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Zwitterion Ein siehe auch Ion ist ein Molekül mit zwei oder mehreren funktionellen Gruppen von denen eine positiv und ei

Zwitterion

Ein Zwitterion (siehe auch Ion) ist ein Molekül mit zwei oder mehreren funktionellen Gruppen, von denen eine positiv und eine andere negativ geladen ist. Besitzt ein Zwitterion beispielsweise zwei funktionelle Gruppen mit entgegengesetzten Ladungen, so ist das Molekül (am isoelektrischen Punkt) insgesamt elektrisch neutral. Teilweise wird auch der Begriff „inneres Salz“ für ein Zwitterion verwendet.

Eine L-Aminosäure als Zwitterion (rechts). R ist ein Organyl-Rest. Glycin (R = H) ist das einfachste Beispiel.
Amidosulfonsäure als Zwitterion (rechts)

Meist handelt es sich bei den Gruppen um eine Säure- und eine Basenfunktion. Das bekannteste Beispiel sind Aminosäuren, die sowohl in wässriger Lösung als auch in der festen Phase zwitterionisch vorliegen. Die Hydroxygruppe gibt ein Wasserstoffion ab und trägt eine negative Ladung, die Aminogruppe nimmt ein Wasserstoffion auf und trägt eine positive Ladung. Im Unterschied zu Betainen lassen sich die Ladungen also durch Protonenwanderung ausgleichen.

In Lösung sind bei einem bestimmten pH-Wert, dem isoelektrischen Punkt, gleich viele Carboxygruppen, zu (negativ geladen) Carboxylatgruppen deprotoniert wie Aminogruppen zu (positiv geladenen) Amoniumgruppen protoniert worden sind, positiv. Dann wandern Aminosäuren im elektrischen Feld nicht mehr, sondern richten sich nur aus, da die Summenladung neutral ist. Liegt der pH-Wert unter dem isoelektrischen Punkt, nimmt die Dissoziation der Carboxygruppe ab, und die Aminosäure trägt eine positive Summenladung. Liegt der pH-Wert darüber, nimmt die Dissoziation der Carboxygruppe zu, und das Molekül trägt eine negative Summenladung. Diesen Effekt nutzt man bei der Elektrophorese und bei der isoelektrischen Fokussierung. Am isoelektrischen Punkt ist die Wasserlöslichkeit von Aminosäuren am geringsten, da aufgrund der entstandenen intramolekularen Ladungen keine stabile Hydrathülle mehr gebildet werden kann.

Bei Peptiden und Proteinen sind die Verhältnisse analog zu denen bei den Aminosäuren. Von einer Carboxygruppe des Peptids oder Proteins wandert ein Proton zu einer basischen Aminogruppe, die am N-terminalen Ende stehen kann, aber nicht zwingend stehen muss.

Berechnung des isoelektrischen Punktes Bearbeiten

Der pH-Wert am isoelektrischen Punkt lässt sich (bei nicht allzu starker Verdünnung) aus den pKs-Werten der Säuregruppe und der Aminogruppe berechnen:

Herleitung:

Die Säurekonstanten sind definiert als:

Durch Multiplizieren dieser zwei Gleichungen wird die Konzentration des Zwitterions eliminiert:

Da am isoelektrischen Punkt die Konzentrationen von Anion und Kation gleich sind, vereinfacht sich die Gleichung zu:

Wurzelziehen und Logarithmieren ergibt dann:

Mehrprotonensysteme Bearbeiten

Bei sauren (z. B. Asparaginsäure, Glutaminsäure) oder basischen Aminosäuren (z. B. Lysin, Arginin) werden zur Berechnung des isoelektrischen Punkts die pKs-Werte der beiden Carboxy- bzw. Aminogruppen berücksichtigt. Zur Berechnung des IEP bei Aminosäuren mit mehr als zwei pK-Werten werden lediglich die pK-Werte der ähnlich ionisierenden Gruppen herangezogen. Das bedeutet, dass im Falle von basischen Aminosäuren die beiden proximalen pK-Werte oberhalb des isoelektrischen Punkts und bei sauren Aminosäuren die beiden proximalen pK-Werte unterhalb des isoelektrischen Punkts in die obengenannte Gleichung eingesetzt werden und vereinfachend der Mittelwert gebildet wird, z. B. für Lysin (8,95 + 10,53)/2 = 9,74 und für Asparaginsäure (2,09 + 3,86)/2 = 2,98.

