Geschmacksverstärker Glutamat
AFB I–IINatriumglutamat (E 621) verstärkt den herzhaften Geschmack „umami“. Es kommt natürlich in Tomaten und Parmesan vor und wird technisch durch Fermentation gewonnen. Glutaminsäure hat die pKs-Werte 2,19 (α-COOH), 4,25 (Seitenketten-COOH) und 9,67 (α-NH₃⁺). Die Seitenkette ist –CH₂–CH₂–COOH.
- Zeichnen Sie die Strukturformel von L-Glutaminsäure als Zwitterion in der Fischer-Projektion.
- Geben Sie die überwiegende Teilchenform und ihre Ladung bei pH 1, pH 7 und pH 12 an.
- Berechnen Sie den isoelektrischen Punkt und begründen Sie die Auswahl der pKs-Werte.
- Erklären Sie, warum Mononatriumglutamat sehr gut wasserlöslich ist, freie Glutaminsäure bei pH 3,2 dagegen schlecht.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Senkrechte Kette: oben \(\ce{COO-}\), darunter C-2 mit \(\ce{H3N+}\) links und H rechts, unten \(\ce{CH2-CH2-COOH}\). Die Seitenketten-Carboxygruppe bleibt im Zwitterion protoniert.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
pH 1: \(\ce{H3N+-CH(CH2CH2COOH)-COOH}\), +1. pH 7: \(\ce{H3N+-CH(CH2CH2COO^-)-COO-}\), −1. pH 12: \(\ce{H2N-CH(CH2CH2COO^-)-COO-}\), −2.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Das Zwitterion (Ladung 0) entsteht aus dem Kation durch Abgabe des α-COOH-Protons (pKs 2,19) und geht durch Abgabe des Seitenketten-Protons (pKs 4,25) in das Anion über: \(\mathrm{pI} = \tfrac{2{,}19 + 4{,}25}{2} = 3{,}22\). Der pKs 9,67 betrifft nur Anion/Dianion.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Im Salz liegt Glutamat als Anion (−1) mit \(\ce{Na+}\) vor; die geladenen Ionen werden hydratisiert und stoßen sich gegenseitig ab. Am pI ist die Nettoladung null: Die Zwitterionen ziehen sich über entgegengesetzt geladene Gruppen an und lagern sich zusammen — die Löslichkeit ist minimal.
Titration von Histidin
AFB II–III20,0 mL einer Lösung von Histidin-dihydrochlorid (vollständig protoniertes Histidin \(\ce{H3His^2+}\), \(c = 0{,}100\,\text{mol/L}\)) werden mit Natronlauge (\(c = 0{,}100\,\text{mol/L}\)) titriert. Histidin trägt eine Imidazol-Seitenkette, die ein Proton aufnehmen kann.
| V(NaOH) in mL | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| pH | 1,5 | 2,1 | 4,0 | 6,0 | 7,6 | 9,2 | 10,8 | 12,0 |
- Ermitteln Sie aus der Tabelle die pKs-Werte der Imidazol- und der Ammoniumgruppe und begründen Sie Ihr Vorgehen.
- Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für den Titrationsschritt zwischen 20 mL und 40 mL.
- Berechnen Sie den isoelektrischen Punkt und deuten Sie den Tabellenwert bei 40 mL.
- Beurteilen Sie, ob Histidin-Seitenketten im Hämoglobin Säure im Blut (pH 7,4) abpuffern können.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Jede Stufe verbraucht 20 mL (n = 2,00 mmol). Halbäquivalenz bei 30 mL: pH = pKs(Imidazol) ≈ 6,0; bei 50 mL: pKs(\(\ce{NH3+}\)) ≈ 9,2. Dort gilt c(HA) = c(A⁻), nach Henderson-Hasselbalch pH = pKs. Die erste Stufe (α-COOH, pKs ≈ 1,8) ist bei 10 mL nicht genau ablesbar, weil die Säure fast so stark wie eine starke Säure protolysiert.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Imidazolium der Seitenkette gibt ein Proton ab: \(\ce{H2His+ + OH- -> HHis + H2O}\); aus dem Kation (+1) entsteht das Zwitterion (0).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(\mathrm{pI} = \tfrac{6{,}00 + 9{,}17}{2} \approx 7{,}6\). Bei 40 mL ist genau die zweite Äquivalenz erreicht: Die Lösung enthält fast nur das Zwitterion, der gemessene pH 7,6 entspricht dem pI.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
pH 7,4 liegt knapp außerhalb von pKs ± 1 (5,0–7,0), aber nahe genug für eine Pufferwirkung: \(c(\text{Imidazol}) : c(\text{Imidazolium}) = 10^{7{,}4-6{,}0} \approx 25 : 1\). Die große Menge freier Base fängt zugesetzte \(\ce{H3O+}\) gut ab, gegen Basen ist die Kapazität klein. Im Protein verschiebt die Umgebung den pKs zudem Richtung 7 — Hämoglobin mit vielen His-Resten ist daher ein wichtiger Blutpuffer.