Aminosäuren enthalten ionisierbare Gruppen, die je nach pH-Wert ihrer Umgebung Protonen gewinnen oder verlieren. Das Verständnis des Titrationsverhaltens und des isoelektrischen Punkts (pI) von Aminosäuren ist für die Proteinchemie und Trenntechniken wie die isoelektrische Fokussierung von grundlegender Bedeutung.

Ionisierbare Gruppen in Aminosäuren

Die Alpha-Carboxylgruppe

Jede Aminosäure hat eine Alpha-Carboxylgruppe mit einem pKa-Wert von etwa 2,2. Bei pH-Werten unterhalb dieses pKa-Wertes ist die Gruppe protoniert (COOH). Bei pH-Werten darüber wird es deprotoniert (COO-).

Die Alpha-Amino-Gruppe

Jede Aminosäure hat eine Alpha-Aminogruppe mit einem pKa-Wert von etwa 9,4. Bei pH-Werten unterhalb dieses pKa-Wertes ist die Gruppe protoniert (NH3+). Bei pH-Werten darüber wird es deprotoniert (NH2).

Ionisierbare Seitenkettengruppen

Sieben Aminosäuren haben zusätzliche ionisierbare Gruppen in ihren Seitenketten: Asparaginsäure (pKa ~3,9), Glutaminsäure (pKa ~4,1), Histidin (pKa ~6,0), Cystein (pKa ~8,3), Tyrosin (pKa ~10,1), Lysin (pKa ~10,5) und Arginin (pKa ~12,5).

Titrationskurve

Titration einer einfachen Aminosäure

Wenn Alanin (keine ionisierbare Seitenkette) mit Base titriert wird, zeigt es zwei Pufferbereiche. Bei niedrigem pH-Wert ist es mit einer Ladung von +1 vollständig protoniert. Bei Zugabe einer Base verliert die Carboxylgruppe zunächst ihr Proton, wodurch ein Zwitterion ohne Nettoladung entsteht. Durch weitere Zugabe wird die Aminogruppe deprotoniert, was zu einer Ladung von -1 führt.

Der isoelektrische Punkt (pI)

Der isoelektrische Punkt ist der pH-Wert, bei dem die Aminosäure die gleiche positive und negative Ladung aufweist, sodass keine Nettoladung vorliegt. Für Aminosäuren ohne ionisierbare Seitenketten ist der pI der Durchschnitt der beiden pKa-Werte: pI = (pKa1 + pKa2) / 2.

pI für Aminosäuren mit ionisierbaren Seitenketten

Bei sauren Aminosäuren (Asparaginsäure, Glutaminsäure) ist der pI der Durchschnitt der beiden niedrigsten pKa-Werte. Für basische Aminosäuren (Lysin, Arginin, Histidin) ist der pI der Durchschnitt der beiden höchsten pKa-Werte.

Anwendungen

Der pI ist entscheidend für die Proteinreinigung mittels isoelektrischer Fokussierung, einer Technik, die Proteine anhand ihres pI in einem pH-Gradienten trennt. Bei ihrem pI sind Proteine ​​nur minimal löslich und wandern nicht in einem elektrischen Feld.