Lecithine Bearbeiten

Ein Lecithin mit dem Strukturmerkmal eines Zwitterions. (R)-1-Oleoyl-2-palmitoyl-phosphatidylcholin ist ein Triglycerid mit einem blau markierten gesättigten Fettsäurerest (Palmitoylrest), einem grün markierten einfach ungesättigten Fettsäurerest (Oleoylrest) und einem rot markierten Phosphatidylcholin-Rest. Im Zentrum der Strukturformel ist das dreifach derivatisierte Glycerin (schwarz markiert) erkennbar.

Lecithine sind Phospholipide, die sich aus Fettsäuren, Glycerin, Phosphorsäure und Cholin ableiten. Sie sind Bestandteile der Zellmembran tierischer und pflanzlicher Lebewesen, erlauben das Emulgieren (Vermischen) von Fetten und Wasser und sind somit wichtige natürliche Tenside (Emulgatoren) für Nahrungs- und Futtermittel sowie in der Pharmaindustrie. Dabei sind zwei Hydroxygruppen des Glycerins mit Fettsäuren verestert. Die dritte OH-Gruppe des Glycerins bildet mit einer Phosphatgruppe einen Ester. Die Phosphatgruppe ist weiter mit der OH-Gruppe des Cholins verestert und bildet damit einen Diester. Cholin ist eine quartäre Ammoniumverbindung, trägt also eine positive Ladung und ist ein Kation. Die Phosphatgruppe liegt über einen breiten pH-Bereich als Anion vor, trägt also eine negative Ladung. Somit kann man Lecithine als Zwitterionen bzw. innere Salze auffassen.

