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 cząsteczekamfolitycznych, 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)
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]:
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.
↑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.
↑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.
↑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.
↑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.
↑ LP. Kozlowski. Proteome-pI: proteome isoelectric point database. „Nucleic Acids Res”. 45 (D1), s. D1112–D1116, 2017. DOI: 10.1093/nar/gkw978. PMID: 27789699.
↑W. T. Godbey: An Introduction to Biotechnology. Elsevier, 2014, ISBN 978-1-908-81848-5, s. 15.
↑RaymondR.ChangRaymondR., Physical Chemistry for the Biosciences., Sansalito, Calif.: University Science Books, 2005, s. 291, ISBN 978-1-891-38933-7, OCLC55105512.
↑DorianD.HanaorDorianD. 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.
↑M Haruta. Nanoparticulate Gold Catalysts for Low-Temperature CO Oxidation. „Journal of New Materials for Electrochemical Systems”. 7, s. 163–172, 2004. (ang.).
↑ abcdJA 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.).
↑ abcJolivet 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).
↑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.).
↑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.).
