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Isoelektrischer Punkt

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Chemie

Der isoelektrische Punkt kommt beispielsweise bei Proteinen häufig vor und ist somit ein wichtiger Aspekt im Themengebiet der Aminosäuren in der Chemie. In diesem Artikel erfährst du, was der isoelektrischen Punkt ist, wie man ihn berechnet und was er mit der Elektrophorese zu tun hat. Damit bist du bestens für deine nächste Prüfung vorbereitet.

Viel Spaß beim Lernen!

Was ist der isoelektrische Punkt?

Der isoelektrische Punkt, oft mit IEP, IP oder pI abgekürzt, ist der pH-Wert, bei dem die Zahl der positiven und negativen Ladungen eines amphoteren Moleküls in wässriger Lösung im statistischen Mittel genau gleich ist, die Ladungen sich also ausgleichen. Das Molekül ist bei diesem pH-Wert dann nach außen hin neutral geladen, beziehungsweise isoelektrisch. Am isoelektrischen Punkt wandern Aminosäuren im elektrischen Feld nicht mehr.

Der isoelektrische Punkt kommt sowohl bei Zwitterionen als auch bei Ampholyten, also zum Beispiel bei Aminosäuren oder Proteinen 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 ist zudem stark von der Temperatur abhängig.

Die Elektrophorese

Das Prinzip des isoelektrischen Punkts wird bei der Elektrophorese deutlich. Die Elektrophorese von Elektrolyt-Lösungen stellt eine wichtige Methode zur Stofftrennung dar. Man untersucht dabei, wie Ionen unter Einwirkung eines elektrischen Feldes wandern und kann somit auf die Ladungen im Molekül schließen. Dazu muss man den pH-Wert der Lösung variieren. Bei der Elektrophorese erkennt man den Effekt, dass die Moleküle bei einem bestimmten pH-Wert, nämlich am isoelektrischen Punkt, nicht wandern.

Ein mögliches Experiment ist die Papierelektrophorese. Dabei wird zunächst ein Filterpapierstreifen mit einer Pufferlösung angefeuchtet, der pH-Wert der Lösung muss dabei bekannt sein. Anschließend markiert man in der Mitte des Streifens einen Startpunkt und trägt dort einen Tropfen Aminosäurelösung auf.

Als nächstes legt man an die Enden des Papierstreifens über geeignete Kontakte eine Gleichspannung an und entfernt die Elektroden nach einer gewissen Zeit. Den Papierstreifen lässt man trocknen und besprüht diesen mit einer Aminosäure-Reagenz, sodass sie sichtbar wird. Den Versuch kannst du dir folgendermaßen vorstellen:

flexikon.doccheck.com

Erkennbar wird dabei Folgendes: Liegt der pH-Wert bei 2 (linkes Bild), wandert die Aminosäure zur Kathode, da die Kationen überwiegen. Bei einem pH-Wert von 11 (rechtes Bild) liegen hauptsächlich Anionen vor, die in der Pufferlösung zur Anode wandern. Am isoelektrischen Punkt hingegen entfernt sich die Aminosäure nicht vom Startpunkt (mittleres Bild). Die Zahl der negativen Ladungen kompensiert in dem Moment die Anzahl der positiven Ladungen. In dieser Situation liegt die Aminosäure überwiegend als Zwitterion vor.

Liegt der pH-Wert also unter dem isoelektrischen Punkt, nimmt die Dissoziation der Säuregruppe ab und die Aminosäure trägt eine positive Summenladung. Das Molekül wandert also zur Kathode. Liegt der pH-Wert darüber, nimmt die Dissoziation der Säure hingegen zu und die Aminogruppe gibt das Wasserstoffion ab, das Molekül trägt also eine negative Summenladung. Das Molekül wandert dann zur Anode.

Wie berechnet man den isoelektrischen Punkt?

Der isoelektrische Punkt lässt sich mit Hilfe der pKs-Werte der funktionellen Gruppen berechnen, also der Säuregruppe und der Aminogruppe. Der pKs-Wert ist eine Stoffkonstante, die die Stärke einer Säure beschreibt. Je kleiner der pKs-Wert ist, desto stärker ist die Säure. Ermitteln kannst du diesen Wert mit einer Titrationskurve.

Zwitterionen besitzen mindestens zwei pKs-Werte. Diese werden addiert und anschließend durch zwei geteilt. Wenn das Molekül allerdings mehr als zwei pKs-Werte hat, muss zwischen den sauren und den basischen Zwitterionen unterschieden werden. Bei sauren Zwitterionen verwendet man in der Gleichung die beiden pKs-Werte der sauren Gruppen, bei basischen Zwitterionen dagegen die pKs-Werte der basischen Gruppen.

Formel zur Berechnung des isoelektrischen Punkts

Die Gleichung für den pH-Wert des isoelektrischen Punktes lautet dann:

pHi = (pKs1 + pKs2)/2

Anhand eines Beispiels mit der einfachsten Aminosäure Glycin wird die Rechnung noch etwas deutlicher. Glycin (H2N–CH2–COOH) verbindet die Aminogruppe (H2N) und die Carboxygruppe (COOH) mit einer Methylgruppe (CH2). Die pKs-Werte liegen bei 2,4 und 9,8. Für den isoelektrischen Punkt ergibt sich somit:

pHi = (pKs1 + pKs2)/2 = (2,4 + 9,8)/2 = 6,1

Mit dieser Gleichung kannst du die isoelektrischen Punkte von verschiedenen Aminosäuren leicht berechnen.

Alles Wichtige zum isoelektrischen Punkt auf einen Blick!

Na, schon am Ende des Artikels angekommen? Zu guter Letzt erhältst du hier noch einen Überblick über die wichtigsten Informationen zum isoelektrischen Punkt, damit du nichts Wichtiges mehr vergisst.

  • Der isoelektrische Punkt ist der pH-Wert, bei dem die Zahl der positiven und negativen Ladungen eines amphoteren Moleküls in wässriger Lösung gleich ist, die Ladungen sich also ausgleichen. Das Molekül ist dann nach außen hin neutral geladen.
  • Der isoelektrische Punkt kommt sowohl bei Zwitterionen als auch bei Ampholyten, also zum Beispiel bei Aminosäuren oder Proteinen vor. Bei Aminosäuren tragen die Amino- und die Säuregruppe, aber auch die Reste zum isoelektrischen Punkt bei.
  • Bei der Elektrophorese wird untersucht, wie Ionen unter Einwirkung eines elektrischen Feldes wandern, um somit auf die Ladungen im Molekül zu schließen. Man erkennt dann den Effekt, dass die Moleküle bei einem bestimmten pH-Wert, nämlich am isoelektrischen Punkt, nicht wandern.
  • Wenn der pH-Wert unter dem isoelektrischen Punkt liegt, liegt das Molekül positiv geladen vor und wandert zur negativ geladenen Kathode. Bei einem pH-Wert über dem isoelektrischen Punkt gibt es mehr negative Ladungen, das Molekül wandert zur positiv geladenen Anode.
  • Ein mögliches Experiment ist die Papierelektrophorese, bei der Aminosäurelösung auf einen Papierstreifen aufgetragen wird und dieser dann an eine Gleichspannung angelegt wird.

Den isoelektrischen Punkt kann man mit Hilfe der pKs-Werte der funktionellen Gruppen berechnen. Die Gleichung lautet dann pHi = (pKs1 + pKs2)/2.

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