Aminozuren vormen de bouwstenen van eiwitten en spelen een cruciale rol in talloze biologische processen. Hun gedrag in oplossing, met name hun ladingstoestand, is sterk afhankelijk van de pH van de omgeving. Een centraal concept hierbij is het iso-elektrisch punt (pI), de pH waarbij een molecuul netto geen elektrische lading draagt. Dit principe wordt toegepast in technieken zoals iso-elektrisch focussen voor de scheiding van moleculen zoals eiwitten.
De Lading van Aminozuren en het Iso-elektrisch Punt
De lading van een aminozuur is niet constant; het hangt af van de pH van de oplossing. Het iso-elektrisch punt (pI) is de specifieke pH waarbij de gewogen som van de ladingen van een aminozuur nul is. Dit betekent dat het aantal positief geladen deeltjes gelijk is aan het aantal negatief geladen deeltjes. Elk van de ioniseerbare groepen in een aminozuur, zoals de carboxylgroep en de aminogroep, heeft zijn eigen zuurconstante (pKa) en reageert op veranderingen in pH.
Als de pH van de omgeving lager is dan het pI van een aminozuur, zal het molecuul een netto positieve lading dragen en migreren naar de negatieve elektrode in een elektrisch veld. Omgekeerd, bij een pH hoger dan het pI, zal het aminozuur negatief geladen zijn en naar de positieve elektrode bewegen.
Voor de bepaling van het iso-elektrisch punt zijn voornamelijk de twee ionisatiestappen van belang die leiden tot een neutraal deeltje, een positief geladen deeltje, of een negatief geladen deeltje. De derde protonuitwisseling speelt doorgaans een verwaarloosbare rol wat betreft de concentratie.
Bij aminozuren zonder speciale zijketens geldt de volgende regel: onder de laagste pKa is het aminozuur positief geladen, tussen de twee pKa's is het neutraal (zwitterion), en boven de hoogste pKa is het negatief geladen. Bij aminozuren met een "interessante" zijketen kan dit complexer zijn, bijvoorbeeld met een lading van +2 aan de onderkant en -1 aan de bovenkant, zoals bij lysine. In dergelijke gevallen bevindt het iso-elektrisch punt zich tussen de twee hoogste pKa-waarden.
Het iso-elektrisch punt is dus volledig afhankelijk van het specifieke aminozuur en de aard van zijn zijketens (R-groep). Zure aminozuren, zoals aspartinezuur en glutaminezuur, hebben twee zure groepen en één basische groep, waardoor ze bij bepaalde pH-waarden een negatieve lading kunnen dragen. Basische aminozuren, zoals arginine en lysine, hebben twee basische groepen en één zure groep, wat kan leiden tot een positieve lading.
Een zuur aminozuur in een basisch milieu zal qua lading negatief zijn bij de zure functies en neutraal bij de basische functie. Een basisch aminozuur in een zuur milieu zal neutraal zijn qua zure functie en positief geladen bij de twee basische functies. In een basisch milieu zal een basisch aminozuur neutraal zijn op de zure functie, maar negatief geladen op de (nu gedeprotoneerde) basische functie.
Hoewel elk aminozuur een ladingsnulpunt heeft, wordt in de context van eiwitten liever gesproken over het iso-elektrisch punt. Dit is de pH waarbij de zeta-potentiaal nul is, wat een colloidchemisch begrip is dat uitgaat van een gelijkmatige ladingverdeling over het molecuul.
Structuur en Eigenschappen van Aminozuren
Een aminozuur is een organische verbinding met zowel een carboxygroep (-COOH) als een aminogroep (-NH2). De meeste biologisch relevante aminozuren zijn α-aminozuren, waarbij beide groepen aan hetzelfde koolstofatoom gebonden zijn. Deze α-aminozuren zijn de fundamentele bouwstenen van peptiden, polypeptiden en eiwitten.
In de natuur komen honderden aminozuren voor, waarvan er twintig de fundamentele aminozuren zijn die in menselijke eiwitten worden aangetroffen. Deze worden tijdens de spijsvertering uit voedseleiwitten vrijgemaakt en door het lichaam gebruikt voor de synthese van eigen eiwitten. Sommige aminozuren kan het lichaam zelf aanmaken (niet-essentiële), terwijl andere via de voeding moeten worden verkregen (essentiële).
