Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Изоэлектрической точкой ( ИЭТ , рН (I) , МЭП ), является рН , при которой молекула не несет никакой чистый электрический заряд или электрически нейтрален в статистическом среднем . 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 протонов (H + ) соответственно.

Поверхности естественным образом заряжаются, образуя двойной слой . В общем случае, когда ионы, определяющие поверхностный заряд, представляют собой H + / OH - , чистый поверхностный заряд зависит от pH жидкости, в которую погружено твердое тело.

Значение pI может влиять на растворимость молекулы при заданном pH. Такие молекулы имеют минимальную растворимость в воде или солевых растворах при pH, соответствующем их pI, и часто выпадают в осадок из раствора . Биологические амфотерные 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. При 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 вполиакриламидный гель с использованием препаративного гель-электрофореза , при котором для разделения белков используется постоянный pH, или изоэлектрического фокусирования , при котором для разделения белков используется градиент pH. Изоэлектрическая фокусировка также является первым шагом в электрофорезе в 2-мерном полиакриламидном геле .

В биомолекулах белки можно разделить с помощью ионообменной хроматографии . Биологические белки состоят из цвиттерионныхаминокислотные 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,где 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 [ править ]

Для аминокислоты, содержащей только один амин и одну карбоксильную группу, pI можно рассчитать на основе среднего значения pKas этой молекулы. [4]

РН от электрофоретического геля определяется буфером , используемым для этого геля. Если pH буфера выше pI запускаемого белка, белок будет мигрировать к положительному полюсу (отрицательный заряд притягивается к положительному полюсу). Если pH буфера ниже pI запускаемого белка , белок будет мигрировать к отрицательному полюсу геля (положительный заряд притягивается к отрицательному полюсу). Если белок запускается с буферным pH, равным pI, он вообще не будет мигрировать. Это верно и для отдельных аминокислот.

Примеры [ править ]

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

В двух примерах (справа) изоэлектрическая точка показана зеленой вертикальной линией. В глицине значение рК отделено друг от друга почти на 7 единиц. Таким образом, в газовой фазе концентрация нейтрального вещества, глицина (GlyH), составляет 100% от аналитической концентрации глицина. [5] Глицин может существовать в виде цвиттериона в изоэлектрической точке, но константа равновесия для реакции изомеризации в растворе

H 2 NCH 2 CO 2 H ⇌ H 3 N + CH 2 CO 2 -

не известно.

Другой пример, аденозинмонофосфат, показан для иллюстрации того факта, что в принципе может быть задействован третий вид. Фактически, в этом случае концентрацией (AMP) H 3 2+ можно пренебречь в изоэлектрической точке. Если pI больше, чем pH, молекула будет иметь положительный заряд.

Изоэлектрическая точка пептидов и белков [ править ]

Разработан ряд алгоритмов оценки изоэлектрических точек пептидов и белков . 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. [6] Также были предложены некоторые улучшения в методологии (особенно в определении значений pK для модифицированных аминокислот). [7] [8] Более продвинутые методы учитывают влияние соседних аминокислот на ± 3 остатка от заряженной аспарагиновой или глутаминовой кислоты., влияние на свободный конец C, а также применение поправочного члена к соответствующим значениям pK с использованием генетического алгоритма . [9] Другие недавние подходы основаны на машинном алгоритме опорных векторов [10] и оптимизации pKa по экспериментально известным изоэлектрическим точкам белков / пептидов. [11]

Более того, экспериментально измеренные изоэлектрические точки белков были агрегированы в базы данных. [12] [13] Недавно была также разработана база данных изоэлектрических точек для всех белков, предсказанных с использованием большинства доступных методов. [14]

Керамические материалы [ править ]

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.). [15] При значениях pH выше IEP преобладающими поверхностными видами являются MO - , а при значениях pH ниже IEP преобладают M-OH 2 + . Некоторые приблизительные значения обычной керамики перечислены ниже: [16] [17]

