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[[Datei:Amino Acid Zwitterion Structural Formulae V.1.svg|hochkant=1.5|mini|Eine L-[[Aminosäure]] als Zwitterion (rechts). '''R''' ist ein [[Organyl-Rest]]. [[Glycin]] (R = H) ist das einfachste Beispiel.]]
[[Datei:Zwitterion Structural Formulae V.1.svg|mini|hochkant=1.5|[[Amidosulfonsäure]] als Zwitterion (rechts)]]

Ein '''Zwitterion''' (siehe auch [[Ion]]) ist ein [[Molekül]] mit zwei oder mehreren [[Funktionelle Gruppe|funktionellen Gruppen]], von denen eine positiv und eine andere negativ geladen ist. Besitzt ein Zwitterion beispielsweise zwei funktionelle Gruppen mit entgegengesetzten Ladungen, so ist das Molekül (am [[Isoelektrischer Punkt|isoelektrischen Punkt]]) insgesamt elektrisch neutral.<ref>{{Gold Book|zwitterionic compounds/zwitterions|Z06752|Version=2.1.5}}</ref> Teilweise wird auch der Begriff '''„inneres Salz“''' für ein Zwitterion verwendet.

Meist handelt es sich bei den Gruppen um eine [[Säure]]- und eine [[Base (Chemie)|Basenfunktion]]. Das bekannteste Beispiel sind [[Aminosäure]]n,<ref name="Kühl">Olaf Kühl: ''Organische Chemie.'' Wiley-VCH, Weinheim, 2012, S. 242, ISBN 978-3-527-33199-4.</ref> die sowohl in wässriger [[Lösung (Chemie)|Lösung]] als auch in der festen Phase zwitterionisch vorliegen. Die [[Carboxygruppe]] gibt ein [[Proton (Chemie)|Wasserstoffion]] ab und trägt eine negative Ladung, die Aminogruppe nimmt ein Wasserstoffion auf und trägt eine positive Ladung. Im Unterschied zu [[Betaine]]n lassen sich die Ladungen also durch Protonenwanderung ausgleichen.

In Lösung sind bei einem bestimmten [[pH-Wert]], dem [[Isoelektrischer Punkt|isoelektrischen Punkt]], gleich viele Carboxygruppen, zu (negativ geladen) Carboxylatgruppen deprotoniert wie Aminogruppen zu (positiv geladenen) [[Ammonium]]gruppen protoniert worden sind, positiv.<ref name="Gossauer">[[Albert Gossauer]]: ''Struktur und Reaktivität der Biomoleküle.'' Verlag Helvetica Chimica Acta, Zürich, 2006, S. 371, ISBN 978-3-906390-29-1.</ref> Dann wandern Aminosäuren im elektrischen Feld nicht mehr, sondern richten sich nur aus, da die Summenladung neutral ist. Liegt der pH-Wert unter dem isoelektrischen Punkt, nimmt die [[Dissoziation (Chemie)|Dissoziation]] der Carboxygruppe ab, und die Aminosäure trägt eine positive Summenladung. Liegt der pH-Wert darüber, nimmt die Dissoziation der Carboxygruppe zu, und das Molekül trägt eine negative Summenladung. Diesen Effekt nutzt man bei der [[Elektrophorese]] und bei der [[Isoelektrische Fokussierung|isoelektrischen Fokussierung]]. Am isoelektrischen Punkt ist die [[Wasserlöslichkeit]] von Aminosäuren am geringsten, da aufgrund der entstandenen intramolekularen Ladungen keine stabile [[Hydrathülle]] mehr gebildet werden kann. Einige Aminosäuren tragen mehr als zwei Ladungen und können gemischte Salze bilden,<ref>{{Literatur |Autor=Anton P. Novikov, Alexey V. Safonov, Konstantin E. German, Mikhail S. Grigoriev |Titel=What kind of interactions we may get moving from zwitter to “dritter” ions: C–O⋯Re(O4) and Re–O⋯Re(O4) anion⋯anion interactions make structural difference between L-histidinium perrhenate and pertechnetate |Sammelwerk=CrystEngComm |Datum=2023-12-01 |DOI=10.1039/D3CE01164J }}</ref> bei denen die H-Brückensysteme variieren können, was zusätzliche Erkennungsmöglichkeiten bietet.

Bei [[Peptide]]n und [[Proteine]]n sind die Verhältnisse analog zu denen bei den Aminosäuren. Von einer [[Carboxygruppe]] des Peptids oder Proteins wandert ein Proton zu einer basischen Aminogruppe, die am [[N-Terminus|''N''-terminalen]] Ende stehen kann, aber nicht zwingend stehen muss.

