Isoelektrischer Punkt

Isoelektrischer Punkt – Chemie

In diesem Text schauen wir uns an, was der isoelektrische Punkt ist, wie man ihn berechnen kann und was er mit der Elektrophorese zu tun hat.

Was ist der isoelektrische Punkt (IEP)? – Definition

Aminosäuren bilden in wässriger Lösung Ionen: positiv geladene Kationen, negativ geladene Anionen und Zwitterionen, die sowohl eine positive als auch negative Ladung tragen. Im sauren Bereich findet man hauptsächlich Kationen und im basischen Bereich ist die Konzentration der Anionen am größten. Dazwischen gibt es einen ganz bestimmten $pH$-Wert, bei dem die Konzentration der Zwitterionen am größten ist. Dieser Wert ist charakteristisch für jede Aminosäure und heißt isoelektrischer Punkt.

Einfach erklärt ist der isoelektrische Punkt (IEP) also eine Angabe zu einem $pH$-Wert, bei dem ein Molekül nach außen hin neutral ist, da es sowohl eine positive als auch eine negative Ladung besitzt. Ein isoelektrischer Punkt kann bei Molekülen auftreten, die als Zwitterion oder Ampholyte vorliegen können. Als Amphoter bezeichnet man in der Chemie Substanzen, die in wässriger Lösung sowohl als Säuren als auch als Basen reagieren können. Doch was ist nun ein Zwitterion?

Wie kommt es zum Zwitterion?

Bei einem Zwitterion handelt es sich um ein Molekül, das zwei oder mehrere funktionelle Gruppen enthält, wobei von denen jeweils eine positiv und die andere negativ geladen sein muss. Bei Aminosäuren kann die Aminogruppe $(\ce{R2-NH})$ und die Carboxygruppe $(\ce{R-COOH})$ Protonen aufnehmen und abgeben. Davon abhängig, wie viele Protonen aufgenommen oder abgegeben werden, ist die Aminosäuregruppe positiv und die Carboxygruppe negativ geladen. Das Stickstoffatom der Aminogruppe ist ein basisches Zentrum, denn es besitzt ein freies Elektronenpaar. Die Carboxygruppe besitzt saure Eigenschaften. Folglich enthält das Molekül funktionelle Gruppen, die eine entgegengesetzte Reaktivität haben. Und wann liegt nun ein Zwitterion vor? Ein Zwitterion liegt bei den Aminosäuren dann vor, wenn sowohl die Aminogruppe als auch die Carboxygruppe eine Ladung besitzen und somit das gesamte Molekül nach außen neutral ist. Dies kannst du dir im folgenden Bild am Beispiel der Aminosäure Glycin ansehen:

Da Aminosäuren die Bausteine der Proteine sind, haben auch Proteine einen isoelektrischen Punkt. Die Nettoladung der Proteine am IEP hat den Wert null.

Isoelektrischer Punkt und die Elektrophorese

Die Elektrophorese gehört zu den elektrochemischen Analysemethoden – es handelt sich dabei um ein analytisches Trennverfahren. Mit der Elektrophorese können Moleküle wie Aminosäuren nach ihrer Ladung aufgetrennt werden. Liegt der $pH$-Wert unter dem isoelektrischen Punkt des Moleküls, ist dieses positiv geladen. Befindet sich der $pH$-Wert über dem isoelektrischen Punkt des Moleküls, ist dieses negativ geladen. Liegt das Molekül als Zwitterion vor, ist es neutral. Aber wie läuft eine Elektrophorese ab?

