Het iso-elektrisch punt van een aminozuur

Het iso-elektrisch punt van een aminozuur is de pH (zuurtegraad) waarbij dit aminozuur niet onderhevig is aan een elektrisch veld. Indien je het aminozuur bij deze pH tussen de positieve en de negatieve elektrode van een gelijkspanningsbron brengt, zal het aminozuur dus niet worden aangetrokken door de positieve en ook niet door de negatieve elektrode van deze spanningsbron. Bij een hogere pH zal het aminozuur negatief geladen zijn en dus migreren in de richting van de positieve elektrode en bij een lagere pH zal het aminozuur positief geladen zijn en bewegen in de richting van de negatieve elektrode. Op deze manier kan dus een mengsel van aminozuren worden gescheiden.

• Structuur en chemische eigenschappen van een aminozuur
• De moleculaire structuur
• Het Zwitterion
• Het amfoteer karakter van een aminozuur
• Het iso-elektrisch punt van een aminozuur
• Voorbeelden van aminozuren met een neutrale R-groep
• Voorbeelden van aminozuren met een basische R-groep
• Voorbeelden van aminozuren met een zure R-groep
• Scheiding door elektroforese
• Elektroforese
• Elektroforese van aminozuren
• Overzicht van de α-aminozuren

Structuur en chemische eigenschappen van een aminozuur

De moleculaire structuur

Een aminozuur bevat een carboxylgroep (-COOH) en een aminogroep (-NH₂). Bij een α-aminozuur zitten beiden groepen op hetzelfde koolstofatoom, ook de α-koolstof genoemd. Dit koolstofatoom is nog gebonden aan twee andere atomen. Bij het eenvoudigste α-aminozuur (glycine) zijn deze twee atomen waterstofatomen. De andere aminozuren zijn gebonden aan 1 waterstofatoom en aan een zijgroep (R-groep). Aminozuren verschillen dus van elkaar op basis van die bepaalde R-groep. Er bestaan 20 α-aminozuren, deze vormen de bouwstenen van de proteïnen.

Het Zwitterion

Binnen een aminozuur kan er een intramoleculaire protonenoverdracht optreden. De carboxylgroep geeft hierbij zijn proton (H⁺) af aan de aminogroep van hetzelfde molecule (intra). Hierbij wordt er een dipolair ion gevormd, het Zwitterion genoemd. Tussen (inter) de Zwitterionen heerst er onderling een sterke intermoleculaire elektrostatische interactie. De positieve en negatieve ladingen van het ene Zwitterion trekken de negatieve en positieve ladingen van een ander Zwitterion immers sterk aan. Dit verklaart dan ook de hoge smeltpunten van aminozuren.

Het amfoteer karakter van een aminozuur

Een aminozuur heeft een amfoteer karakter, wat wil zeggen dat het zich afhankelijk van zijn omgeving als een zuur of als een base kan gedragen. De aanwezige carboxylgroep heeft immers een zuur karakter en kan zijn proton afgeven en de aminogroep vertoont een basisch karakter en kan een proton opnemen. Een aminozuur zal zich t.o.v. een base dus als een zuur gedragen en t.o.v. een zuur als een base. Hoe sterk onderstaande reacties opgaan, is afhankelijk van het zuur-base karakter van het aminozuur alsook van de sterkte van het zuur HX en de base X^-.

• Reactie t.o.v. een base (X^-): HOOC-CHR-NH₂ + X^- ↔ ^-OOC-CHR-NH₂ + HX
• Reactie t.o.v. een zuur (HX): HOOC-CHR-NH₂ + HX ↔ HOOC-CHR-NH₃⁺ + X^-

Het iso-elektrisch punt van een aminozuur

Bij een hoge pH, in basisch milieu dus, zal het aminozuur vooral voorkomen als een negatieve geladen ion (anion). De carboxylgroep zal dan immers als zuur kunnen optreden en zal dus zijn proton kunnen afgeven. Bij een lage pH, in zuur milieu dus, zal het aminozuur vooral voorkomen als een positief geladen ion (kation). De aminogroep kan dan immers optreden als een base en kan een proton opnemen. De pH waarbij in een oplossing van een bepaald aminozuur de concentratie aan het kation en het anion gelijk is, wordt het iso-elektrisch punt van dat aminozuur genoemd. Het iso-elektrisch punt van een α-aminozuur is afhankelijk van de R-groep op de α-koolstof.

Bij aminozuren met een neutrale zijgroep ligt het iso-elektrisch punt rond de 6.0. Een neutrale R-groep zal immers geen invloed hebben op het zuur-base karakter van het aminozuur. Dat het iso-elektrisch punt geen 7 (neutrale pH) is, komt omdat de carboxylgroep sterker zuur is dan de aminogroep basisch is.