== Berechnung des isoelektrischen Punktes ==
Der pH-Wert am isoelektrischen Punkt lässt sich (bei nicht allzu starker Verdünnung) aus den [[Säurekonstante|pKs-Werten]] der Säuregruppe und der Aminogruppe berechnen:
:<math>\mathrm{pH=\frac{pK_{S1}+pK_{S2}} {2}}</math>
'''Herleitung:'''

Die Säurekonstanten sind definiert als:
: <math>\mathrm{K_{S1}=c(H_3O^+)\cdot\frac{c(Zwitterion)}{c(Kation)}}</math>
: <math>\mathrm{K_{S2}=c(H_3O^+)\cdot\frac{c(Anion)}{c(Zwitterion)}}</math>
Durch Multiplizieren dieser zwei Gleichungen wird die Konzentration <math>\mathrm{c(Zwitterion)}</math> des Zwitterions eliminiert:
:<math>\mathrm{K_{S1}\cdot K_{S2}=c(H_3 O^+)^2 \cdot {{c(Anion)} \over {c(Kation)}}}</math>
Da am isoelektrischen Punkt die Konzentrationen von Anion und Kation gleich sind, vereinfacht sich die Gleichung zu:
:<math>\mathrm{K_{S1}\cdot K_{S2} = c(H_3 O^+)^2}</math>
Wurzelziehen und Logarithmieren ergibt dann:
:<math>\mathrm{pH=\frac{pK_{S1}+pK_{S2}} {2}}</math>

=== Mehrprotonensysteme ===
Bei sauren (z. B. [[Asparaginsäure]], [[Glutaminsäure]]) oder basischen Aminosäuren (z. B. [[Lysin]], [[Arginin]]) werden zur Berechnung des isoelektrischen Punkts die pKs-Werte der beiden [[Carboxygruppe|Carboxy-]] bzw. [[Aminogruppe]]n berücksichtigt. Zur Berechnung des IEP bei Aminosäuren mit mehr als zwei pK-Werten werden lediglich die pK-Werte der ähnlich ionisierenden Gruppen herangezogen. Das bedeutet, dass im Falle von basischen Aminosäuren die beiden proximalen pK-Werte oberhalb des isoelektrischen Punkts und bei sauren Aminosäuren die beiden proximalen pK-Werte unterhalb des isoelektrischen Punkts in die obengenannte Gleichung eingesetzt werden<ref name="Kuhn">Reinhard Kuhn: ''Capillary Electrophoresis: Principles and Practice.'' Springer Science & Business Media, 2013, ISBN 978-3-642-78058-5, S. 79.</ref> und vereinfachend der Mittelwert gebildet wird,<ref name="Kim">Cherng-ju Kim: ''Advanced Pharmaceutics.'' CRC Press, 2004, ISBN 978-0-203-49291-8, S. 86–99.</ref> z. B. für Lysin {{nowrap|(8,95 + 10,53)/2 = 9,74<ref name="Godbey">W. T. Godbey: ''An Introduction to Biotechnology.'' Elsevier, 2014, ISBN 978-1-908818-48-5, S. 15.</ref>}} und für Asparaginsäure {{nowrap|(2,09 + 3,86)/2 = 2,98.<ref name="Chang">Raymond Chang: ''Physical Chemistry for the Biosciences.'' University Science Books, 2005, ISBN 978-1-891389-33-7, S. 291.</ref>}}

== Lecithine ==
[[Datei:1-Oleoyl-2-almitoyl-phosphatidylcholine Structural Formulae V.1.png|mini|upright=1.5|[[Lecithin]] mit dem Strukturmerkmal eines Zwitterions: (''R'')-1-Oleoyl-2-palmitoyl-phosphatidylcholin ist ein [[Triglycerid]] mit einem '''blau''' markierten gesättigten Fettsäurerest ([[Palmitinsäure|Palmitoylrest]]), einem '''grün''' markierten einfach ungesättigten Fettsäurerest ([[Ölsäure|Oleoylrest]]) und einem '''rot''' markierten [[Phosphatidylcholin]]-Rest. Im Zentrum der Strukturformel ist das dreifach derivatisierte [[Glycerin]] ('''schwarz''' markiert) erkennbar.]]

[[Lecithine]] sind [[Phospholipide]], die sich aus [[Fettsäuren]], [[Glycerin]], [[Phosphorsäure]] und [[Cholin]] ableiten. Sie sind Bestandteile der [[Zellmembran]] tierischer und pflanzlicher Lebewesen, erlauben das [[Emulsion|Emulgieren]] (Vermischen) von Fetten und Wasser und sind somit wichtige natürliche [[Tenside]] (Emulgatoren) für Nahrungs- und Futtermittel sowie in der Pharmaindustrie. Dabei sind zwei Hydroxygruppen des Glycerins mit Fettsäuren verestert. Die dritte OH-Gruppe des Glycerins bildet mit einer [[Phosphatgruppe]] einen Ester. Die Phosphatgruppe ist weiter mit der OH-Gruppe des Cholins verestert und bildet damit einen Diester. Cholin ist eine [[quartäre Ammoniumverbindung]], trägt also eine positive Ladung und ist ein [[Kation]]. Die Phosphatgruppe liegt über einen breiten [[pH-Wert|pH-Bereich]] als Anion vor, trägt also eine negative Ladung. Somit kann man Lecithine als Zwitterionen bzw. ''innere [[Salze]]'' auffassen.

== Siehe auch ==
* [[Ampholyt]]

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Zwitterion| ]]

Zwitterion - Versionsgeschichte

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