Für die Durchführung der Elektrophorese nimmt man ein saugfähiges Papier. Dann stellt man eine Pufferlösung mit einem bestimmten $pH$-Wert her und gibt das über das Papier. In der Mitte des Papiers wird die Aminosäure aufgetragen. Dann legt man an den Enden des Papiers eine Gleichspannung an. Aufgrund der Gleichspannung wandern die Ionen entsprechend ihrer Ladung zur positiven Elektrode oder zur negativen Elektrode. Da die Zwitterionen neutral sind, bleiben diese am Startpunkt und wandern nicht. Die Aminosäuren werden durch eine Nachweisreaktion mit Ninhydrin sichtbar gemacht. Wenn die chemische Verbindung Ninhydrin auf Aminosäuren trifft, reagiert sie unter Bildung eines blauvioletten Farbstoffs, was dazu führt, dass Aminosäuren sichtbar werden. Das Ergebnis einer Elektrophorese verschiedener Aminosäuren kannst du in dieser Abbildung sehen:

Aufgrund unterschiedlich geladener Aminosäuren können auch Proteine Ladungsträger sein. Aus diesem Grund können Proteingemische elektrophoretisch getrennt werden. Dieser Vorgang wird als isoelektrische Fokussierung bezeichnet.

Wie berechnet man den isoelektrischen Punkt?

Bisher hast du gelernt, dass der isoelektrische Punkt den $pH$-Wert angibt, bei dem ein Molekül wie eine Aminosäure als Zwitterion vorliegt. Mithilfe einer Elektrophorese kannst du den $pH_i$-Wert – also den isoelektrischen Punkt – ermitteln, bei dem das Molekül als Zwitterion vorliegt. Doch wie lässt sich der isoelektrische Punkt von Aminosäuren nun berechnen? Für die Berechnung des isoelektrischen Punkts benötigst du die beiden $pK_S$-Werte des Moleküls. Die Formel zur Berechnung des isoelektrischen Punkts lautet:

${pH_i} = \frac{pK_{S1}+pK_{S2}}{2}$

Doch wie findest du nun die $pK_S$-Werte heraus? Der $pK_S$-Wert ist eine Stoffkonstante, die die Stärke einer Säure beschreibt. Je kleiner der $pK_S$-Wert ist, desto stärker ist auch die Säure. Die $pK_S$-Werte und damit die isoelektrischen Punkte kann man über eine Titrationskurve bestimmen.

Isoelektrischer Punkt von Aminosäuren – Beispiele

Was beeinflusst den isoelektrischen Punkt? Der isoelektrische Punkt bei Aminosäuren ist abhängig von der Aminogruppe, der Carboxygruppe und dem Rest. Außerdem hat auch die Temperatur einen starken Einfluss auf den isoelektrischen Punkt.

Jede Amino- und jede Carboxygruppe einer Aminosäure hat ihren eigenen $pK$-Wert. Daher besitzt jede Aminosäure mindestens zwei $pK$-Werte. Wenn das Molekül allerdings mehr als zwei $pK_S$-Werte besitzt, muss man zwischen den sauren und den basischen Zwitterionen unterscheiden. Bei sauren Zwitterionen verwendet man in der Gleichung die beiden $pK_S$-Werte der sauren Gruppen und bei basischen Zwitterionen die $pK_S$-Werte der basischen Gruppen. Der isoelektrische Punkt $pH_i$ ist ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal für Aminosäuren. Liegt dabei der isoelektrische Punkt im $pH$-Bereich von $5$ bis $6,5$, so spricht man von neutralen Aminosäuren. In der folgenden Tabelle kannst du dir die Einteilung in saure, neutrale und basische Aminosäuren ansehen:

Isoelektrischer Punkt – Zusammenfassung

Die wichtigsten Stickpunkte zum isoelektrischen Punkt haben wir hier nochmals kurz zusammengefasst:

• Der isoelektrische Punkt ist der $pH$-Wert, bei dem eine Aminosäure als Zwitterion vorliegt.
• Ein Zwitterion ist nach außen neutral. Bei einer Elektrophorese bleibt das Zwitterion an seinem Startpunkt.
• Für Aminosäuren ist der isoelektrische Punkt ein charakteristisches Merkmal.

Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du noch Übungsaufgaben zum isoelektrischen Punkt, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!