De algemene formule voor een α-aminozuur is R-CH(NH2)-COOH, waarbij 'R' staat voor de residu-groep, die de unieke eigenschappen van elk aminozuur bepaalt. Door de reactie tussen de carboxygroep van het ene en de aminogroep van het andere aminozuur, onder afsplitsing van water, ontstaat een peptidebinding. Dit proces, herhaaldelijk toegepast, vormt ketens van aminozuren (peptiden en polypeptiden), die de basis vormen van eiwitten.
De oplosbaarheid van een aminozuur in water hangt sterk af van de polariteit van de R-groep. Polaire groepen maken een aminozuur hydrofiel (waterminnend), terwijl apolaire groepen het hydrofoob (watervrezend) maken. Dit beïnvloedt de interactie van eiwitten met hun omgeving. Oplosbare eiwitten hebben vaak een oppervlak rijk aan polaire aminozuren, terwijl membraaneiwitten aan de buitenkant hydrofobe aminozuren hebben om te interageren met lipidemembranen.
Hydrofobe interacties vinden plaats tussen hydrofobe aminozuren, zoals alifatische en aromatische aminozuren. Hydrofiele interacties vinden plaats tussen polaire aminozuren.
Het is belangrijk om onderscheid te maken tussen de verschillende functies van een aminozuur. De 'R-groep' voegt extra functionaliteit toe aan het molecuul. Zo zijn er apolaire R-groepen (bv. alanine, leucine), polaire R-groepen (bv. cysteïne, serine), aromatische R-groepen (bv. phenylalanine, tryptofaan), zure R-groepen (bv. glutaminezuur) en basische R-groepen (bv. lysine, arginine).
Polaire, niet-geladen aminozuren zoals asparagine, glutamine, serine en threonine zijn hydrofiel. Dit komt door de polaire aard van de functionele groepen in hun zijketens.
De functionaliteit van de R-groep is bepalend voor het polaire of apolaire karakter van het aminozuur. Een geladen deeltje, zoals een ion van een zout, lost zeer goed op in water en is dus hydrofiel. Een basische groep die een proton opneemt in zuur milieu wordt positief geladen en daardoor hydrofieler.
De term "zuur aminozuur" verwijst meestal naar aminozuren met een zure R-groep, zoals glutaminezuur en aspartinezuur. Deze hebben naast de standaard carboxygroep nog een extra zure groep in de zijketen.
Bij normale omstandigheden (25 °C, atmosferische druk) zijn α-aminozuren in oplossing geladen, tenzij de pH gelijk is aan hun iso-elektrisch punt. In het iso-elektrisch punt komen naast de zwitterionische vorm ook de positief en negatief geladen vormen in gelijke aantallen voor.
Bijna alle α-aminozuren (behalve glycine) hebben een chiraal koolstofatoom, wat betekent dat ze in twee spiegelbeeld-isomeren (L- en D-vorm) kunnen voorkomen. Deze isomeren kunnen het polarisatievlak van gepolariseerd licht draaien.
Welke invloed heeft de pH-waarde op aminozuren?
Praktische Toepassingen en Voorbeelden
Het iso-elektrisch punt is een fundamenteel concept met praktische toepassingen in de biochemie en biotechnologie. Scheidingstechnieken zoals iso-elektrisch focussen maken gebruik van de verschillende pI-waarden van moleculen om ze te scheiden.
Fenylketonurie is een voorbeeld van een genetische aandoening waarbij het lichaam fenylalanine niet kan afbreken. Dit kan leiden tot ophoping van fenylalanine in het bloed en hersenbeschadiging. Pasgeborenen worden hierop gescreend via een hielprik.
De bepaling van het iso-elektrisch punt van aminozuren en eiwitten gebeurt vaak door middel van titratie, waarbij de pH stapsgewijs wordt aangepast en de ladingstoestand wordt gemeten.
De classificatie van aminozuren als hydrofoob of hydrofiel hangt samen met de aard van hun zijketens. Hydrofobe aminozuren zoals alanine, valine, leucine, isoleucine, methionine en cysteïne hebben apolaire zijketens. Hydrofiele aminozuren zoals asparaginezuur, glutaminezuur, lysine, arginine en histidine hebben polaire of geladen zijketens.
Het gedrag van aminozuren bij verschillende pH-waarden is direct gekoppeld aan hun pKa-waarden. Een groep zal pas significant reageren (protoneren of deprotoneren) wanneer de pH in de buurt van zijn pKa komt. Glutaminezuur gedraagt zich bijvoorbeeld als zwitterion bij een pH tussen 2,2 en 4,3.