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Isoelektrischer Punkt

Der isoelektrische Punkt (IEP) ist der pH-Wert, bei dem ein Molekül neutral ist. Erfahre, wie er mit Zwitterionen zusammenhängt und was bei der Elektrophorese zu beachten ist. Interessiert? Erfahre mehr im folgenden Text!

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Die Autor*innen
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André Otto
Isoelektrischer Punkt
lernst du in der 9. Klasse - 10. Klasse

Isoelektrischer Punkt Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Isoelektrischer Punkt kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe den isoelektronischen Punkt von Aminosäuren.

    Tipps

    Die Ninhydrin-Reaktion ist eine Nachweisreaktion für Aminogruppen, da hier ein Farbstoff entsteht.

    Aminosäuren können auch in der oben abgebildeten Form vorliegen. Da sie sowohl anionische als auch kationische Eigenschaften aufweisen, stellt dies eine Mischform dar.

    Lösung

    Aminosäuren reagieren, trotz ihres Namens, nicht alle sauer. Tatsächlich liegen je nach pH-Wert andere Ionen vor. Hierbei können sowohl Kationen (an der Aminogruppe) als auch Anionen (an der Carboxylgruppe) gebildet werden. Welche Form vorliegt ist pH-abhängig. Eine Aminosäure kann auch als Zwitterion vorliegen, was bedeutet, dass sie sowohl positiv als auch negativ geladen ist. Am sogenannten isoelektronischen Punkt liegt die größte Anzahl an Zwitterionen vor, wodurch dieser ($pH_i$) eine charakteristische Größe für jede Aminosäure darstellt.

    Gibt man nun etwas Aminosäure auf ein Blatt und legt eine Spannung an, so bewegen sich die Anionen zum Pluspol, die Kationen zum Minuspol und die Zwitterionen verbleiben in der Mitte. Dies erinnert an die Ionenwanderung im Daniell-Element.

    Als Nachweis für Aminosäuren bietet sich die Reaktion mit Ninhydrin an, bei der ein violetter Farbstoff entsteht.

  • Erkläre die Reaktion von Aminosäuren mit Ninhydrin.

    Tipps

    Überlege, in welcher Reihenfolge man die Aminosäure nachprüfen kann.

    Die Reaktion benötigt etwas Energie, damit sie anläuft.

    Der Nachweis der Aminosäure basiert auf der Farbstoffbildung, wenn die Reaktion abgeschlossen ist.

    Lösung

    Die Reaktion mit Ninhydrin ist ein klassischer Nachweis für Aminogruppen und Ammoniak. Unter Abspaltung von Wasser und der De-Carboxylierung entsteht Amino-Ninhydrin, welches dann mit einem weiteren Ninhydrin-Molekül zum violetten Farbstoff Ruhemannspurpur dimerisiert.

    Zum Ablauf ist zu sagen, dass zuerst die Aminosäure auf das Blatt aufgetragen wird, dann es mit Ninhydrin besprüht wird. Daraufhin beginnt man das Erwärmen, bei dem allmählich die oben beschriebene Reaktion einsetzt. Schließlich werden die Flecken des Farbstoffs sichtbar.

  • Charakterisiere den isoelektrischen Punkt.

    Tipps

    Erinnere dich, wie man auf die Berechnung des pH-Werts kam. Dies ist analog zum Vorgehen in diesem Fall.

    Ein Synonym für Ampholyt wäre „amphoter“.

    Lösung

    Der isoelektrische Punkt ist eine für jede Aminosäure charakteristische Größe. An diesem Punkt liegt die Aminosäure als Zwitterion vor. Die Aminosäure funktioniert hier als Ampholyt. Das bedeutet, dass sie sowohl als Base als auch als Säure in wässriger Lösung reagieren kann.

