Изоэлектрическая точка - Isoelectric point

В изоэлектрическая точка (число Пи, pH (I), IEP), это pH при котором молекула не несет сети электрический заряд или электрически нейтрален в статистическое среднее. Стандартная номенклатура для представления изоэлектрической точки - pH (I).^[1] Однако также используется pI.^[2] Для краткости в этой статье используется pI. Чистый заряд молекулы зависит от pH окружающей среды и может стать более положительным или отрицательным из-за увеличения или потери, соответственно, протоны (ЧАС⁺).

Поверхности естественным образом заряжаются, образуя двухслойный. В общем случае, когда ионами, определяющими поверхностный заряд, являются H⁺/ОЙ⁻чистый поверхностный заряд зависит от pH жидкости, в которую погружено твердое вещество.

Значение pI может влиять на растворимость молекулы при заданном pH. Такие молекулы имеют минимум растворимость в воде или солевых растворах при pH, соответствующем их число Пи и часто осадок снаружи решение. Биологические амфотерный молекулы, такие как белки содержат как кислотные, так и основные функциональные группы. Аминокислоты, из которых состоят белки, могут быть положительными, отрицательными, нейтральными или полярными по своей природе и вместе придают белку его общий заряд. На pH ниже их pI белки несут чистый положительный заряд; выше их pI они несут чистый отрицательный заряд. Таким образом, белки могут быть разделены чистым зарядом в полиакриламидный гель используя либо препаративный гель-электрофорез, который использует постоянный pH для разделения белков или изоэлектрическая фокусировка, который использует градиент pH для разделения белков. Изоэлектрическая фокусировка также является первым шагом в 2-D гель-электрофорез в полиакриламидном геле.

В биомолекулах белки могут быть разделены ионообменная хроматография. Биологические белки состоят из цвиттерионный аминокислотные соединения; чистый заряд этих белков может быть положительным или отрицательным в зависимости от pH окружающей среды. Конкретную pI целевого белка можно использовать для моделирования процесса, а затем соединение можно очистить от остальной смеси. Для этого процесса очистки можно использовать буферы с различным pH, чтобы изменить pH окружающей среды. Когда смесь, содержащая целевой белок, загружается в ионообменник, неподвижная матрица может быть либо положительно заряженной (для подвижных анионов), либо отрицательно заряженной (для подвижных катионов). При низких значениях pH чистый заряд большинства белков в смеси положительный - в катионообменниках эти положительно заряженные белки связываются с отрицательно заряженной матрицей. При высоких значениях pH чистый заряд большинства белков отрицательный, так как они связываются с положительно заряженной матрицей в анионообменниках. Когда среда имеет значение pH, равное pI белка, чистый заряд равен нулю, и белок не связан с каким-либо обменником и, следовательно, может быть элюирован.^[3]

Расчет значений pI

Для аминокислота только с одним амин и один карбоксил группы, pI может быть вычислен из иметь в виду из pKas этой молекулы.^[4]

${displaystyle mathrm {pI} ={frac {mathrm {p} K_{mathrm {a1} }+mathrm {p} K_{mathrm {a2} }}{2}}}$

В pH электрофоретического геля определяется буфер используется для этого геля. Если pH буфера выше pI запускаемого белка, белок переместится к положительному полюсу (отрицательный заряд притягивается к положительному полюсу). Если pH буфера ниже pI белок запущен, белок будет мигрировать к отрицательному полюсу геля (положительный заряд притягивается к отрицательному полюсу). Если белок выполняется с буферным pH, равным pI, он не будет мигрировать вообще. Это верно и для отдельных аминокислот.

Примеры

глицин pK = 2,72, 9,60	аденозинмонофосфат pK = 0,9, 3,8, 6,1

В двух примерах (справа) изоэлектрическая точка показана зеленой вертикальной линией. В глицин значения pK разделены почти 7 единицами, поэтому концентрация нейтрального вещества, глицина (GlyH), составляет 100% от аналитической концентрации глицина. Глицин может существовать как цвиттерион в изоэлектрической точке, но константа равновесия реакции изомеризации в растворе

ЧАС₂NCH₂CO₂H ⇌ H₃N⁺CH₂CO₂⁻

не известно.

