Eigenschaften der Aminosäuren

Die Carboxygruppe ist sauer

Eine Carboxygruppe besitzt ein H-Atom, das leicht als Proton H⁺ abgegeben werden kann. Allerdings muss dazu eine Base :B^- in der Umgebung vorhanden sein. Nur eine Base ist in der Lage, das abgegebene Proton aufzunehmen, dabei entsteht dann die Säure H:B, wie die folgende Abbildung zeigt:

Die Carboxylgruppe kann ein Proton an eine Base abgeben
Autor: Ulrich Helmich, Lizenz: siehe Seitenende.

In einer wässrigen Lösung, wie sie zum Beispiel im Cytoplasma vorliegt, sind Hydroxid-Ionen OH^- die wohl häufigsten Basen. Wenn die Carboxygruppe einer Aminosäure ihr Proton an ein solches Hydroxid-Ion abgibt, entsteht ein Wasser-Molekül.

Wasser ist eine der stabilsten chemischen Verbindungen überhaupt. Wenn bei einer chemischen Reaktion Wasser gebildet werden kann, ist dies eine starke Triebkraft für die Reaktion. Bei vielen biochemischen Reaktionen wird in der Tat Wasser freigesetzt, man denke nur an die Bildung von Disacchariden aus zwei Monosacchariden oder an die Bildung von Dipeptiden aus zwei Aminosäuren.

Aus diesem Grund liegt die Carboxygruppe einer Aminosäure unter normalen (neutralen) Bedingungen in der Regel protonenlos vor, also als COO^--Gruppe (Carboxylat-Gruppe).

Asparaginsäure und Glutaminsäure besitzen sogar zwei COOH-Gruppen. Nämlich einmal die "übliche", wie alle Aminosäuren sie im Grundgerüst haben, und dann noch eine zusätzliche in der Seitenkette bzw. im Rest. Diese sauren Aminosäuren können damit theoretisch sogar zwei Protonen an das umgebende Medium abgeben.

Die Aminogruppe ist basisch

Eine Aminogruppe besitzt ein Stickstoff-Atom, das wegen der hohen Elektronegativität und wegen des freien Elektronenpaars leicht das Proton H⁺ einer Säure H:B aufnehmen kann. Damit hat die Aminogruppe die Eigenschaften einer Base!

Die Aminogruppe kann ein Proton aufnehmen
Autor: Ulrich Helmich, Lizenz: siehe Seitenende.

Es gibt zwei Aminosäuren, die neben der "üblichen" Aminogruppe eine weitere Aminogruppe in der Seitenkette haben: Arginin ist stark basisch, Lysin ist etwas weniger stark basisch.

Auch Histidinwird zu den basischen Aminosäuren gezählt, obwohl es nur sehr schwach basisch ist.

Aminosäuren als Zwitter-Ionen

Da eine Aminosäure sowohl eine saure Carboxylgruppe wie auch eine basische Amino-Gruppe besitzt, kann sie gleichzeitig positiv und negativ geladen sein.

Ein Zwitterion ist gleichzeitig positiv und negativ
Autor: Ulrich Helmich, Lizenz: siehe Seitenende.

Die pH-Abhängigkeit der Ladung einer Aminosäure

Eine Aminosäure kann je nach pH-Wert des Lösemittels positiv oder negativ geladen sein oder als Zwitterion vorliegen. Betrachten wir dazu die folgende Abbildung:

Die pH-Abhängigkeit der Ladung einer Aminosäure
Autor: Ulrich Helmich, Lizenz: siehe Seitenende

pH = 1, stark sauer

Hier liegen Protonen im Überschuss vor, in der Lösung befinden sich viel mehr Protonen als Hydroxid-Ionen. Die Wahrscheinlichkeit, dass sich daher ein Proton an das freie Elektronenpaar einer Aminogruppe setzt, ist sehr hoch. Die Aminogruppen der Aminosäuren werden daher zum allergrößten Teil als NH₃⁺-Gruppe vorliegen, die Aminosäure ist dann positiv geladen und gut wasserlöslich.

Die Carboxygruppen der Aminosäuren geben vielleicht mal ein Proton ab, aber wegen des hohen Protonenüberschusses in dem Medium ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass sich sofort wieder ein Proton an die negativ geladene COO^--Gruppe setzt, so dass diese wieder zur neutralen COOH-Gruppe wird. Eine negative Ladung an der Carboxygruppe ist bei einem derart sauren pH-Wert also höchst unwahrscheinlich.

pH = 6, schwach sauer bis neutral

Die Zahl der Protonen in dem Lösemittel hat jetzt stark abgenommen. Genauer gesagt, beträgt die Konzentration der Protonen nur noch 10^-6 mol/l, während sie bei pH=1 mit 10^-1 mol/l 100.000 mal höher war.

Die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Proton an die Aminogruppe setzt, ist immer noch einigermaßen groß, aber lange nicht so groß wie bei einem pH-Wert von 1. Umgekehrt sind aber noch nicht allzu viele Hydroxid-Ionen im Lösemittel. Die Wahrscheinlichkeit, dass eine positiv geladene Aminogruppe ihr Proton an ein Hydroxid-Ion abgibt, ist also noch nicht allzu hoch. Die meisten Aminogruppen behalten also bei diesem pH-Wert ihr Proton und sind weiterhin positiv geladen.

Die Carboxygruppe hat relativ starke saure Eigenschaften, hat also immer eine große Tendenz, ihr Proton abzugeben. Bei der recht geringen Protonenkonzentration von nur 10^-6 mol/l wird diese Tendenz gefördert; das chemische Gleichgewicht der Protolyse wird auf die Seite der COO^--Gruppe verschoben (bei einer hohen Protonenkonzentration wird das Gleichgewicht dagegen auf die Seite der COOH-Gruppe verschoben, so wie bei pH = 1).

Die Aminosäure liegt jetzt als Zwitterion vor: Die Aminogruppe ist positiv geladen, die Carboxygruppe negativ. Die Wasserlöslichkeit von Zwitterionen ist sehr gering.

Sobald der pH-Wert wieder etwas sinkt (Zunahme der Protonenkonzentration), nimmt die Carboxylatgruppe wieder ein Proton auf, und wenn der pH-Wert etwas steigt (Abnahme der Protonenkonzentration), gibt die Ammoniumgruppe ihr Proton ab. Als Zwitterion liegt die Aminosäure also nur bei einem ganz bestimmten pH-Wert vor. Diesen pH-Wert bezeichnet man als isoelektrischen Punkt.

pH = 11, stark alkalisch

Bei einem pH-Wert von 11 ist die Konzentration der Protonen im Lösemittel extrem gering. Es gilt: c(H⁺) = 10^-11 mol/l. Die Protolysegleichgewichte der Amino- und Carboxygruppen werden dadurch stark auf die rechte Seite verschoben. Die Aminogruppen liegen als neutrale NH₂-Gruppen vor, und die Carboxygruppen haben fast alle ihr Proton abgegeben und liegen als COO^--Gruppen vor. Die Aminosäuren sind jetzt also mit einer hohen Wahrscheinlichkeit negativ geladen und damit gut wasserlöslich.