Ich erhalte eine Aminosäure mit einer ionisierbaren Seitenkette bei einem bestimmten pH-Wert. Wie bestimme ich die Nettoladung dieser Aminosäure, wenn bei diesem pH-Wert gemischte Protonierungszustände einer oder mehrerer Gruppen vorliegen (pKa der Seitenkette liegt beispielsweise wirklich nahe am pH-Wert)?
Aminosäuren haben terminale Carboxyl- und Aminogruppen; Einige Aminosäuren haben ionisierbare Seitenketten. Bei der Bestimmung der Ladung einer Aminosäure müssen Sie den pH-Wert und die pKa-Werte jeder dieser Gruppen berücksichtigen. Wenn der pKa einer Gruppe (oder mehr) nahe genug am pH-Wert liegt, wird ein Bruchteil des Aminos gebildet Säuren werden an dieser Gruppe deprotoniert und der andere Anteil der Aminosäuren wird an dieser Gruppe in Lösung protoniert. Wenn Sie also die durchschnittliche Nettoladung über das Ensemble (oder eine zeitlich gemittelte Ladung eines einzelnen Partikels) bestimmen, müssen Sie dies tun Berücksichtigen Sie dies.
Ich frage nach dem erwarteten Wert der Nettoladung (die keine ganze Zahl wäre). Diese Zahl ist beispielsweise für die Migrationsgeschwindigkeit der Aminosäure (oder) relevant ein Protein) bei der Gelelektrophorese oder die Stärke der Wechselwirkung mit Ionenaustauschchromatographiemedien. Beispielsweise hätte eine Carbonsäure / Carboxylat-Gruppe bei einem pH-Wert, der ihrem pKa entspricht, eine durchschnittliche Ladung von minus der Hälfte, weil Die Hälfte der funktionellen Gruppen wäre protoniert (Ladung von Null) und die Hälfte wäre depro getönt (Ladung von minus eins).
Kommentare
- Unklar, was Sie hier unter Nettoladung verstehen. Unterscheidet sich dies von der Ladung der Spezies?
- @Zhe Ich meine die Nettoladung der Aminosäure. Nicht nur die Ladung jeder Seitenkette oder des N / C-Terminus – die Summe aller Gruppen. Überall sonst im Internet konnte ich nur eine durchschnittliche / gerundete Gebühr finden. Ich musste bis zu einem dezimalen ' Punkt wissen, wie hoch die Ladung der Aminosäure bei einem bestimmten pH-Wert ist, wenn eine oder mehrere Gruppen eine Teilladung haben.
- Warum sollte eine Gruppe eine Teilgebühr haben? Die Ladung wird quantisiert …
- @Zie Aminosäuren haben terminale Carboxyl- und Aminogruppen; Einige Aminosäuren haben ionisierbare Seitenketten. Bei der Bestimmung der Ladung einer Aminosäure müssen Sie den pH-Wert und die pKa ' jeder dieser Gruppen berücksichtigen. Wenn der pKa einer Gruppe (oder mehr) nahe genug am pH liegt, wird ein Teil der Aminosäuren an dieser Gruppe deprotoniert und der andere Teil der Aminosäuren wird an dieser Gruppe in Lösung protoniert. Daher müssen Sie dies bei der Ermittlung der durchschnittlichen Nettoladung berücksichtigen.
- Nein, das ' ist nicht ganz korrekt. Was Sie verlangen, ist viel komplizierter als Sie denken. In Lösung haben Sie eine dynamische Mischung verschiedener Arten mit möglicherweise unterschiedlichen Ladungen. Diese Arten haben alle ganzzahlige Ladungen. Während Sie möglicherweise nach dem erwarteten Wert der Gebühr fragen (der keine ganze Zahl wäre), ist nicht ganz klar, wie relevant diese Zahl für eine nützliche physikalische Größe ist.
Antwort
Die Henderson-Hasselbalch-Beziehung, die jede ionisierbare Gruppe beschreibt, lautet:
$$ \ mathrm { pH} = \ mathrm {p} K_ \ mathrm {a} + \ log \ frac {\ ce {[A -]}} {\ ce {[AH]}} $$
Wir können für das Verhältnis lösen:
$$ 10 ^ {(\ mathrm {pH} – \ mathrm {p} K_ \ mathrm {a})} = \ frac {\ ce {[A -]}} {\ ce {[AH]}} $$
Wir wollen jedoch wirklich den Anteil der Protonierten an der Gesamtzahl (nicht das Verhältnis) von deprotoniert bis protoniert).
$$ 10 ^ {(\ mathrm {pH} – \ mathrm {p} K_ \ mathrm {a})} = \ frac {[\ mathrm {total}] – \ ce {[AH]}} {\ ce {[AH]}} = \ frac {[\ mathrm {total}]} {\ ce {[AH]}} – 1 $ $
Fügen Sie eine zu beiden Seiten hinzu: $$ 10 ^ {(\ mathrm {pH} – \ mathrm {p} K_ \ mathrm {a} )} + 1 = \ frac {[\ mathrm {total}]} {\ ce {[AH]}} $$
Nehmen Sie den Kehrwert: $$ \ frac { \ ce {[AH]}} {[\ mathrm {total}]} = \ frac {1} {10 ^ {(\ mathrm {pH} – \ mathrm {p} K_ \ mathrm {a})} + 1} \ tag {1} $$
Dies ist immer noch allgemein für jede Säure- / Basengruppe. Zum Beispiel könnten wir damit die Ladung von Ammoniak / Ammonium berechnen ( $ \ ce {NH3 (aq) + H + (aq) < = > NH4 + (aq)} $ ). Bei einem sehr basischen pH wäre die Ladung Null, bei einem sehr sauren pH +1. Um die durchschnittliche Ladung bei jedem pH-Wert zu erhalten, nehmen wir die Ladung bei einem sehr einfachen pH-Wert und addieren das Ergebnis von Gleichung [1] unter Verwendung des $ \ mathrm {p} K_ \ mathrm {a} $ Wert von Ammonium.
Für jede Aminosäure (oder jedes andere Molekül mit ionisierbaren Gruppen mit $ i $ unterschiedlich $ \ mathrm {p} K_ \ mathrm {a} $ -Werte) übernehmen Sie die Ladung der Spezies bei einem sehr basischen pH-Wert (alle Gruppen deprotoniert) sowie den folgenden Werten:
$$ \ sum_i \ frac {1} {10 ^ {(\ mathrm {pH} – \ mathrm {p} K_ \ mathrm {a, i})} + 1} \ tag {2} $ $
Dies ist nur eine Annäherung, da es möglicherweise zu einem Übersprechen zwischen ionisierbaren Gruppen kommt (dh wenn eine Gruppe negativ geladen wird, wird es für die benachbarte Gruppe „schwieriger“, negativ geladen zu werden ). Es wird auch für polyprotische Gruppen komplizierter, aber alle Gruppen in Aminosäuren sind monoprotisch mit Wasser als Lösungsmittel.