Другой пример, аденозинмонофосфат показано, чтобы проиллюстрировать тот факт, что в принципе может быть задействован третий вид. Фактически, концентрация (AMP) H₃²⁺ в этом случае пренебрежимо мало в изоэлектрической точке. Если pI больше, чем pH, молекула будет иметь положительный заряд.

Изоэлектрическая точка пептидов и белков

Ряд алгоритмов оценки изоэлектрических точек пептиды и белки были разработаны. Большинство из них используют Уравнение Хендерсона – Хассельбаха с разными значениями pK. Например, в рамках модели, предложенной Бьеллквистом и соавторами, pK определяли между близкородственными иммобилинами, фокусируя один и тот же образец в перекрывающихся градиентах pH.^[5] Также были предложены некоторые улучшения в методологии (особенно в определении значений pK для модифицированных аминокислот).^[6][7] Более продвинутые методы учитывают влияние соседних аминокислот на ± 3 остатка от заряженного аспарагиновый или же глютаминовая кислота, влияние на свободный конец C, а также применение поправочного члена к соответствующим значениям pK с использованием генетический алгоритм.^[8] Другие недавние подходы основаны на опорный векторный машинный алгоритм^[9] и оптимизация pKa относительно экспериментально известных изоэлектрических точек белок / пептид.^[10]

Более того, экспериментально измеренные изоэлектрические точки белков были агрегированы в базы данных.^[11][12] Недавно была также разработана база данных изоэлектрических точек для всех белков, предсказанных с использованием большинства доступных методов.^[13]

Керамические материалы

Изоэлектрические точки (ИЭТ) металлооксидной керамики широко используются в материаловедении на различных стадиях обработки воды (синтез, модификация и т. Д.). В отсутствие хемосорбированных или физадсорбированных частиц поверхности частиц в водной суспензии обычно предполагается покрытыми поверхностными гидроксильными частицами, M-OH (где M представляет собой металл, такой как Al, Si и т. Д.).^[14] При значениях pH выше IEP преобладающими поверхностными частицами являются M-O.⁻, а при значениях pH ниже ИЭП M-OH₂⁺ виды преобладают. Некоторые приблизительные значения обычной керамики перечислены ниже:^[15][16]

Материал	IEP	Материал	IEP	Материал	IEP	Материал	IEP	Материал	IEP	Материал	IEP
WO3[17]	0.2-0.5	Та2О5[17]	2.7-3.0	δ-MnO2	1.5	Fe2О3[17]	3.3-6.7	Fe2О3[17]	8.4-8.5	ZnO[17]	8.7-10.3
Sb2О5[17]	<0.4-1.9	SnO2[18]	4-5.5 (7.3)	β-MnO2[19]	7.3	Исполнительный директор2[17]	6.7-8.6	α Al2О3	8-9	NiO[18]	10-11
V2О5[17][19]	1-2 (3)	ZrO2[17]	4-11	TiO2[20]	2.8-3.8	Cr2О3[17][19]	6.2-8.1 (7)	Si3N4[18]	9	PbO[17]	10.7-11.6
SiO2[17]	1.7-3.5	MnO2	4-5	Si3N4	6-7	γ Al2О3	7-8	Y2О3[17]	7.15-8.95	Ла2О3	10
SiC[21]	2-3.5	ITO[22]	6	Fe3О4[17]	6.5-6.8	Tl2О[23]	8	CuO[18]	9.5	MgO[17]	12-13 (9.8-12.7)

Примечание. В следующем списке приведена изоэлектрическая точка при 25 ° C для выбранных материалов в воде. Точное значение может широко варьироваться в зависимости от таких факторов материала, как чистота и фаза, а также физических параметров, таких как температура. Более того, точное измерение изоэлектрических точек может быть затруднено, поэтому многие источники часто приводят разные значения изоэлектрических точек этих материалов.