Indien de R-groep een zure functie bevat, zal het iso-elektrisch punt lager zijn. De omgeving moet dus zuurder zijn om het zure karakter van het aminozuur te onderdrukken en een overmaat aan negatieve ladingen te vermijden. Indien de R-groep een basische functie bevat, dan zal het iso-elektrisch punt hoger zijn. De omgeving moet dus meer basisch zijn om het sterkere basisch karakter van dit aminozuur tegen te werken en een overmaat aan positieve ladingen te vermijden.

Voorbeelden van aminozuren met een neutrale R-groep

• Glycine(Gly): R-groep = H, iso-elektrische punt = 6
• Alaninen(Ala): R-groep = CH₃, iso-elektrische punt = 6
• Valine(Val): R-groep = CH(CH₃)₂, iso-elektrische punt = 6

Voorbeelden van aminozuren met een basische R-groep

• Lysine(Lys): R-groep = (CH₂)₄-NH₂, iso-elektrische punt = 9.6
• Arginine(Arg): R-groep = (CH₂)₃-NH-C(NH₂)=NH, iso-elektrische punt = 11.2

De extra aminefunctie(s) in de R-groep zorgen voor een bijkomende basiciteit. Deze aminozuren hebben dus een hoger iso-elektrisch punt.

Voorbeelden van aminozuren met een zure R-groep

• Asparaginezuur(Asp): R-groep = CH₂COOH, iso-elektrische punt = 2.8
• Glutaminezuur(Glu): R-groep = (CH₂)₂-COOH, iso-elektrische punt = 3.2

De extra carboxylgroep in de R-groep zorgt voor een bijkomende zuurheid. Deze aminozuren hebben dus een zuur iso-elektrisch punt.

Scheiding door elektroforese

Elektroforese

Elektroforese is een scheidingstechniek op basis van de ladingen en de massa van de te scheiden componenten. Het te scheiden mengsel wordt op een drager gebracht (bijvoorbeeld agar). Over deze drager wordt een spanningsverschil aangebracht met behulp van een gelijkstroombron. De negatief geladen componenten zullen zich naar de positieve pool verplaatsen en de positief geladen deeltjes naar de negatieve pool. Ongeladen deeltjes zullen niet onderhevig zijn aan dit elektrisch veld en zullen dus ter plaatse blijven. Hoe groter de lading van de component, hoe sneller de component zich naar de pool zal bewegen. Componenten met een kleinere massa zullen hierbij sneller bewegen dan grotere componenten.

Elektroforese van aminozuren

Door een buffer aan te brengen op de drager, kan een aminozuur-mengsel worden gescheiden met behulp van elektroforese. Een buffer is een oplossing met een constante pH. Daar aminozuren gekarakteriseerd worden door een bepaald iso-elektrisch punt, zullen de aminozuren zich uit elkaar bewegen en dus gescheiden worden.

Voorbeeld: scheiding van glycine, alanine, glutaminezuur en lycine

Glycine en alanine hebben hetzelfde iso-elektrisch punt en kunnen dus niet op basis van lading van elkaar worden gescheiden. Ze moeten dus op basis van hun massa van elkaar worden gescheiden. Dit schept wel als voorwaarde dat de bufferoplossing waarin het mengsel wordt gebracht, een pH heeft die verschillend is van 6.1. Anders zouden glycine en alanine ter plaatste blijven en dus niet scheiden. Stel dat men voor deze scheiding een buffer met een pH van 8.0 zou gebruiken. Dit zou dan onderstaand resultaat geven.


Voor zowel glycine als alanine zullen de negatieve ladingen in overmaat zijn. Deze negatieve ladingen worden aangetrokken door de positieve pool van de spanningsbron. Glycine heeft een lagere massa dan alanine en zal dus sneller naar de positieve pool migreren. Hierdoor zullen glycine en alanine van elkaar worden gescheiden. Glutaminezuur is een aminozuur met zure R-groep. Door de basische buffer zullen de negatief ladingen in de meerderheid zijn en zal glutaminezuur naar de positieve pool migreren. Omdat op glutaminezuur 2 negatieve ladingen kunnen ontstaan, zal de aantrekking vanwege de positieve elektrode van de spanningsbron groter zijn dan voor glycine en alanine. Lysine welke een basische R-groep bevat, heeft een nog sterker basisch karakter dan de al basische buffer. Ten opzichte van lysine zal de basische buffer zich dus als een zuur gedragen. Lysine zal dus hoofdzakelijk een positieve lading dragen en zal dus migreren naar de negatieve pool van de spanningsbron.

Overzicht van de α-aminozuren

In onderstaande tabel staan de 20 α-aminozuren met hun iso-elektrisch punt, smeltpunt en molaire massa. De aminozuren gemarkeerd met een sterretje zijn de essentiële aminozuren. Dit zijn de aminozuren die ons lichaam niet zelf kan synthetiseren en welke we dus via onze voeding dienen op te nemen.