Siehe auch Bearbeiten

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Eintrag zu zwitterionic compounds/zwitterions. In: IUPAC (Hrsg.): Compendium of Chemical Terminology. The “Gold Book”. doi:10.1351/goldbook.Z06752 – Version: 2.1.5.
  2. Olaf Kühl: Organische Chemie. Wiley-VCH, Weinheim, 2012, S. 242, ISBN 978-3-527-33199-4.
  3. Albert Gossauer: Struktur und Reaktivität der Biomoleküle. Verlag Helvetica Chimica Acta, Zürich, 2006, S. 371, ISBN 978-3-906390-29-1.
  4. Reinhard Kuhn: Capillary Electrophoresis: Principles and Practice. Springer Science & Business Media, 2013, ISBN 978-3-642-78058-5, S. 79.
  5. Cherng-ju Kim: Advanced Pharmaceutics. CRC Press, 2004, ISBN 978-0-203-49291-8, S. 86–99.
  6. W. T. Godbey: An Introduction to Biotechnology. Elsevier, 2014, ISBN 978-1-908818-48-5, S. 15.
  7. Raymond Chang: Physical Chemistry for the Biosciences. University Science Books, 2005, ISBN 978-1-891389-33-7, S. 291.
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Ein Zwitterion siehe auch Ion ist ein Molekul mit zwei oder mehreren funktionellen Gruppen von denen eine positiv und eine andere negativ geladen ist Besitzt ein Zwitterion beispielsweise zwei funktionelle Gruppen mit entgegengesetzten Ladungen so ist das Molekul am isoelektrischen Punkt insgesamt elektrisch neutral 1 Teilweise wird auch der Begriff inneres Salz fur ein Zwitterion verwendet Eine L Aminosaure als Zwitterion rechts R ist ein Organyl Rest Glycin R H ist das einfachste Beispiel Amidosulfonsaure als Zwitterion rechts Meist handelt es sich bei den Gruppen um eine Saure und eine Basenfunktion Das bekannteste Beispiel sind Aminosauren 2 die sowohl in wassriger Losung als auch in der festen Phase zwitterionisch vorliegen Die Hydroxygruppe gibt ein Wasserstoffion ab und tragt eine negative Ladung die Aminogruppe nimmt ein Wasserstoffion auf und tragt eine positive Ladung Im Unterschied zu Betainen lassen sich die Ladungen also durch Protonenwanderung ausgleichen In Losung sind bei einem bestimmten pH Wert dem isoelektrischen Punkt gleich viele Carboxygruppen zu negativ geladen Carboxylatgruppen deprotoniert wie Aminogruppen zu positiv geladenen Amoniumgruppen protoniert worden sind positiv 3 Dann wandern Aminosauren im elektrischen Feld nicht mehr sondern richten sich nur aus da die Summenladung neutral ist Liegt der pH Wert unter dem isoelektrischen Punkt nimmt die Dissoziation der Carboxygruppe ab und die Aminosaure tragt eine positive Summenladung Liegt der pH Wert daruber nimmt die Dissoziation der Carboxygruppe zu und das Molekul tragt eine negative Summenladung Diesen Effekt nutzt man bei der Elektrophorese und bei der isoelektrischen Fokussierung Am isoelektrischen Punkt ist die Wasserloslichkeit von Aminosauren am geringsten da aufgrund der entstandenen intramolekularen Ladungen keine stabile Hydrathulle mehr gebildet werden kann Bei Peptiden und Proteinen sind die Verhaltnisse analog zu denen bei den Aminosauren Von einer Carboxygruppe des Peptids oder Proteins wandert ein Proton zu einer basischen Aminogruppe die am N terminalen Ende stehen kann aber nicht zwingend stehen muss Inhaltsverzeichnis 1 Berechnung des isoelektrischen Punktes 1 1 Mehrprotonensysteme 2 Lecithine 3 Siehe auch 4 EinzelnachweiseBerechnung des isoelektrischen Punktes BearbeitenDer pH Wert am isoelektrischen Punkt lasst sich bei nicht allzu starker Verdunnung aus den pKs Werten der Sauregruppe und der Aminogruppe berechnen p H p K S 1 p K S 2 2 displaystyle mathrm pH frac pK S1 pK S2 2 nbsp Herleitung Die Saurekonstanten sind definiert als K S 1 c H 3 O c Z w i t t e r i o n c K a t i o n displaystyle mathrm K S1 c H 3 O cdot frac c Zwitterion c Kation nbsp K S 2 c H 3 O c A n i o n c Z w i t t e r i o n displaystyle mathrm K S2 c H 3 O cdot frac c Anion c Zwitterion nbsp Durch Multiplizieren dieser zwei Gleichungen wird die Konzentration c Z w i t t e r i o n displaystyle mathrm c Zwitterion nbsp des Zwitterions eliminiert K S 1 K S 2 c H 3 O 2 c A n i o n 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obengenannte Gleichung eingesetzt werden 4 und vereinfachend der Mittelwert gebildet wird 5 z B fur Lysin 8 95 10 53 2 9 74 6 und fur Asparaginsaure 2 09 3 86 2 2 98 7 Lecithine Bearbeiten nbsp Ein Lecithin mit dem Strukturmerkmal eines Zwitterions R 1 Oleoyl 2 palmitoyl phosphatidylcholin ist ein Triglycerid mit einem blau markierten gesattigten Fettsaurerest Palmitoylrest einem grun markierten einfach ungesattigten Fettsaurerest Oleoylrest und einem rot markierten Phosphatidylcholin Rest Im Zentrum der Strukturformel ist das dreifach derivatisierte Glycerin schwarz markiert erkennbar Lecithine sind Phospholipide die sich aus Fettsauren Glycerin Phosphorsaure und Cholin ableiten Sie sind Bestandteile der Zellmembran tierischer und pflanzlicher Lebewesen erlauben das Emulgieren Vermischen von Fetten und Wasser und sind somit wichtige naturliche Tenside Emulgatoren fur Nahrungs und Futtermittel sowie in der Pharmaindustrie Dabei sind zwei Hydroxygruppen des Glycerins mit Fettsauren verestert Die dritte OH Gruppe des Glycerins bildet mit einer Phosphatgruppe einen Ester Die Phosphatgruppe ist weiter mit der OH Gruppe des Cholins verestert und bildet damit einen Diester Cholin ist eine quartare Ammoniumverbindung tragt also eine positive Ladung und ist ein Kation Die Phosphatgruppe liegt uber einen breiten pH Bereich als Anion vor tragt also eine negative Ladung Somit kann man Lecithine als Zwitterionen bzw innere Salze auffassen Siehe auch BearbeitenAmpholytEinzelnachweise Bearbeiten Eintrag zu zwitterionic compounds zwitterions In IUPAC Hrsg Compendium of Chemical Terminology The Gold Book doi 10 1351 goldbook Z06752 Version 2 1 5 Olaf Kuhl Organische Chemie Wiley VCH Weinheim 2012 S 242 ISBN 978 3 527 33199 4 Albert Gossauer Struktur und Reaktivitat der Biomolekule Verlag Helvetica Chimica Acta Zurich 2006 S 371 ISBN 978 3 906390 29 1 Reinhard Kuhn Capillary Electrophoresis Principles and Practice Springer Science amp Business Media 2013 ISBN 978 3 642 78058 5 S 79 Cherng ju Kim Advanced Pharmaceutics CRC Press 2004 ISBN 978 0 203 49291 8 S 86 99 W T Godbey An Introduction to Biotechnology Elsevier 2014 ISBN 978 1 908818 48 5 S 15 Raymond Chang Physical Chemistry for the Biosciences University Science Books 2005 ISBN 978 1 891389 33 7 S 291 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Zwitterion amp oldid 216265924