3.4.1 Ladungsverhalten von Aminosäuren in Lösung
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II. Molekularbiologie
3.0 Aminosäuren (α-Aminocarbonsäuren) und Proteine
3.4 Reaktionsverhalten und Eigenschaften von Aminosäuren
3.4.1 Ladungsverhalten von Aminosäuren in Lösung
Wie bereits zuvor beschrieben, können die beiden funktionellen Gruppen von Aminosäuren – die Amino- und die Carboxylgruppe – ein Proton aufnehmen bzw. abgeben. Die Strukturformel der Aminosäuren ist daher bei Aminosäuren in Lösung vom pH-Wert abhängig. Es ergeben sich folgende Möglichkeiten:
- im Sauren:
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- im Intermediärbereich[1]:
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- im Basischen:
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Um den pH-Wert 1 liegen alle Aminosäuren als Kationen vor. Werden OH--Ionen zugegeben, steigt also der pH, gibt zunächst die Carboxylgruppe –COOH ein Proton ab und wird zur Carbonylgruppe –COO-.
Für Alanin gilt beispielsweise, daß bei einem pH = 2,34 50 % der Aminosäuren kationisch und 50 % Zwitterionen sind. Erst ab einem pH von 6,02 liegen alle Moleküle als Zwitterionen vor, die nach außen hin neutral sind und somit beispielsweise nicht im elektrischen Feld sich trennen lassen. Der pH-Wert 6,02 wird (bei Alanin) als der isoelektrische Punkt (pI) bezeichnet. Um pH = 9,69 liegen 50 % Zwitterionen und 50 % Anionen vor, um pH > 12 sind schließlich alle Moleküle Anionen:
Abb. 6: Ladungsverlauf bei Titrationen von Alanin
- Die Abbildung zeigt die Zahl der OH--Ionen-Äquivalente in Abhängigkeit zum pH-Wert. Wird der pH erhöht, sinkt die Zahl der Alanin-Kationen, da da die Carboxylgruppe –COOH ein H+ abgibt. Steigt der pH weiter, gibt die NH3+-Gruppe ebenfalls ein Proton ab und wird zu –NH2. Die Plateus kommen dadurch zustande, daß bei steigendem pH nicht alle H+ gleichzeitig, sondern der Reihe nach abgegeben werden. Der pH, an dem gleich viel Anionen und Kationen in der Aminosäure-Lösung vorliegen, wird als isoelektrischer Punkt bezeichnet.
Als Faustregel gilt, daß alle Aminosäuren mit einer Carboxyl- und einer Aminogruppe einen isoelektrischen Punkt von ca. 6,0 haben. Da sich jedoch auch in den Seitenketten weitere Gruppen wie –OH oder –SH befinden können, die ein Proton abgeben, kommt es von Aminosäure zu Aminosäure zu einer spezifischen Verschiebung der Ladung bei einem bestimmten pH, die zur elektrophoresischen Auftrennung der Moleküle im elektrischen Feld ausgenutzt wird.
Saure Aminosäuren besitzen in der Seitengruppe eine zusätzliche COOH-Gruppe, die vermuten läßt, daß bei der Erstellung einer Titrationskurve mit diesen Aminosäuren sich theoretisch drei Kurventeile ergeben müßten. Die Kurventeile der beiden Carboxylgruppen fallen jedoch annähernd zusammen, so daß in der Titrationskurve nur ein kleiner zusätzlicher Höcker entsteht. Für die basischen Aminosäuren gilt Ähnliches.
[1]: um den pH-Wert 7
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