Uno ione è un atomo o una molecola con una carica elettrica positiva o negativa. Uno zwitterione è una molecola con cariche sia positive che negative, ma con una carica netta pari a zero. Gli atomi sono composti da particelle subatomiche caricate positivamente chiamate protoni, elettroni caricati negativamente e particelle neutre chiamate neutroni. Quando il numero di protoni non è uguale al numero di elettroni, un atomo avrà una carica positiva o negativa. Gli atomi o le molecole con carica negativa sono chiamati anioni, mentre gli atomi e le molecole con carica positiva sono noti come cationi.
Acidi e basi possono esistere come ioni o come molecole non cariche, ma a livelli di pH neutri sono ioni. La maggior parte degli zwitterioni sono anfoliti, molecole che contengono gruppi sia acidi che basici. Gli amminoacidi sono un classico esempio; hanno entrambi i gruppi in una singola molecola, ma poiché entrambi sono caricati a pH neutro, la carica netta dell’amminoacido sarà zero.
A causa delle sue cariche elettriche, uno zwitterione sarà altamente solubile in acqua e abbastanza insolubile in solventi organici. Le molecole d’acqua sono polari a causa delle differenze elettriche tra le molecole di idrogeno e di ossigeno; cioè, gli atomi di ossigeno nell’acqua sono attratti dai cationi e gli atomi di idrogeno nell’acqua sono attratti dagli anioni. Quando uno zwitterione viene sciolto in acqua, gli atomi di idrogeno nell’acqua circondano immediatamente il gruppo con carica negativa e gli atomi di ossigeno nell’acqua circondano immediatamente il gruppo con carica positiva, dissolvendolo così completamente.
Oltre agli amminoacidi, alcuni altri tipi comuni di queste molecole sono tamponi, detergenti e farmaci. Il fatto che siano solubili in acqua è ciò che li rende così utili. Quando uno zwitterion viene conservato in forma solida e secca, ad esempio in una pillola, sarà sotto forma di una molecola neutra o di un sale. Quando viene mangiato o messo in acqua, assume la sua forma ionica, o carica, e si dissolve.
Mentre è vero che la maggior parte degli amminoacidi ha una carica neutra, è importante notare che alcuni hanno un terzo gruppo carico, che conferisce loro una carica complessiva positiva o negativa. Per questo motivo le proteine, che sono composte da amminoacidi, hanno generalmente una carica netta negativa o netta positiva.