IEP - SINUS Bayern

Aufgabenkultur
SINUS Bayern
Chemie
Gymnasium
Jgst. 11
Der isoelektrische Punkt von Aminosäuren
Die Schülerinnen und Schüler leiten aus textlichen und graphischen Informationen das pHWert-abhängige Ladungsmuster bei Aminosäuren ab und erschließen daraufhin das Prinzip der Elektrophorese. Zur Einübung werden in Gruppenarbeit Aufgaben zur Ionenwanderung entwickelt und im Wechsel mit einer anderen Gruppe gelöst.
Ziele
• Fachwissen:
Kenntnis des isoelektrischen Punkts
Anwendung in der Elektrophorese
• Erkenntnisgewinnung:
Finden und Erklären von Strukturen und
Beziehungen in gegebenen Daten; Ziehen
geeigneter Schlussfolgerungen
O
-
C
O
H2N C H
CH3
O
-
C
O
+
H3N C H
CH3
O
C
OH
+
H3N C H
CH3
Hinweise zum Einsatz im Unterricht
• Zeitbedarf
25 Minuten - 10 Minuten
• Erforderliches Vorwissen
Aufbau von Aminosäuren
• Materialliste
Arbeitsblätter M1 (Information, Aufgaben) und M2 (Vordruck für Übungsphase)
M3 (Formeln der Aminosäuren, IEP), ausschneiden und laminieren
• Ablauf
Das Thema ist fachlich so klar strukturiert, dass sich die Schüler/innen die Ladung eines Aminosäuremoleküls in Abhängigkeit vom pH-Wert selbst erarbeiten können. Dabei
nutzen sie sowohl Text- als auch Grafikinformationen und bearbeiten die gestellten
Aufgaben. In der anschließenden Übungsphase werden Kleingruppen gebildet und jede
Gruppe entwickelt eine Aufgabe. Dazu wählt sie die Formeln von drei Aminosäuren aus
und gibt einen pH-Wert für eine geplante Elektrophorese vor. Auf der Rückseite des Arbeitsblattes skizziert sie den eigenen Lösungsvorschlag. Eine zweite Gruppe löst die
Aufgabe (Zuordnung der Aminosäuren, Bestimmung der Ladung und der Wanderungsrichtung) und vergleicht mit dem Lösungsvorschlag; evtl. schließt sich eine Diskussion
an.
Jeweils zwei Gruppen tauschen ihre Aufgaben aus.
Verfasser: Klaus Blachut, Alexander Petrovici, Holbein-Gymnasium Augsburg
Anlagen: Arbeitsblätter M1 bis M3
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Das Prinzip der Elektrophorese
In der nebenstehenden Abbildung ist eine Elektrophoresekammer im Längsschnitt und in der Aufsicht zu sehen. Das
Verfahren der Elektrophorese dient der Trennung von
Aminosäuregemischen (auch Proteine und DNS). In der
Pufferlösung wird ein bestimmter pH-Wert eingestellt, das
zu trennende Gemisch auf die Papier- oder
Acetatfolienstreifen gebracht. Häufig ist die Startlinie – wie
in der Abbildung dargestellt – in der Mitte des
Papierstreifens zu finden, sodass die Aminosäuren sich in
beide Richtungen bewegen können. Eine Gleichspannung
wird angelegt. Die Aminosäuren werden entsprechend
ihrer Ionenladung, die wiederum vom pH-Wert abhängt,
getrennt. Kationen wandern zum Minuspol, Anionen zum
Pluspol. Die Molekülgröße wirkt sich auf die Wanderungsgeschwindigkeit aus: je größer ein Molekül ist, desto
langsamer ist seine Wanderungsgeschwindigkeit im
elektrischen Feld.
Abb. 1: Elektrophoresekammer zur Auftrennung
von Aminosäurengemischen
Aufgaben:
Asparaginsäure 2-Aminobutandisäure
IEP=3,0
Glycin
2-Aminoethansäure
IEP=6,0
Lysin
2,6-Diaminohexansäure IEP=10,0
Abb. 2: Die Bestandteile eines Aminosäuregemischs werden
mithilfe von Vergleichsproben identifiziert.
pH=2
1. Zeichne die Lewisformeln der drei angegebenen
Aminosäuren und entwickle eine Argumentation,
die die Unterschiede der IEP begründet.
2. Wie sehen die Elektropherogramme
(Papierstreifen nach erfolgter Elektrophorese)
eines Gemischs von Glycin, Lysin und
Asparaginsäure bei pH=2, pH=6 und pH=10
aus? (Eintrag in Abb. 3)
3. Betrachte die nebenstehende Abbildung und
fasse in eigene Worte, wie
Elektrophoreseanalysen in der Praxis
durchgeführt werden. Bei welchem pH-Wert
könnte die Elektrophorese gemacht worden
sein? (Begründung!)
Start
+
-
pH=6
+
-
pH=10
+
-
Abb. 3: Elektropherogramme eines Gemisches von Glycin, Lysin und Asparaginsäure
Klaus Blachut, A. Petrovici, Holbein-Gymnasium Augsburg (SINUS Bayern)
Aufgabe: Sortiere die Aminosäuren danach, ob sie im elektrischen Feld zum Plus-oder Minuspol der Versuchsanordnung wandern.
Beachte dabei, dass die Größe der Teilchen und die Ladung der Teilchen Einfluss auf Richtung und Geschwindigkeit haben.
Startlinie
pH=
O
C
OH
O
C
OH
H2N C H
H
H2N C H
CH3
Glycin (IEP 5,97)
Alanin (IEP 6,01)
O
C
OH
H2N C H
CH2
H3C
C
OH
H2N C H
H3C CH
CH3
Valin (IEP 5,97)
O
H2 N C H
H3C CH
CH2
CH3
CH3
C
C
OH
CH
Leucin (IEP 5,98)
O
O
O
Isoleucin (IEP 6,02)
C
OH
H2 N C H
CH2
SH
Cystein (IEP 5,07)
OH
H2 N C H
CH2
CH2
S
O
C
OH
H2N C H
CH2
OH
O
C
OH
H2 N C H
H3C CH
OH
CH3
Methionin (IEP 5,74)
Serin (IEP 5,68)
Threonin (IEP 5,87)
O
C
OH
H2 N C H
O
HC
HC
C
H
CH
CH
HC
O
C H
CH2
HN
H2 C
C
CH
CH
OH
OH
C
C
CH2
Prolin (IEP 6,48)
Tyrosin (IEP 5,66)
O
C
OH
H2N C H
CH2
C
HO
O
Asparaginsäure (IEP 2,77)
HC
HC
H
C
C
H
C
OH
H2N C H
CH2
C
H2 N
O
O
C
OH
CH2
C
C
C
CH
N
H
O
C
OH
H2 N C H
CH2
CH2
HO
C
O
Glutaminsäure (IEP 3,22)
C
OH
H2 N C H
H2N C H
CH2
H2 N
OH
Tryptophan (IEP 5,89)
O
O
C
H2 N C H
CH2
HC
Phenylalanin (IEP 5,48)
O
H2 N C H
CH2
C
OH
C
CH2
CH2
CH2
CH2
C
CH2
O
NH2
Asparagin (IEP 5,41)
Glutamin (IEP 5,65)
Lysin (IEP 9,74)
O
C
OH
H2 N C H
O
OH
CH2
H2 N C H
CH2
H2 C
CH2
C
HN
NH
H2 N
C
HC
CH
CH
N
NH2
Arginin (IEP 10,76)
Histidin (IEP 7,59)