МатериалIEPМатериалIEPМатериалIEPМатериалIEPМатериалIEPМатериалIEP
WO 3 [18]0,2-0,5Ta 2 O 5 [18]2,7-3,0δ-MnO 21.5Fe 2 O 3 [18]3,3-6,7Fe 2 O 3 [18]8,4-8,5ZnO [18]8,7-10,3
Sb 2 O 5 [18]<0,4–1,9SnO 2 [19]4-5,5 (7,3)β-MnO 2 [20]7.3CeO 2 [18]6,7-8,6α Al 2 O 38-9NiO [19]10-11
V 2 O 5 [18] [20]1-2 (3)ZrO 2 [18]4-11TiO 2 [21]2,8–3,8Cr 2 O 3 [18] [20]6,2-8,1 (7)Si 3 N 4 [19]9PbO [18]10,7-11,6
SiO 2 [18]1,7-3,5MnO 24-5Si 3 N 46-7γ Al 2 O 37-8Y 2 O 3 [18]7,15–8,95La 2 O 310
SiC [22]2-3,5ITO [23]6Fe 3 O 4 [18]6,5-6,8Tl 2 O [24]8CuO [19]9,5MgO [18]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 (Al 2 O 3 -SiO 2 ) изначально был измерен как имеющий IEP 4,5 (в электрокинетическом поведении поверхности преобладали поверхностные частицы Si-OH, что объясняет относительно низкое значение IEP). [25] Другие сообщали о значительно более высоких значениях IEP (pH от 6 до 8) для 3Al 2 O 3 -2SiO 2 . [19] Точно так же IEP титаната бария , BaTiO 3, был зарегистрирован в диапазоне 5-6 [19]в то время как другие получили значение 3. [26] При изучении смесей диоксида титана (TiO 2 ) и диоксида циркония (ZrO 2 ) было обнаружено, что их изоэлектрическая точка находится в диапазоне 5,3-6,9, нелинейно изменяясь с% (ZrO 2 ). [27] Поверхностный заряд 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 по сравнению с точкой нулевого заряда [ править ]

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

В системах, в которых H + / OH - являются ионами, определяющими межфазный потенциал, точка нулевого заряда дается в единицах pH. Значение pH, при котором поверхность демонстрирует нейтральный чистый электрический заряд, является точкой нулевого заряда на поверхности. Электрокинетические явления обычно измеряют дзета-потенциал , и нулевой дзета-потенциал интерпретируется как точка нулевого суммарного заряда в плоскости сдвига . Это называется изоэлектрической точкой. [28]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 адсорбированных положительных или отрицательных зарядов. [15] В этом контексте под специфической адсорбцией понимается адсорбция, происходящая в слое Штерна, или хемосорбция . Таким образом, точка нулевого заряда на поверхности принимается равной изоэлектрической точке при отсутствии специфической адсорбции на этой поверхности.

Согласно Жоливе [20], 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, p K - и p K +, чтобы определить два условия в терминах относительного количества заряженных сайтов:

Для больших Δp K (> 4 согласно Жоливе) преобладающим веществом является MOH, в то время как заряженных частиц относительно мало, поэтому PZC имеет значение. При малых значениях Δp K имеется много заряженных частиц в примерно равном количестве, поэтому говорят об ИЭП.

См. Также [ править ]

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

Ссылки [ править ]

