Chemie Grundlagen

Isoelektrischer Punkt

Was ist ein isoelektrischer Punkt und was ein Zwitterion? Wie hängt das mit Aminosäuren zusammen? Das alles erklären wir dir in diesem Artikel. 

Um das Thema noch schneller zu verstehen, kannst du dir gerne unser Video dazu anschauen!%Videoverweis

Inhaltsübersicht

Isoelektrischer Punkt einfach erklärt

Der isoelektrische Punkt (auch IEP, iP, pI, pHI genannt) ist der pH-Wert , an dem ein Molekül isoelektrisch ist, also nach außen hin neutral. Ein isoelektrischer Punkt kommt sowohl bei Zwitterionen als auch bei Ampholyten vor. Bei Aminosäuren tragen nicht nur die Amino- und die Säuregruppe zum isoelektrischen Punkt bei, sondern auch die Reste, welche sauer, basisch oder neutral sein können. Der isoelektrische Punkt kann berechnet werden, indem du die pKS-Werte addierst und anschließend durch 2 teilst.

Definition

Der isoelektrische Punkt ist der pH-Wert, an dem sich die Ladungen von einem Zwitterion oder Ampholyt in wässriger Lösung ausgleichen. Die Berechnung erfolgt mit dieser Formel:

pHi = \frac{pK_S_1 + pK_S_2}{2}

Zwitterion

Moleküle, welche mindestens eine positive und mindestens eine negative Ladung tragen, kannst du Zwitterionen oder inneres Salz nennen. Die Ladungen der funktionellen Gruppen gleichen sich aus, wodurch das Molekül nach außen hin neutral ist. Bei den funktionellen Gruppen handelt es sich meist um Säure- oder Basengruppen . Der pH-Wert, bei dem genau gleich viele negative wie positive Ladungen vorhanden sind, wird isoelektrischer Punkt genannt. Hier ist das Zwitterion isoelektrisch, also nach außen hin ungeladen. Ein isoelektrischer Punkt kommt nicht nur bei Zwitterionen vor, sondern auch Ampholyte können einen isoelektrischen Punkt haben. Im neutralen Zustand tragen Amphotere keine Ladung, während Zwitterionen (mindestens) 2 tragen, welche sich ausgleichen.

Mit Hilfe einer Elektrophorese kannst du Moleküle nach ihrer Ladung auftrennen. In einem elektrischen Feld wandern die Moleküle in den Bereich, der denselben pH-Wert hat wie ihr isoelektrischer Punkt. Woher weißt du jetzt, zu welchem Pol ein Molekül wandert? Wenn der pH-Wert unter dem isoelektrischen Punkt liegt, dann liegt das Molekül positiv geladen vor. Das liegt daran, dass die Konzentration an Protonen (H+) bei niedrigem pH-Wert größer ist. Eine basische Gruppe kann ein weiteres Proton aufnehmen und wird positiv geladen. Daraus folgt, dass das Molekül zur negativ geladenen Kathode wandert. Bei einem pH-Wert über dem isoelektrischen Punkt gibt es hingegen mehr negative Ladungen. Es gibt eine geringere Konzentration von Protonen, weshalb die Säuregruppe vermehrt dissoziiert, also ein Proton abgibt.  Das Molekül ist negativ geladen und wandert zur positiv geladenen Anode.%Bild vom Zwitterion und der Wanderung von Kation und Anion in der Elektrophorese

Zwitterionen findest du überall: Aminosäuren und Proteine oder Peptide sind typische Beispiele. Aminosäuren tragen die funktionellen Gruppen bereits im Namen: Aminogruppen sind basische Gruppen und Säuren natürlich saure Gruppen. Peptide sind Moleküle, die aus Aminosäuren bestehen, welche wiederum durch Peptidbindungen verbunden werden. Proteine sind große Peptide. 

Isoelektrischer Punkt berechnen

Den isoelektrischen Punkt kannst du mit den pKS-Werten der funktionellen Gruppen berechnen, also der Säuregruppe und der Aminogruppe. Die pKS-Werte kannst du mit der Titrationskurve herausfinden. Zwitterionen besitzen mindestens 2 pKS-Werte. Diese musst du addieren und anschließend durch 2 teilen. Wenn das Molekül sogar mehr als 2 pKS-Werte gibt, dann wird das ein bisschen komplizierter. Zuerst musst du hier zwischen sauren und basischen Zwitterionen unterscheiden. Bei sauren Zwitterionen verwendest du in der Gleichung die beiden pKS-Werte der sauren Gruppen. Bei basischen Zwitterionen nimmst du die pKS-Werte der basischen Gruppen.%Bild von einer Aminosäure mit mehr als 2 pK<sub>S</sub>-Werten

pHi = \frac{pK_S_1 + pK_S_2}{2}

Isoelektrischer Punkt Aminosäuren

Typischerweise findet der isoelektrische Punkt Anwendung bei Aminosäuren. Die einfachste Aminosäure ist Glycin (H2N–CH2–COOH) und verbindet die Aminogruppe (H2N) und die Carboxygruppe (COOH) mit einer Methylgruppe (CH2). Die pKS-Werte liegen bei 2,4 und 9,8. Damit ergibt sich für den isoelektrischen Punkt:

pHi = \frac{pK_S_1 + pK_S_2}{2} = \frac{2,4 + 9,8}{2} = 6,1

Während der Rest R von Glycin also CH2 ist, unterscheiden sich die anderen Aminosäuren (H2N–R–COOH) an genau dieser Stelle. Je nachdem, wie der jeweilige Rest aussieht, handelt es sich um eine saure, basische oder neutrale Aminosäure. In der folgenden Tabelle haben wir für dich die pKS-Werte und den daraus berechneten isoelektrischen Punkt für die Aminosäuren aufgelistet. Bei den Aminosäuren mit mehr als 2 pKS-Werten haben wir bereits die relevanten pKS-Werte ausgewählt.

Aminosäure pKS1 pKS2 IEP
Alanin 2,3 9,9 6,1
Arginin 9,09 13,2 11,76
Asparagin 2,02 8,8 5,41
Asparaginsäure 1,88 3,65 2,85
Cystein 1,71 8,33 5,05
Glutamin 2,17 9,13 5,65
Glutaminsäure 2,19 4,25 3,22
Glycin 2,21 9,15 5,68
Histidin 5,97 8,97 7,47
Isoleucin 2,32 9,76 6,04
Leucin 2,4 9,6 6
Lysin 8,9 10,28 9,59
Methionin 2,28 9,21 5,75
Phenylalanin 2,58 9,24 5,91
Prolin 1,99 10,6 6,3
Serin 2,21 9,15 5,68
Threonin 2,1 9,12 5,61
Tryptophan 2,15 9,12 5,64
Tyrosin 2,2 9,11 5,66
Valin 2,3 9,6 5,95

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