Wenn man Aminosäuren anhand von Strukturformeln lernt, werden sie oft in einer neutralen Form wie H2N-CH(R)-COOH gezeichnet. In Wasser und bei physiologischem pH-Wert liegen die meisten Aminosäuren jedoch nicht ausschließlich in dieser Form vor. Vielmehr wird die Zwitterion-Form wichtig, in der die Aminogruppe ein Proton aufnimmt und zu -NH3+ wird, während die Carboxylgruppe ein Proton abgibt und zu -COO- wird.
Was ist ein Zwitterion?
Ein Zwitterion ist eine chemische Spezies, die gleichzeitig eine positive und eine negative Ladung innerhalb desselben Moleküls trägt. Bei Aminosäuren ist der typische Fall, dass die Aminogruppe positiv geladen und die Carboxylgruppe negativ geladen ist. Als Strukturformel lässt sich dies wie folgt darstellen.
+H3N-CH(R)-COO-
| Schreibweise | Form | Merkmale |
|---|---|---|
| Neutrale Form (wie in Strukturformeln gezeichnet) | H2N-CH(R)-COOH |
Häufig in Darstellungen verwendet |
| Zwitterion-Form (in wässriger Lösung) | +H3N-CH(R)-COO- |
Dominante Form bei physiologischem pH |
In dieser Struktur kann die Nettoladung null sein, da sich positive und negative Ladungen im gesamten Molekül ausgleichen. Wichtig ist jedoch, dass dies nicht bedeutet, dass keine Ladungen vorhanden sind, sondern dass das Molekül beide Ladungen intern trägt.
Warum Aminosäuren zu Zwitterionen werden
Warum neigen Aminosäuren dazu, zu Zwitterionen zu werden? Der Grund liegt in den Säure-Base-Eigenschaften der Amino- und Carboxylgruppe.
- Die Carboxylgruppe ist eine funktionelle Gruppe, die als Säure leicht ein Proton abgibt.
- Die Aminogruppe ist eine funktionelle Gruppe, die als Base leicht ein Proton aufnimmt.
Dadurch findet ein Protonentransfer innerhalb desselben Moleküls statt, und die Form, in der die Carboxylgruppe zu -COO- und die Aminogruppe zu -NH3+ wird, ist stabil.
PubChem beschreibt das L-Cysteinylglycin-Zwitterion als durch einen Protonentransfer von der Hydroxylgruppe zur Aminogruppe entstehend und gibt an, dass es bei pH 7,3 die dominante Mikrospezies ist. Dies hilft zu verstehen, dass Aminosäuren und Peptide in Wasser eher als geladene Strukturen denn als einfache neutrale Strukturen vorliegen.
Auswirkungen von Zwitterionen auf physikalische Eigenschaften
Das Vorliegen von Zwitterionen beeinflusst auch die physikalischen Eigenschaften von Aminosäuren. Obwohl Aminosäuren kleine organische Moleküle sind, können sie relativ hohe Schmelzpunkte aufweisen. Dies liegt daran, dass zwischen den Molekülen ionische Wechselwirkungen wirken. Außerdem treten sie leicht mit Wasser in Wechselwirkung, und ihr Ladungszustand in wässriger Lösung ändert sich mit dem pH-Wert.
Beziehung zum isoelektrischen Punkt
Das Verständnis von Zwitterionen erleichtert auch das Verständnis des isoelektrischen Punkts. Am isoelektrischen Punkt wird die Nettoladung des Moleküls null, was jedoch nicht bedeutet, dass keine Ladung vorhanden ist. In vielen Fällen trägt das Molekül gleichzeitig positive und negative Ladungen, die sich ausgleichen. Eine in PMC veröffentlichte Arbeit definiert den pI eines Proteins als den pH-Wert, bei dem die Nettoladung null wird, und erklärt, dass das Protein bei pH unter pI positiv und bei pH über pI negativ geladen ist.
pH-Wert und Änderungen des Ladungszustands
Wenn man das Zwitterion einer Aminosäure anhand der Strukturformel betrachtet, muss man auch den Einfluss des pH-Werts beachten.
| pH-Bedingung | Carboxylgruppe | Aminogruppe | Gesamtladung |
|---|---|---|---|
| Stark sauer | -COOH |
-NH3+ |
Positiv |
| Mittel (nahe dem isoelektrischen Punkt) | -COO- |
-NH3+ |
0 (Zwitterion) |
| Stark basisch | -COO- |
-NH2 |
Negativ |
Das Zwitterion ist auch der Grund, warum Aminosäuren nicht einfach als „neutrale Moleküle" behandelt werden können. Auch wenn sie in der Strukturformel als H2N-CH(R)-COOH gezeichnet werden, muss man in tatsächlicher wässriger Lösung Formen wie +H3N-CH(R)-COO- in Betracht ziehen. Das Verständnis dieses Unterschieds ist hilfreich beim Erlernen von Löslichkeit, isoelektrischem Punkt, Elektrophorese und Oberflächenladung von Proteinen.
Zusammenfassung
Ein Zwitterion einer Aminosäure ist eine Form, in der dasselbe Molekül gleichzeitig positive und negative Ladungen trägt. Da die Aminogruppe zu -NH3+ und die Carboxylgruppe zu -COO- wird, existieren Ladungen im Molekül, auch wenn die Nettoladung null ist. Das Konzept des Zwitterions ist wichtig für das Verständnis der physikalischen Eigenschaften von Aminosäuren, des isoelektrischen Punkts und der Ladung von Proteinen.