Смешанные оксиды могут иметь значения изоэлектрической точки, промежуточные по сравнению с соответствующими чистыми оксидами. Например, синтетически полученный аморфный алюмосиликат (Al₂О₃-SiO₂) был первоначально измерен как имеющий IEP, равный 4,5 (в электрокинетическом поведении поверхности преобладали поверхностные частицы Si-OH, что объясняет относительно низкое значение IEP).^[24] Сообщалось о значительно более высоких значениях IEP (pH от 6 до 8) для 3Al.₂О₃-2SiO₂ другими.^[18] Точно так же и IEP титанат бария, BaTiO₃ было зарегистрировано в диапазоне 5-6^[18] в то время как другие получили значение 3.^[25] Смеси титания (TiO2) и цирконий (ZrO2) были изучены, и было обнаружено, что изоэлектрическая точка находится в диапазоне 5,3-6,9, нелинейно изменяющаяся с% (ZrO2).^[26] Заряд поверхности смешанных оксидов коррелировал с кислотностью. Повышенное содержание диоксида титана приводило к увеличению кислотности по Льюису, тогда как оксиды с высоким содержанием диоксида циркония проявляли Br :: onsted кислотность. Различные типы кислотности вызывают различия в скорости и емкости адсорбции ионов.

Изоэлектрическая точка в сравнении с точкой нулевого заряда

Термины изоэлектрическая точка (IEP) и точка нулевого заряда (PZC) часто используются как взаимозаменяемые, хотя при определенных обстоятельствах может быть полезно провести различие.

В системах, в которых H⁺/ОЙ⁻ - ионы, определяющие межфазный потенциал, точка нулевого заряда дана в единицах pH. PH, при котором поверхность демонстрирует нейтральный чистый электрический заряд, является точкой нулевого заряда на поверхности. Электрокинетические явления обычно измерять дзета-потенциал, а нулевой дзета-потенциал интерпретируется как точка нулевого чистого заряда на плоскость сдвига. Это называется изоэлектрической точкой.^[27] Таким образом, изоэлектрическая точка - это значение pH, при котором коллоидная частица остается неподвижной в электрическом поле. Ожидается, что изоэлектрическая точка будет несколько отличаться от точки нулевого заряда на поверхности частицы, но на практике это различие часто игнорируется для так называемых первичных поверхностей, то есть поверхностей без специально адсорбируется положительные или отрицательные заряды.^[14] В этом контексте специфическая адсорбция понимается как адсорбция, происходящая в Кормовой слой или же хемосорбция. Таким образом, точка нулевого заряда на поверхности принимается равной изоэлектрической точке при отсутствии специфической адсорбции на этой поверхности.

По словам Жоливе,^[19] при отсутствии положительных или отрицательных зарядов поверхность лучше всего описывается точкой нулевого заряда. Если положительный и отрицательный заряды присутствуют в равных количествах, то это изоэлектрическая точка. Таким образом, PZC относится к отсутствию любого типа поверхностного заряда, в то время как IEP относится к состоянию нейтрального чистого поверхностного заряда. Таким образом, разница между ними заключается в количестве заряженных сайтов в точке с нулевым зарядом. Жоливе использует внутренние константы равновесия поверхности, pK⁻ и рK⁺ для определения двух условий с точки зрения относительного количества заряженных сайтов:

${displaystyle mathrm {p} K^{-}-mathrm {p} K^{+}=Delta mathrm {p} K=log {frac {left[mathrm {MOH} ight]^{2}}{left[mathrm {MOH} {_{2}^{+}}ight]left[mathrm {MO} ^{-}ight]}}}$

При больших ΔpK (> 4 согласно Жоливе), преобладающим видом является MOH, в то время как заряженных видов относительно мало, поэтому PZC имеет значение. При малых значениях ΔpK, существует много заряженных видов в примерно равном количестве, так что говорят об ИЭП.

Смотрите также

• Уравнение Хендерсона-Хассельбаха
• Изоэлектрическая фокусировка
• Дзета-потенциал
• Электрофоретическое осаждение
• Изоионная точка
• константа диссоциации кислоты pK
• QPNC-PAGE

