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Isoelektrischer Punkt

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Die Autor*innen
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André Otto
Isoelektrischer Punkt
lernst du in der Oberstufe 5. Klasse - 6. Klasse

Grundlagen zum Thema Isoelektrischer Punkt

Inhalt

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:

Warum bei Aminosäuren ein Zwitterion vorliegt: Zwitterion Glycin

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:

Elektrophorese Aminosäuren

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:

Saure Aminosäuren Asparaginsäure, Glutaminsäure Sie besitzen eine zweite Carboxygruppe.
Neutrale Aminosäuren Polar: Serin, Threonin, Cystein, Selenocystein, Tyrosin, Asparagin, Glutamin, Methionin, Tryptophan
Unpolar: Alanin, Valin, Leucin, Isoleucin, Prolin, Phenylalanin
Sie können anhand ihrer Seitenkette in unpolare und polare Aminosäuren unterteilt werden.
Basische Aminosäuren Lysin, Arginin, Histidin, Pyrolysin Sie besitzen außer der Aminogruppe mindestens ein weiteres Stickstoffatom.

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!

Transkript Isoelektrischer Punkt

Guten Tag und herzlich willkommen!

Dieses Video heißt "Isoelektrischer Punkt". Welche Vorkenntnisse solltet ihr für das Schauen dieses Videos mitbringen? Ihr solltet bereits gute Vorkenntnisse über die Aminosäuren, ihre Kationen, Zwitterionen und Anionen besitzen. Sinnvoll wäre es, wenn ihr euch das Video über die Titrationskurve bereits angesehen habt. Die Begriffe Puffer, pH-Wert und pKs-Wert, sollten euch gut bekannt sein. Ihr solltet vertraut sein mit den Begriffen Dissoziationsstufen, pKs1 und pKs 2 im Zusammenhang mit Aminosäuren. Ziel des Videos ist es, Verständnis bezüglich des isoelektrischen Punktes zu vermitteln.

Gliederung des Videos: 1. Elektrophorese 2. Reaktion mit Ninhydrin 3. Der isoelektrische Punkt 4. Saure, basische und neutrale Aminosäuren und 5. Zusammenfassung.

  1. Elektrophorese

Wir haben bereits gelernt, dass Aminsäuren über die neutrale Darstellungsweise nicht adäquat reproduziert werden. Je nach dem herrschenden pH-Wert haben wir es bei den Aminosäuren mit verschiedenen Ionen zu tun. So können hauptsächlich Kationen vorliegen. Unter anderen Bedingungen liegen hauptsächlich Anionen vor. Das Zwitterion liegt bei bestimmten pH-Wert-Einstellungen in maximaler Konzentration vor. Bei Kationen, Anionen und den Zwitterionen handelt es sich um Ladungsträger. Die beiden erstgenannten sollten den elektrischen Strom leiten, Zwitterionen hingegen nicht.

Der Vorgang der Elektrophorese geht folgendermaßen vonstatten: Man verwendet 1 Stück saugfähiges Papier. Man stellt einen bestimmten pH-Wert mit einem Puffer ein. Im Zentrum des Papiers wird ein Flecken mit der zu untersuchenden Aminosäure aufgetragen. An die Enden des Papiers wird eine Gleichspannung angelegt. Durch die Gleichspannung kommt es längs des Papiers zu einer Ionenwanderung. Anionen wandern zur positiven Elektrode, Kationen zur negativen Elektrode. Die Zwitterionen verharren am Startfleck, weil sie positive sowie negative Ladungen tragen.

  1. Reaktion mit Ninhydrin

Die Behandlung der Flecken von Aminosäure dient dem Ziel, weiße Flecken sichtbar zu machen. Ninhydrin reagiert mit der Aminosäure unter Abspaltung von Kohlenstoffdioxid, eines Aldehyds von Wasser und eines Protons. Im Ergebnis entsteht ein violetter Farbstoff. Zunächst wird das Papier mit Ninhydrin besprüht. Nach einigem Erwärmen kommt es zur Bildung des violetten Farbstoffs. Die Flecken werden sichtbar, denn sie sind von violetter Farbe.

