Otwórz menu główne
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 izolektrycznym 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].

Spis treści

Punkt izoelektryczny białek i peptydówEdytuj

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 ceramiczneEdytuj

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.

PrzypisyEdytuj

  1.   isoelectric point in electrophoresis [w:] A.D. McNaught, A. Wilkinson, Compendium of Chemical Terminology (Gold Book), International Union of Pure and Applied Chemistry, wyd. 2, Oxford: Blackwell Scientific Publications, 1997, ISBN 0-9678550-9-8. Wersja internetowa: M. Nic, J. Jirat, B. Kosata, isoelectric point in electrophoresis, A. Jenkins (aktualizowanie), 2006–, DOI10.1351/goldbook.I03275 (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.   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.   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, DOI10.1016/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, DOI10.1351/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) (ang.). 1990 (data pierwszeństwa); 1992 (data przyznania). [dostęp 2018-03-20].
  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 zewnętrzneEdytuj