Ein Ion ist ein Atom oder Molekül mit positiver oder negativer elektrischer Ladung. Ein Zwitterion ist ein Molekül mit positiver und negativer Ladung, aber mit einer Nettoladung von Null. Atome bestehen aus positiv geladenen subatomaren Teilchen, die Protonen genannt werden, negativ geladenen Elektronen und neutralen Teilchen, die Neutronen genannt werden. Wenn die Anzahl der Protonen nicht der Anzahl der Elektronen entspricht, ist ein Atom positiv oder negativ geladen. Negativ geladene Atome oder Moleküle werden als Anionen bezeichnet, während positiv geladene Atome und Moleküle als Kationen bezeichnet werden.
Säuren und Basen können als Ionen oder als ungeladene Moleküle existieren, aber bei neutralen pH-Werten sind sie Ionen. Die meisten Zwitterionen sind Ampholyte – Moleküle, die sowohl saure als auch basische Gruppen enthalten. Aminosäuren sind ein klassisches Beispiel; sie haben beide Gruppen in einem einzigen Molekül, aber da beide bei neutralem pH geladen sind, ist die Nettoladung der Aminosäure Null.
Aufgrund seiner elektrischen Ladung ist ein Zwitterion in Wasser gut löslich und in organischen Lösungsmitteln ziemlich unlöslich. Wassermoleküle sind aufgrund der elektrischen Unterschiede zwischen den Wasserstoff- und Sauerstoffmolekülen polar; das heißt, die Sauerstoffatome im Wasser werden von Kationen angezogen und die Wasserstoffatome im Wasser werden von Anionen angezogen. Wenn ein Zwitterion in Wasser gelöst wird, umgeben die Wasserstoffatome im Wasser sofort die negativ geladene Gruppe und die Sauerstoffatome im Wasser umgeben sofort die positiv geladene Gruppe, wodurch sie vollständig aufgelöst wird.
Neben Aminosäuren sind einige andere gängige Arten dieser Moleküle Puffer, Detergenzien und Medikamente. Die Tatsache, dass sie wasserlöslich sind, macht sie so nützlich. Wenn ein Zwitterion in fester, trockener Form, beispielsweise in einer Pille, gelagert wird, liegt es in Form eines neutralen Moleküls oder eines Salzes vor. Wenn es gegessen oder in Wasser gelegt wird, nimmt es seine ionische oder geladene Form an und löst sich auf.
Es stimmt zwar, dass die meisten Aminosäuren neutral geladen sind, aber es ist wichtig zu beachten, dass einige eine dritte geladene Gruppe haben, die ihnen insgesamt eine positive oder negative Ladung verleiht. Aus diesem Grund haben Proteine, die aus Aminosäuren bestehen, im Allgemeinen eine negative oder positive Nettoladung.