    Die pH-Wert Berechnung der Aminosäure ist denkbar einfach und beruht darauf, dass die folgenden Gleichungen gelten:

    ${ K }_{ s1 }\quad =\quad c({ H }_{ 3 }{ O }^{ + })\quad \cdot \quad [c(Zwitterion)\quad \cdot \quad c(Kation)]$

    ${ K }_{ s2 }\quad =\quad c({ H }_{ 3 }{ O }^{ + })\quad \cdot \quad [c(Zwitterion)\quad \cdot \quad c(Anion)]$

    Hier stellt man nach c(Zwitterion) um und setzt in die andere Gleichung ein [c(anion) ist am isoelektrischem Punkt gleich c(kation)], sodass sich folgende Gleichung ergibt:

    $pH\quad =\quad \frac { { pK }_{ 1 }+{ pK }_{ 2 } }{ 2 } \quad =\quad IeP\quad $

  • Beschreibe die Wanderung der Aminosäuren.

    Tipps

    Überlege, wie sich geladene Teilchen unter Spannung verhalten (führe dir hier noch einmal die Wanderung der Teilchen im Daniell-Element vor Augen).

    Wenn eine Spannung angelegt wird, werden sich geladene Teilchen entsprechend bewegen.

    Teilchen, die zwei verschiedene Ladungen enthalten, die aber dieselbe Wertigkeit haben, sind nach außen hin ungeladen. Denke hierbei an Speisesalz (${ Na }^{ + }{ Cl }^{ - }$).

    Lösung

    Richtig ist, dass das Phenylalanin in der Mitte bleiben, die Asparaginsäure zum Pluspol und das Lysin zum Minuspol wandern würde, wenn eine Spannung angelegt würde.

    Dies deckt sich mit dem im Video beschriebenen Phänomen. Das Zwitterion, welches sowohl positiv als auch negativ ist und sich somit selbst ausgleicht, weist keine elektronische Präferenz auf. Im Gegenteil dazu werden Kationen vom Minuspol angezogen, da es dort einen Elektronenüberschuss gibt. Bei den Anionen ist es genau umgekehrt.

  • Bestimme die Zwitterionen der Aminosäuren.

    Tipps

    Am isoelektronischen Punkt liegt die Aminosäure als Zwitterion vor.

    Ionenformen, die bekannt sein sollten, sind Kationen (positiv) und Anionen (negativ). Ein Zwitterion könnte also eine Art Mischform aus beiden sein.

    Lösung

    Am isolelektrischen Punkt liegt die Aminosäure als sogenanntes Zwitterion vor. Das bedeutet, dass es sowohl positiv als auch negativ geladen ist. Diese Effekte heben sich im Endeffekt auf, sodass man es als ungeladen behandeln könnte (ähnlich wie ein Salz, welches auch aus positiven Kationen und negativen Anionen besteht).

    Achte nun also darauf, dass ein Zwitterion vorliegt, wenn du eine Aminosäure erkennen willst, die am isoelektronischen Punkt vorliegt.

  • Bestimme das Säure/Base-Verhalten folgender Aminosäuren in wässriger Lösung.

    Tipps

    Bedenke, welche Eigenschaften die organischen Gruppen in den Seitenresten haben (Aminogruppen, Hydroxygruppe usw.).

    Organische Säuren, wie etwa die Carbonsäuren, bestehen aus einer Carboxygruppe (-COOH), wobei die Hydroxygruppe das Proton abspaltet.

    Die Aminogruppe besitzt am Stickstoff ein freies Elektronenpaar, womit es Protonen einer Säure aufnehmen könnte.

    Lösung

    Die Nebengruppe der Aminosäuren entscheidet darüber, ob diese sauer, basisch oder neutral reagieren.

    Saure Aminosäuren haben im Aminosäurerest eine Carboxylgruppe, welche ein Proton abgeben können. So bildet sich ein negativer Seitenrest, während die Aminosäure als klassische Bronsted-Säure agiert hat.

    Die basischen Aminosäuren haben dagegen eine Aminogruppe oder ein Stickstoffatom mit freiem Elektronenpaar, sodass diese als Base fungieren können. Zurück bleibt hier ein positiv geladener Seitenrest.