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Aufgabe:

Das Hydrolysat kann durch eine Elektrophorese getrennt werden: zeigen sie am Beispiel der Glutaminsäure wie sich der Ladungszustand in Abhängigkeit des pH-Werts ändert.

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Trennmethoden von Aminosäuren

Um zu zeigen, wie sich der Ladungszustand der Glutaminsäure in Abhängigkeit des pH-Werts ändert, müssen wir uns zunächst die Struktur der Glutaminsäure und ihre funktionellen Gruppen anschauen. Glutaminsäure (oder Glutamat) ist eine Aminosäure, die sowohl eine Carboxylgruppe (-COOH) als auch eine Aminogruppe (-NH\(_2\)) besitzt. Zudem hat sie eine zusätzliche Carboxylgruppe in ihrer Seitenkette, was für die Betrachtung ihrer Ladung bei verschiedenen pH-Werten entscheidend ist.

Eine Aminosäure kann aufgrund ihrer funktionellen Gruppen je nach pH-Wert in drei verschiedenen Formen vorliegen:
- Zwitterionisch (isoelektrischer Punkt, pI)
- Positiv geladen (pH < pI)
- Negativ geladen (pH > pI)

Für Glutaminsäure sind die relevanten pK\(_a\) Werte wie folgt:
- pK\(_a1\) (Carboxylgruppe der Hauptkette): etwa 2,2
- pK\(_a2\) (Seitenkette Carboxylgruppe): etwa 4,25
- pK\(_a3\) (Aminogruppe): etwa 9,67

Diese pK\(_a\) Werte geben an, bei welchem pH-Wert 50% der jeweiligen Gruppen (Carboxyl- oder Aminogruppe) ionisiert sind.

pH-Wert < 2,2: Bei sehr niedrigen pH-Werten (<2,2) sind sowohl die Carboxylgruppen als auch die Aminogruppe nicht ionisiert. Die Aminosäure liegt größtenteils in ihrer protonierten Form vor, d.h. die Aminogruppe trägt eine positive Ladung (\(-NH_3^+\)), während die Carboxylgruppen (\(-COOH\)) neutral sind. Die Aminosäure ist insgesamt positiv geladen.

pH-Wert zwischen 2,2 und 4,25: Wenn der pH-Wert steigt und den ersten pK\(_a\) (2,2) überschreitet, dissoziiert die Hauptketten-Carboxylgruppe, und die Aminosäure beginnt, eine negative Ladung zu tragen, während die Aminogruppe immer noch positiv geladen ist. In diesem Bereich beginnt die Aminosäure sich dem Zustand eines Zwitterions zu nähern, ist aber insgesamt immer noch positiv geladen.

pH-Wert zwischen 4,25 und 9,67: Zwischen den pK\(_a\) Werten der Seitenketten-Carboxylgruppe (4,25) und der Aminogruppe (9,67) ist Glutaminsäure hauptsächlich als Zwitterion vorzufinden (\(-NH_3^+\) und einmal \(-COO^-\) für die Hauptkette und einmal \(-COO^-\) für die Seitenkette), da jetzt beide Carboxylgruppen ionisiert sind, während die Aminogruppe positiv geladen bleibt. Bei einem pH-Wert, der nahe dem pI der Glutaminsäure liegt, ist die Aminosäure insgesamt neutral geladen.

pH-Wert > 9,67: Überschreitet der pH-Wert den pK\(_a3\) Wert der Aminogruppe, wird auch diese Gruppe deprotoniert und trägt eine negative Ladung (\(-NH_2\)). Da nun beide Carboxylgruppen und die Aminogruppe ionisiert sind, ist die Glutaminsäure insgesamt negativ geladen.

Zusammengefasst:
- Unter pH 2,2: Glutaminsäure ist überwiegend positiv geladen.
- Zwischen pH 2,2 und 4,25: Glutaminsäure beginnt negativ geladen zu werden, ist aber insgesamt positiv.
- Zwischen pH 4,25 und 9,67: Glutaminsäure ist ein Zwitterion und um den pI herum neutral.
- Über pH 9,67: Glutaminsäure ist überwiegend negativ geladen.

Diese Änderung der Ladung bei unterschiedlichen pH-Werten ist grundlegend für die Trennung von Aminosäuren durch Elektrophorese, da moleküle mit unterschiedlichen Ladungen bei Anlegen eines elektrischen Feldes sich unterschiedlich schnell bewegen und somit getrennt werden können.
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