  1. ^ Приемлемые варианты pH (I) будут включать pH I , pH IEP и т. Д . ; суть в том, что нельзя измерить «мощность» I, скорее можно измерить pH в зависимости от заданного условия.
  2. ^ IUPAC , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) « Изоэлектрическая точка в электрофорезе ». DOI : 10,1351 / goldbook.I03275
  3. Перейти ↑ Dayton, WR (1983). «Методы разделения белков» (PDF) . Взаимные материалы мясной конференции . 36 : 98–102.
  4. ^ Для вывода этого выражения см. Константу диссоциации кислоты
  5. ^ Дженсен, Ян Х .; Гордон, Марк С. (август 1995 г.). «О количестве молекул воды, необходимых для стабилизации цвиттериона глицина» . Журнал Американского химического общества . 117 (31): 8159–8170. DOI : 10.1021 / ja00136a013 . ISSN 0002-7863 . 
  6. ^ Bjellqvist, B .; Хьюз, ГДж; Pasquali, C .; Paquet, N .; Ravier, F .; Санчес, JC; 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. DOI : 10.1002 / elps.11501401163 . ISSN 0173-0835 . PMID 8125050 .  
  7. ^ Гаучи, Шарон; ван Брекелен, Бас; Lemeer, Simone M .; Krijgsveld, Jeroen; Хек, Альберт-младший (1 декабря 2008 г.). «Универсальный калькулятор pI пептидов для фосфорилированных и N-концевых ацетилированных пептидов, экспериментально протестированных с использованием изоэлектрического фокусирования пептидов». Протеомика . 8 (23–24): 4898–4906. DOI : 10.1002 / pmic.200800295 . ISSN 1615-9861 . PMID 19003858 .  
  8. ^ 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. DOI : 10.1093 / NAR / gkg563 . ISSN 0305-1048 . PMC 168970 . PMID 12824418 .   
  9. ^ Cargile, Бенджамин Дж .; 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. DOI : 10.1002 / elps.200700701 . ISSN 0173-0835 . PMID 18615785 .  
  10. ^ 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. DOI : 10.1016 / j.jprot.2012.01.029 . ISSN 1876-7737 . PMID 22326964 .  
  11. ^ Козловский, Л.П. (2016). «IPC - Изоэлектрический калькулятор точки» . Биол Директ . 11 (1): 55. DOI : 10,1186 / s13062-016-0159-9 . PMC 5075173 . PMID 27769290 .  
  12. ^ Hoogland, C .; Mostaguir, K .; Sanchez, JC .; Hochstrasser, DF .; Аппель, РД. (2004). «SWISS-2DPAGE, десять лет спустя». Протеомика . 4 (8): 2352–6. DOI : 10.1002 / pmic.200300830 . PMID 15274128 . 
  13. ^ Bunkute, E .; Cummins, C .; Crofts, FJ .; Bunce, G .; Nabney, IT .; Цветок, DR. (2015). «PIP-DB: база данных изоэлектрических точек белка» . Биоинформатика . 31 (2): 295–6. DOI : 10.1093 / биоинформатики / btu637 . PMID 25252779 . 
  14. ^ Козловский, Л.П. (2016). «Proteome-pI: база данных изоэлектрических точек протеома» . Nucleic Acids Res . 45 (D1): D1112 – D1116. DOI : 10.1093 / NAR / gkw978 . PMC 5210655 . PMID 27789699 .  
  15. ^ а б Ханаор, ДАХ; Michelazzi, M .; Леонелли, С .; Соррелл, CC (2012). «Влияние карбоновых кислот на водную дисперсию и электрофоретическое осаждение ZrO 2 ». Журнал Европейского керамического общества . 32 (1): 235–244. arXiv : 1303,2754 . DOI : 10.1016 / j.jeurceramsoc.2011.08.015 .
  16. ^ Haruta, M (2004). "Золотые наночастицы катализаторы для низкотемпературного окисления CO". Журнал новых материалов для электрохимических систем . 7 : 163–172.
  17. ^ Brunelle JP (1978). «Приготовление катализаторов методом адсорбции металлических комплексов на минеральных оксидах». Чистая и прикладная химия . 50, стр. 1211-1229.
  18. ^ a b c d e f g h i j k l m n o Марек Космульски, «Химические свойства поверхностей материалов», Марсель Деккер, 2001.
  19. ^ Б с д е е Льюиса, JA (2000). «Коллоидная обработка керамики». Журнал Американского керамического общества . 83 (10): 2341–2359. CiteSeerX 10.1.1.514.1543 . DOI : 10.1111 / j.1151-2916.2000.tb01560.x . 
  20. ^ a b c d Джоливет 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). 
  21. ^ Анодное водное электрофоретическое осаждение диоксида титана с использованием карбоновых кислот в качестве диспергирующих агентов Журнал Европейского керамического общества, 31 (6), 1041-1047, 2011
  22. ^ Патент США 5,165,996
  23. ^ 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. DOI : 10.1016 / 0022-0728 (93) 80048-м .
  24. ^ 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 . DOI : 10.1016 / j.jcis.2004.08.079 . PMID 15533430 . 
  25. ^ Джара, AA; Goldberg, S .; Мора, ML (2005). «Исследования поверхностного заряда аморфных алюмосиликатов с использованием моделей поверхностного комплексообразования». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 292 (1): 160–170. Bibcode : 2005JCIS..292..160J . DOI : 10.1016 / j.jcis.2005.05.083 . PMID 16051258 . 
  26. ^ Vamvakaki, 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. DOI : 10.1039 / b101728o . ISSN 0959-9428 . 
  27. ^ Дриско, Гленна L; Лука, Витторио; Сизгек, Эрден; Весы, Николас Ф .; Карузо, Рэйчел А. (2009). «Шаблонный синтез и адсорбционные свойства иерархически пористых оксидов циркония и титана». Ленгмюра . 25 (9): 5286–5293. DOI : 10.1021 / la804030h . ISSN 0743-7463 . PMID 19397363 .  
  28. ↑ AW Adamson, AP Gast, «Physical Chemistry of Surface», John Wiley and Sons, 1997.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Нельсон Д.Л., Кокс М.М. (2004). Принципы биохимии Ленингера . WH Freeman; 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 (в твердом переплете). ISBN 978-1-4200-5188-9 

Внешние ссылки [ править ]

  • IPC - Калькулятор изоэлектрической точки - вычисляет изоэлектрическую точку белка с использованием более 15 методов
  • prot pi - 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 изоэлектрических точек белка (~ 5000 белков)
  • Proteome-pI - база данных изоэлектрических точек протеома (предсказанная изоэлектрическая точка для всех белков)