Amminoacidi: titolazione, curva di titolazione, proprietà acido base

Gli amminoacidi hanno un ruolo fondamentale sia nella formazione delle proteine che come intermedi metabolici e pertanto possono essere considerati come le specie fondamentali degli organismi.

Gli amminoacidi sono composti in cui è presente sia il gruppo funzionale amminico che quello carbossilico legati allo stesso carbonio

amminoacido

pertanto sono molecole anfotere in quanto, a seconda del pH, i due gruppi funzionali possono essere neutri o ionizzati. Il chimico tedesco Hermann Emil Fischer nel 1902 propose una teoria secondo la quale  proteine fossero formate da molti amminoacidi legati tra loro.

Proprietà acido base degli amminoacidi

Il gruppo amminico, a causa del doppietto elettronico solitario presente sull’azoto, hanno natura basica mentre il gruppo carbossilico ha natura acida. A causa della natura opposta dei due gruppi funzionali essi si neutralizzano reciprocamente con il trasferimento di uno ione H+ dal gruppo carbossilico al gruppo amminico. Si forma un  un sale interno denominato zwitterione che ha una carica netta pari a zero.

zwitterione

A bassi valori di pH il gruppo carbossilico risulta come tale mentre il gruppo amminico risulta protonato e la specie ha una carica netta pari a +1; ad alti valori di pH il gruppo amminico risulta come tale mentre il gruppo carbossilico risulta deprotonato e la specie ha una carica netta pari a -1:

equilibrio

Il valore di pH, tipico di ogni amminoacido, in cui la carica netta è uguale a zero è detto punto isoelettrico (pI): ad un valore di pH inferiore a quello del pI l’amminoacido ha una carica di +1 mentre a valori di pH superiori al pI l’amminoacido ha una carica di -1.

I gruppi ionizzabili presenti negli amminoacidi agiscono da acidi deboli o da basi deboli a seconda del pH.

Si possono ottenere curve di titolazione valutando il pH di un volume noto di un campione di soluzione dopo aggiunte successive di un acido o di una base a concentrazione nota.

Se il campione di amminoacido è titolato con un acido esso agisce da base mentre se viene titolato con una base agisce da acido.

Tali reazioni seguono l’equazione di Henderson-Hasselbalch

pH = pKa + log [forma non protonata]/[forma protonata]

Quando il rapporto tra la forma non protonata e la forma protonata è uguale a 1 allora pH = pKa quindi il pKa è definito come il pH in cui le due forme sono uguali.

L’ordine di dissociazione del protone dipende dall’acidità del protone: quello che è più acido ( ovvero quello che ha un valore più basso di Ka) si dissocia per primo e conseguentemente lo ione H+ del gruppo –COOH si dissocia prima di quello del gruppo NH3+.

Casi particolari

Alcuni amminoacidi posso essere considerati triprotici se, in aggiunta ai due gruppi ionizzabili, sono presenti protoni dissociabili nel gruppo R che può essere a sua volta acido o basico; ad esempio l’acido glutammico presenta un gruppo carbossilico sulla catena laterale mentre l’istidina ha un anello imidazolico di natura basica sulla catena laterale.

La curva di titolazione è costruita ponendo il pH sull’asse delle ordinate e gli equivalenti di titolante sull’asse delle ascisse.

La curva di titolazione fornisce informazioni relative:

  • al numero di gruppi ionizzabili
  • ai valori di pKa
  • alla regione in cui ci si trova davanti a una soluzione tampone.

Gli amminoacidi come la glicina sono caratterizzati  da due gruppi ionizzabili: il gruppo carbossilico con pKa1 pari a 2.3 e il gruppo amminico con pKa2 pari a 9.6.

dissociazione di amminoacidi

 

In acqua la glicina è presente nella sua forma zwitterionica in cui sono presenti il gruppo –COO e il gruppo NH3+.

Pertanto la titolazione deve essere effettuata sia con un acido che con una base; l’aggiunta di un acido alla soluzione contenente l’amminoacido inizialmente abbassa il pH in modo marcato.  Successivamente nella regione in cui vi è la soluzione tampone la variazione di pH è meno rapida. A pH 2.3, ovvero quando è stato raggiunto il pKa è stato consumato la metà dell’acido. La titolazione con una base dà luogo ad una curva nella regione alcalina simile alla precedente. L’intersezione tra le curve fornisce il punto in cui la glicina non ha una carica netta ovvero il pH in cui è presente lo zwitterione; nel caso di un amminoacido con due gruppi ionizzabili come la glicina pI = pKa1+ pKa2/2 ovvero pI = 2.3+9.6/2 = 5.95.

Curva di titolazione

La curva di titolazione della glicina che ha solo due gruppi ionizzabili presenta solo due punti di flesso

titolazione amminoacidi

Per ottenere la curva di titolazione della glicina si procede al prelievo di 25 mL di una soluzione 0.2 M dell’ amminoacido e si titola con HCl 1.0 M. Si annotano i valori di pH rilevati da un pH-metro dopo ogni aggiunta  di 0.5 mL di acido fino a raggiungere il pH di 1.5.

Si esegue poi una titolazione su 25 mL di soluzione 0.2 M dell’amminoacido e si titola con NaOH 1.0 M procedendo come sopra fino a raggiungere il pH di 13.

La curva di titolazione può essere ottenuta riportando il grafico i valori sperimentali.

 

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