Punkt izoelektryczny
Punkt izoelektryczny (pI, pH(I)[1]) – wartość pH, przy której populacja cząsteczek amfolitycznych, tj. posiadających kationowe i anionowe grupy funkcyjne (np. aminokwasy białkowe), zawiera średnio tyle samo ładunków dodatnich co ujemnych, na skutek czego ładunek całkowity całej populacji wynosi zero. Stężenie jonu obojnaczego przyjmuje wtedy maksymalną wartość, a stężenia form anionowej i kationowej mają jednakowe, minimalne stężenie. W przypadku związków słabo rozpuszczalnych występują wtedy też niezdysocjowane cząsteczki.
GlyH2: H3N+CH2COOH
GlyH: H3N+CH2COO−
Gly: H2NCH2COO−
Sytuacja taka może mieć miejsce w dwóch przypadkach:
- w roztworze istnieją wyłącznie jony obojnacze (tzw. zwitterjony)
- w roztworze istnieje taka sama liczba anionów i kationów
W punkcie izoelektrycznym cząsteczki mają:
- najmniejszą rozpuszczalność
- najmniejszą lepkość
- najmniejsze ciśnienie osmotyczne
Wartość ta jest oznaczana często w odniesieniu do białek i aminokwasów.Innym ważnym zastosowaniem punktu izoelektrycznego jest jego wykorzystanie w inżynierii materiałowej, gdzie istotne jest wyznaczanie punktu izoelektrycznego tlenków metali takich jak: hematyt, krzemionka, magnetyt czy tlenek cynku[2].
Punkt izoelektryczny białek i peptydów
Punkt izoelektryczny białek i peptydów można wyznaczyć metodami polarymetrycznymi, chromatograficznymi (ogniskowanie chromatograficzne, CF, z ang. chromatofocusing) i elektroforetycznymi (ogniskowanie izoelektryczne, IEF, z ang. isoelectrofocusing). Ponadto istnieje możliwość wyznaczenia wartości teoretycznej dla białek na podstawie równania Hendersona-Hasselbacha (kluczowym elementem tego podejścia jest uwzględnienie wartości pKa lub pKb grup aminowych i karboksylowych w łańcuchach bocznych i aminokwasach terminalnych). Istniejące metody przewidywania punktu izoelektrycznego oparte są na zastosowaniu m.in. algorytmów genetycznych, maszynach wektorów nośnych oraz optymalizacji wartości pK[3][4][5]. Dodatkowo, dane na temat punktu izoelektrycznego wyznaczonego eksperymentalnie zebrano w postaci baz danych SWISS-2DPAGE oraz PIP-DB[6][7] Ponadto istnieje także baza danych zawierająca teoretycznie wyznaczone punkty izoelektryczne dla wszystkich białek w Uniprot[8].
Dla aminokwasu zawierającego jedną grupę aminową i jedną grupę karboksylową wartość pI można obliczyć w na podstawie wartości pKa1 i pKa2 danej cząsteczki:
- pI = ½(pKa1 + pKa2)
W przypadku aminokwasów zawierających więcej naładowanych grup bocznych (np. lizyna, kwas asparaginowy) bierze się pod uwagę obie wartości pKa naładowanych grup czyli w równaniu powyżej wykorzystuje się średnią z obu grup np. dla lizyny jest to (8,95 + 10,53)/2 = 9,74[9], a dla kwasu asparaginowego (2,09 + 3,86)/2 = 2,98[10].
W pH poniżej pI białka mają ładunek dodatni, zaś powyżej ich ładunek jest ujemny. Ma to duże znaczenie w czasie rozdziału metodą elektroforezy. pH żelu elektroforetycznego zależy od użytego buforu. Jeżeli pH buforu jest wyższe od pI białka, to będzie ono migrować w kierunku anody (ujemny ładunek – anion, jest przyciągany do niej). Z drugiej strony jeśli pH buforu jest niższe od pI białka będzie ono się poruszać w kierunku ujemnie naładowanej strony żelu (kationy będą wędrować do katody). Białko nie będzie migrować jeśli pH buforu i pI danego białka będą sobie równe.
Materiały ceramiczne
Punkt izoelektryczny jest wykorzystywany w czasie tworzenia i przetwarzanie materiałów ceramicznych. Występujące w tych materiałach tlenki metali (M-OH, gdzie M oznacza kation metalu Al, Si itd.) w wodnej zawiesinie przyjmują określoną formę w zależności od pH. Przy pH powyżej punktu izoelektrycznego na powierzchni dominują cząsteczki M-O−, zaś przy pH poniżej pI dominują cząsteczki M-OH2+[11]. Poniżej podano wartości pI dla najczęściej stosowanych materiałów ceramicznych[12][13]:
| Materiał | pI | Materiał | pI | Materiał | pI | Materiał | pI | Materiał | pI | Materiał | pI |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| WO3[2] | 0,2–0,5 | Ta2O5[2] | 2,7–3,0 | δ-MnO2 | 1,5 | Fe2O3[2] | 3,3–6,7 | Fe2O3[2] | 8,4–8,5 | ZnO[2] | 8,7–10,3 |
| Sb2O5[2] | <0,4–1,9 | SnO2[14] | 4–5,5 (7,3) | β-MnO2[15] | 7,3 | CeO2[2] | 6,7–8,6 | α Al2O3 | 8–9 | NiO[14] | 10–11 |
| V2O5[2][15] | 1–2 (3) | ZrO2[2] | 4–11 | TiO2[2] | 3,9–8,2 | Cr2O3[2][15] | 6,2–8,1 (7) | Si3N4[14] | 9 | PbO[2] | 10,7–11,6 |
| SiO2[2] | 1,7–3,5 | MnO2 | 4–5 | Si3N4 | 6–7 | γ Al2O3 | 7–8 | Y2O3[2] | 7,15–8,95 | La2O3 | 10 |
| SiC[16] | 2–3,5 | ITO[17] | 6 | Fe3O4[2] | 6,5–6,8 | Tl2O[18] | 8 | CuO[14] | 9,5 | MgO[2] | 12–13 (9,8–12,7) |
Uwaga: Powyżej przyjęto wartości pI w temperaturze 25 °C. Wartość pI może ulegać dużym odchyleniom w zależności od czynników takich jak czystość związku chemicznego czy temperatura. Dodatkowo, często różne źródła podają inne wartości pI.
Przypisy
Linki zewnętrzne
- Program do obliczania pI oraz więcej wiadomości na ten temat
- prot pi - program pozwala obliczyć teoretyczny punkt izoelektryczny z uwzglednieniem modyfikacji posttranslacyjnych
- SWISS-2DPAGE - białkowa baza danych eksperymentalnie wyznaczonych punktów izoelektrycznych na podstawie elektroforezy 2D-PAGE (~ 2,000 białek)
- Proteome-pI - baza danych zawierająca teoretyczne punkty izoelektryczne białek