs-Werte leicht, deshalb unterscheiden sich auch ihre isoelektrischen Punkte.
Am pKs1 sind Kation und Zwitterion gleich häufig, die Nettoladung beträgt +0,5. Der pI ist erst erreicht, wenn der pH in der Mitte zwischen pKs1 und pKs2 liegt.
Titrationskurven
Man legt die Aminosäure in saurer Lösung als Kation vor und titriert mit Natronlauge. Die Kurve zeigt flache Pufferbereiche, in denen ein konjugiertes Säure-Base-Paar vorliegt, und steile Sprünge dazwischen. Die Grundlagen dazu stehen bei Pufferbereichen und Titrationskurven.
Glycin durchläuft beim Titrieren diese Stationen:
- 0,5 Äquivalente NaOH: erster Halbäquivalenzpunkt. Kation und Zwitterion stehen 1 : 1, der pH entspricht dem pKs der Carboxygruppe (2,34).
- 1 Äquivalent: steiler Anstieg mit Wendepunkt. Fast nur Zwitterion liegt vor, der pH entspricht dem pI (5,97).
- 1,5 Äquivalente: zweiter Halbäquivalenzpunkt. Zwitterion und Anion stehen 1 : 1, der pH entspricht dem pKs der protonierten Aminogruppe (9,60).
- 2 Äquivalente: die Aminosäure liegt vollständig als Anion vor.
Glycin zeigt also zwei Pufferbereiche, weil es zwei ionisierbare Gruppen hat. Aus einer unbekannten Kurve liest man deshalb zuerst die Zahl der Pufferbereiche ab. Sie entspricht der Zahl der titrierbaren Gruppen. Dann zeigt die Lage, ob eine zusätzliche Gruppe sauer oder basisch ist. Die pKs-Werte stehen an den Halbäquivalenzpunkten in der Mitte jedes flachen Bereichs.
Lysin trägt in der Seitenkette eine zweite Aminogruppe. Seine Kurve zeigt einen sauren Pufferbereich um pH 2 und zwei basische Pufferbereiche um pH 9 bis 10 und pH 10 bis 11, die fast ineinander übergehen. Zur vollständigen Titration braucht man drei Äquivalente NaOH.
Quiz
Aussage 1
Eine Monoaminosäure ohne ionisierbare Seitenkette liegt bei pH 1,5 überwiegend als Kation vor.
Der pH liegt unter dem pKs der Carboxygruppe (etwa 2), also sind Carboxy- und Aminogruppe protoniert: \(\ce{H3N+-CH(R)-COOH}\).
Aussage 2
Bei der Titration einer Monoaminosäure mit Natronlauge entspricht der pH am ersten Halbäquivalenzpunkt dem isoelektrischen Punkt.
Am ersten Halbäquivalenzpunkt gilt pH = pKs der Carboxygruppe. Der pI liegt am Wendepunkt nach einem Äquivalent NaOH zwischen den beiden Pufferbereichen.
Aussage 3
Die Titrationskurve von Lysin mit Natronlauge zeigt einen sauren Pufferbereich um pH 2 und zwei basische Pufferbereiche zwischen etwa pH 9 und 11.
Lysin hat drei titrierbare Gruppen: die Carboxygruppe und zwei Ammoniumgruppen, deren Pufferbereiche um pH 9 bis 10 und 10 bis 11 fast ineinander übergehen.
Aussage 4
Eine neutrale Aminosäure mit den pKs-Werten 2,2 und 9,4 hat einen isoelektrischen Punkt von 5,8.
Der pI ist das arithmetische Mittel beider pKs-Werte: (2,2 + 9,4)/2 = 5,8.
Aussage 5
Am isoelektrischen Punkt liegt Glycin überwiegend als ungeladenes Molekül \(\ce{H2N-CH2-COOH}\) vor.
Am pI liegt Glycin fast vollständig als Zwitterion \(\ce{H3N+-CH2-COO-}\) vor. Die ungeladene Neutralform spielt praktisch keine Rolle.
Aussage 6
Alanin und Phenylalanin haben denselben isoelektrischen Punkt, weil beide nur eine Amino- und eine Carboxygruppe tragen.
Der Rest R verschiebt die pKs-Werte. Alanin hat einen pI von etwa 6,0, Phenylalanin von 5,48.
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