Рекомендации

1. Приемлемые варианты pH (I) будут включать pH_я, pH_IEP, так далее; суть в том, что нельзя измерить «мощность» I, а измерять pH в зависимости от заданного условия.
2. ИЮПАК, Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "изоэлектрическая точка в электрофорезе ". Дои:10.1351 / goldbook.I03275
3. Дейтон, У. Р. (1983). «Методы разделения белков» (PDF). Труды взаимной мясной конференции. 36: 98–102.
4. Для вывода этого выражения см. константа диссоциации кислоты
5. Bjellqvist, B .; Hughes, G.J .; Pasquali, C .; Paquet, N .; Ravier, F .; Sanchez, J.C .; Frutiger, S .; Хохштрассер, Д. (1993-10-01). «Фокусирующие положения полипептидов в иммобилизованных градиентах pH можно предсказать по их аминокислотным последовательностям». Электрофорез. 14 (10): 1023–1031. Дои:10.1002 / elps.11501401163. ISSN  0173-0835. PMID  8125050.
6. Гаучи, Шарон; ван Брекелен, Бас; Lemeer, Simone M .; Krijgsveld, Jeroen; Хек, Альберт Дж. Р. (2008-12-01). «Универсальный калькулятор pI пептидов для фосфорилированных и N-концевых ацетилированных пептидов, экспериментально протестированных с использованием изоэлектрического фокусирования пептидов». Протеомика. 8 (23–24): 4898–4906. Дои:10.1002 / pmic.200800295. ISSN  1615-9861. PMID  19003858.
7. Гастайгер, Элизабет; Гаттикер, Александр; Хугланд, Кристина; Ивани, Иван; Аппель, Рон Д .; Байрох, Амос (01.07.2003). «ExPASy: протеомный сервер для глубокого изучения и анализа белков». Исследования нуклеиновых кислот. 31 (13): 3784–3788. Дои:10.1093 / нар / gkg563. ISSN  0305-1048. ЧВК  168970. PMID  12824418.
8. Cargile, Benjamin J .; Севинский, Джоэл Р .; Essader, Amal S .; Eu, Jerry P .; Стивенсон, Джеймс Л. (1 июля 2008 г.). «Расчет изоэлектрической точки триптических пептидов в диапазоне pH 3,5-4,5 на основе эффектов соседних аминокислот». Электрофорез. 29 (13): 2768–2778. Дои:10.1002 / elps.200700701. ISSN  0173-0835. PMID  18615785.
9. Перес-Риверол, Яссет; Audain, Энрике; Миллан, Алели; Рамос, Яссель; Санчес, Аниэль; Бискайно, Хуан Антонио; Ван, Руи; Мюллер, Маркус; Мачадо, Йоан Дж. (2012-04-03). «Оптимизация изоэлектрической точки с использованием пептидных дескрипторов и опорных векторных машин». Журнал протеомики. 75 (7): 2269–2274. Дои:10.1016 / j.jprot.2012.01.029. ISSN  1876-7737. PMID  22326964.
10. Козловский, Л.П. (2016). «IPC - Калькулятор изоэлектрической точки». Биол Директ. 11 (1): 55. Дои:10.1186 / s13062-016-0159-9. ЧВК  5075173. PMID  27769290.
11. Hoogland, C .; Mostaguir, K .; Sanchez, JC .; Hochstrasser, DF .; Аппель, РД. (2004). «SWISS-2DPAGE, десять лет спустя». Протеомика. 4 (8): 2352–6. Дои:10.1002 / pmic.200300830. PMID  15274128.
12. Bunkute, E .; Cummins, C .; Crofts, FJ .; Bunce, G .; Nabney, IT .; Цветок, DR. (2015). «PIP-DB: база данных по изоэлектрической точке белка». Биоинформатика. 31 (2): 295–6. Дои:10.1093 / биоинформатика / btu637. PMID  25252779.
13. Козловский, Л.П. (2016). «Proteome-pI: база данных изоэлектрических точек протеома». Нуклеиновые кислоты Res. 45 (D1): D1112 – D1116. Дои:10.1093 / нар / gkw978. ЧВК  5210655. PMID  27789699.
14. Hanaor, D.A.H .; Michelazzi, M .; Леонелли, С .; Соррелл, К. (2012). «Влияние карбоновых кислот на водную дисперсию и электрофоретическое осаждение ZrO.₂". Журнал Европейского керамического общества. 32 (1): 235–244. arXiv:1303.2754. Дои:10.1016 / j.jeurceramsoc.2011.08.015.
15. Харута, М. (2004). "Золотые наночастицы катализаторы для низкотемпературного окисления CO". Журнал новых материалов для электрохимических систем. 7: 163–172.
16. Брюнель Дж. П. (1978). «Приготовление катализаторов методом адсорбции металлических комплексов на минеральных оксидах». Чистая и прикладная химия т. 50, стр. 1211-1229.
17. Марек Космульски, «Химические свойства поверхностей материалов», Марсель Деккер, 2001.
18. Льюис, Дж. А. (2000). «Коллоидная обработка керамики». Журнал Американского керамического общества. 83 (10): 2341–2359. CiteSeerX  10.1.1.514.1543. Дои:10.1111 / j.1151-2916.2000.tb01560.x.
19. Жоливе Дж. П., Химия и синтез оксидов металлов. От решения к твердому состоянию, John Wiley & Sons Ltd. 2000, ISBN  0-471-97056-5 (Английский перевод оригинального французского текста, De la Solution à l'Oxyde, InterEditions et CNRS Editions, Париж, 1994).
20. Анодное водное электрофоретическое осаждение диоксида титана с использованием карбоновых кислот в качестве диспергирующих агентов Журнал Европейского керамического общества, 31 (6), 1041-1047, 2011
21. Патент США 5,165,996
22. Дайдо, Т; Акаике, Т. (1993). «Электрохимия цитохрома с: влияние кулоновского притяжения с электродом из оксида индия и олова». Журнал электроаналитической химии. 344 (1–2): 91–106. Дои:10.1016 / 0022-0728 (93) 80048-м.
23. Космульский, М; Санелута, К. (2004). «Точка нулевого заряда / изоэлектрическая точка экзотических оксидов: Tl2O3». Журнал коллоидной и интерфейсной науки. 280 (2): 544–545. Bibcode:2004JCIS..280..544K. Дои:10.1016 / j.jcis.2004.08.079. PMID  15533430.
24. Jara, A.A .; Goldberg, S .; Мора, М. (2005). «Исследования поверхностного заряда аморфных алюмосиликатов с использованием моделей поверхностного комплексообразования». Журнал коллоидной и интерфейсной науки. 292 (1): 160–170. Bibcode:2005JCIS..292..160J. Дои:10.1016 / j.jcis.2005.05.083. PMID  16051258.
25. Вамвакаки, ​​Мария; Биллингем, Норман С.; Armes, Стивен П .; Уоттс, Джон Ф .; Гривз, Стивен Дж. (2001). «Сополимеры контролируемой структуры для диспергирования высокоэффективной керамики в водных средах». Журнал химии материалов. 11 (10): 2437–2444. Дои:10.1039 / b101728o. ISSN  0959-9428.
26. Дриско, Гленна Л; Лука, Витторио; Сизгек, Эрден; Весы, Николас Ф .; Карузо, Рэйчел А. (2009). «Шаблонный синтез и адсорбционные свойства иерархически пористых оксидов циркония и титана». Langmuir. 25 (9): 5286–5293. Дои:10.1021 / la804030h. ISSN  0743-7463. PMID  19397363.
27. A.W. Адамсон, А.П. Гаст, "Физическая химия поверхностей", John Wiley and Sons, 1997.