  1. Der isoelektrische Punkt

Nehmen wir als Beispiel die Aminosäure Glycin. Bei einem pH-Wert von 11 bilden sich hauptsächlich Anionen aus der Aminosäure. Diese wandern zur positiv geladenen der Elektrode. Entsprechend wandern bei einem pH-Wert von 2 die gebildeten Kationen zur negativ geladenen Elektrode. Es gibt aber auch einen pH-Wert, der dazwischen liegt. Bei diesem pH-Wert sind hauptsächlich Zwitterionen vorhanden. Dieser pH-Wert beträgt für Glycin 6,1. Bei diesem pH-Wert liegt eine maximale Konzentration an Zwitterionen vor. Das ist der isoelektrische Punkt.

Der isoelektrische Punkt lässt sich aus den beiden pKs-Werten, pKs1 und pKs2, als deren arithmetisches Mittel berechnen. Für Glycerin erhalten wir: pHi=(2,4+9,8)/2. Somit ergibt sich: Der isoelektrische Punkt liegt beim Glycin bei 6,1.

  1. Saure, basische und neutrale Aminosäuren

Der isoelektrische Punkt pHi ist ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal für Aminosäuren. Bei 3,2, das heißt im sauren Bereich, befindet sich der isoelektrische Punkt für Glutaminsäure. Der isoelektrische Punkt für Asparaginsäure befindet sich ebenfalls im sauren Bereich. Am isoelektrischen Punkt liegt die Aminosäure hauptsächlich in Form ihrer Zwitterionen vor.

Es gibt eine Aminosäure, die ihren isoelektrischen Punkt bei 9,7, das heißt im basischen Bereich hat. Es handelt sich dabei um Lysin, deren Zwitterion ich hier darstelle. Liegt der isoelektrische Punkt im pH-Bereich von 5 bis 6,5, so spricht man von neutralen Aminosäuren. Zu den neutralen Aminosäuren zählen Glycin, Alanin, Phenylalanin und Glutamin.

  1. Zusammenfassung

Man kann eine Aminosäure untersuchen, indem man eine Probe dieser Säure auf das Zentrum eines Stückchens saugfähigen Papiers aufträgt. Anschließend legt man eine Gleichspannung an den Papierenden an. Dieser Vorgang wird als Elektrophorese bezeichnet. Für die Aminosäure Glycin ergibt sich, dass bei einem pH-Wert von 11 eine Ionenwanderung in Richtung der positiven Elektrode einsetzt. Bei pH=2 findet eine Ionenwanderung in Richtung der negativen Elektrode statt. Die Flecken der Aminosäure werden durch Behandlung mit Ninhydrin sichtbar gemacht. Bei einem pH-Wert von 6,1 findet praktisch keine Ionenwanderung statt. Die Substanz verharrt am Startfleck. Diesen pH-Wert bezeichnet man als isoelektrischen Punkt. Am isoelektrischen Punkt ist die Konzentration der Zwitterionen der Aminosäure am größten. Man unterscheidet die Aminosäuren je nach Lage ihres isoelektrischen Punktes. Es gibt saure Aminosäuren, zu ihnen zählen Glutaminsäure und Asparaginsäure. Eine basische Aminosäure ist Lysin. Zu den neutralen Aminosäuren zählen Glycin, Alanin, Phenylalanin und Glutamin.

Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute, auf Wiedersehen!

4 Kommentare

4 Kommentare
  1. Hallo Max, vielen Dank für die Antwort! Hat das auch damit was zu tun, dass die Acidität von zb Glycin stärker ausgeprägt ist als die Basizität ? Also die Carboxygruppe eher ein Proton abgibt, auch schon bei pH 7?
    Danke nochmal für deine Hilfe!

    Von Catrin Lehmann, vor fast 2 Jahren
  2. Hallo liebe Catrin,

    die Aminosäuren werden als neutral betitelt, aber diese Bezeichnung leitet sich ja aus dem isoelektrischen Punkt ab, welcher bei pH 5-6,5 liegt. Der Begriff bedeutet also nicht, dass die betreffende Aminosäure "perfekt" neutral ist.

    Liebe Grüße

    Von Max R, vor fast 2 Jahren
  3. Eine Frage: wieso ist der isoelektrische Punkt einer neutralen Aminosäure bei 6 und nicht bei 7 im neutralen pH Bereich?

    Von Catrin Lehmann, vor fast 2 Jahren
  4. supervideo vielen vielen dank hat mir echt weitergeholfen :)))

    Von Sararmis, vor mehr als 9 Jahren

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.

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