Eisspeedway

Punkt izoelektryczny

Populacje różnych form glicyny w zależności od pH roztworu. Zielona linia wskazuje punkt izoelektryczny.
GlyH2: H3N+CH2COOH
GlyH: H3N+CH2COO−
Gly: H2NCH2COO−

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.

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:

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

  1. ↑ isoelectric point in electrophoresis, [w:] A.D. McNaught, A. Wilkinson, Compendium of Chemical Terminology (Gold Book), S.J. Chalk (akt.), International Union of Pure and Applied Chemistry, wyd. 2, Oxford: Blackwell Scientific Publications, 1997, DOI: 10.1351/goldbook.I03275, ISBN 0-9678550-9-8 (ang.).
  2. ↑ a b c d e f g h i j k l m n o p q Marek Kosmulski "An Introduction to Biotechnology" Marcel Dekker, 2001, ISBN 978-0-8247-0560-2
  3. ↑ BJ. Cargile, JR. Sevinsky, AS. Essader, JP. Eu i inni. Calculation of the isoelectric point of tryptic peptides in the pH 3.5-4.5 range based on adjacent amino acid effects. „Electrophoresis”. 29 (13), s. 2768-2778, 2008. DOI: 10.1002/elps.200700701. PMID: 18615785. 
  4. ↑ Y. Perez-Riverol, E. Audain, A. Millan, Y. Ramos i inni. Isoelectric point optimization using peptide descriptors and support vector machines. „J Proteomics”. 75 (7), s. 2269-2274, 2012. DOI: 10.1016/j.jprot.2012.01.029. PMID: 22326964. 
  5. ↑ publikacja w otwartym dostępie – możesz ją przeczytać LP. Kozlowski. IPC - Isoelectric Point Calculator. „Biol Direct”. 11 (1), s. 55, 2016. DOI: 10.1186/s13062-016-0159-9. PMID: 27769290. PMCID: PMC5075173. 
  6. ↑ C. Hoogland, K. Mostaguir, JC. Sanchez, DF. Hochstrasser i inni. SWISS-2DPAGE, ten years later.. „Proteomics”. 4 (8), s. 2352-6, Aug 2004. DOI: 10.1002/pmic.200300830. PMID: 15274128. 
  7. ↑ E. Bunkute, C. Cummins, FJ. Crofts, G. Bunce i inni. PIP-DB: the Protein Isoelectric Point database.. „Bioinformatics”. 31 (2), s. 295-6, Jan 2015. DOI: 10.1093/bioinformatics/btu637. PMID: 25252779. 
  8. ↑ publikacja w otwartym dostępie – możesz ją przeczytać LP. Kozlowski. Proteome-pI: proteome isoelectric point database. „Nucleic Acids Res”. 45 (D1), s. D1112–D1116, 2017. DOI: 10.1093/nar/gkw978. PMID: 27789699. 
  9. ↑ W. T. Godbey: An Introduction to Biotechnology. Elsevier, 2014, ISBN 978-1-908-81848-5, s. 15.
  10. ↑ Raymond Chang, Physical Chemistry for the Biosciences., Sansalito, Calif.: University Science Books, 2005, s. 291, ISBN 978-1-891-38933-7, OCLC 55105512.
  11. ↑ Dorian Hanaor i inni, The effects of carboxylic acids on the aqueous dispersion and electrophoretic deposition of ZrO2, „Journal of the European Ceramic Society”, 32 (1), 2011, s. 235–244, DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2011.08.015.
  12. ↑ M Haruta. Nanoparticulate Gold Catalysts for Low-Temperature CO Oxidation. „Journal of New Materials for Electrochemical Systems”. 7, s. 163–172, 2004. (ang.). 
  13. ↑ J.P. Brunelle, Preparation of Catalysts by Metallic Complex Adsorption on Mineral Oxides, „Pure and Applied Chemistry”, 50 (9-10), 1978, s. 1211-1229, DOI: 10.1351/pac197850091211 (ang.).
  14. ↑ a b c d JA Lewis. Colloidal Processing of Ceramics. „Journal of the American Ceramic Society”. 83 (10), s. 2341–2359, 2000. DOI: 10.1111/j.1151-2916.2000.tb01560.x. (ang.). 
  15. ↑ a b c Jolivet J.P., Metal Oxide Chemistry and Synthesis. From Solution to Solid State, John Wiley & Sons Ltd. 2000, ISBN 0-471-97056-5 (English translation of the original French text, De la Solution à l'Oxyde, InterEditions et CNRS Editions, Paris, 1994).
  16. ↑ Howard W. Jacobson: Coated refractory compositions and method for preparing the same (patent US 5165996). 1990 (data pierwszeństwa); 1992 (data przyznania). [dostęp 2018-03-20]. (ang.).
  17. ↑ T Daido, T Akaike. Electrochemistry of cytochrome c: influence of coulombic attraction with indium tin oxide electrode. „Journal of Electroanalytical Chemistry”. 344 (1–2), s. 91–106, 1993. DOI: 10.1016/0022-0728(93)80048-m. (ang.). 
  18. ↑ M Kosmulski, C Saneluta. Point of zero charge/isoelectric point of exotic oxides: Tl2O3. „Journal of Colloid and Interface Science”. 280 (2), s. 544–545, 2004. DOI: 10.1016/j.jcis.2004.08.079. (ang.). 

Linki zewnętrzne

Quelle: https://pl.wikipedia.org/wiki/Punkt_izoelektryczny