дальнейшее чтение

• Нельсон Д.Л., Кокс М.М. (2004). Принципы биохимии Ленингера. У. Х. Фриман; 4-е издание (в твердом переплете). ISBN  0-7167-4339-6
• Космульский М. (2009). Поверхностная зарядка и точки нулевого заряда. CRC Press; 1-е издание (твердый переплет). ISBN  978-1-4200-5188-9

внешняя ссылка

• IPC - Калькулятор изоэлектрической точки - рассчитать изоэлектрическую точку белка, используя более 15 методов
• прот пи - изоэлектрическая точка белка - онлайн-программа для расчета pI белков (включая множественные субъединицы и посттрансляционные модификации)
• CurTiPot - набор электронных таблиц для расчета кислотно-основного равновесия (график зависимости заряда от pH амфотерных молекул, например, аминокислот)
• pICalculax - Предиктор изоэлектрической точки (pI) для химически модифицированных пептидов и белков
• SWISS-2DPAGE - база данных изоэлектрических точек, полученных в результате двумерного электрофореза в полиакриламидном геле (~ 2000 белков)
• PIP-DB - база данных Protein Isoelectric Point (~ 5000 белков)
• Протеом-pI - база данных изоэлектрических точек протеома (прогнозируемые изоэлектрические точки для всех белков)