stringtranslate.com

Изоэлектрическая точка

Изоэлектрическая точка ( pI , pH(I) , IEP ) — ​​это pH , при котором молекула не несет чистого электрического заряда или является электронейтральной в статистическом среднем . Стандартная номенклатура для обозначения 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 положительно или отрицательно заряженным из-за приобретения или потери протонов (H + ) соответственно.

Поверхности естественным образом заряжаются, образуя двойной слой . В общем случае, когда поверхностный заряд определяют ионы H + /HO − , на чистый поверхностный заряд влияет 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 дают 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 можно разделить по чистому заряду в полиакриламидном геле с помощью либо препаративного нативного PAGE , который использует постоянный pH для разделения белков, либо изоэлектрического фокусирования , которое использует градиент pH для разделения белков. Изоэлектрическое фокусирование также является первым шагом в двумерном электрофорезе в полиакриламидном геле .

В биомолекулах белки можно разделить с помощью ионообменной хроматографии . Биологические белки состоят из цвиттер-ионных аминокислотных соединений; суммарный заряд этих белков может быть положительным или отрицательным в зависимости от pH среды. Конкретный 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 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 суммарный заряд большинства белков в смеси положительный — в катионообменниках эти положительно заряженные белки связываются с отрицательно заряженной матрицей. При высоких значениях pH суммарный заряд большинства белков отрицательный, где они связываются с положительно заряженной матрицей в анионообменниках. Когда значение pH среды равно pI белка, суммарный заряд равен нулю, и белок не связан ни с одним обменником и, следовательно, может быть элюирован. [3]

Расчет значений pI

Для аминокислоты, содержащей только одну аминогруппу и одну карбоксильную группу, pI можно рассчитать из среднего значения pKas этой молекулы. [4]

pH электрофоретического геля определяется буфером, используемым для этого геля. Если pH буфера выше pI белка, который подвергается обработке, белок будет перемещаться к положительному полюсу (отрицательный заряд притягивается к положительному полюсу). Если pH буфера ниже pI белка, который подвергается обработке, белок будет перемещаться к отрицательному полюсу геля (положительный заряд притягивается к отрицательному полюсу). Если белок обрабатывается буфером с pH, равным pI, он вообще не будет перемещаться. Это также справедливо для отдельных аминокислот.

Примеры

В двух примерах (справа) изоэлектрическая точка показана зеленой вертикальной линией. В глицине значения pK разделены почти на 7 единиц. Таким образом, в газовой фазе концентрация нейтрального вида, глицина (GlyH), составляет фактически 100% аналитической концентрации глицина. [5] Глицин может существовать как цвиттер-ион в изоэлектрической точке, но константа равновесия для реакции изомеризации в растворе

неизвестно.

Другой пример, аденозинмонофосфат, показан для иллюстрации того факта, что третий вид может, в принципе, быть вовлечен. Фактически, концентрация (AMP)H2+3в этом случае в изоэлектрической точке можно пренебречь. Если pI больше pH, молекула будет иметь положительный заряд.

Пептиды и белки

Разработан ряд алгоритмов для оценки изоэлектрических точек пептидов и белков . Большинство из них используют уравнение Хендерсона-Хассельбальха с различными значениями pK. Например, в рамках модели, предложенной Бьеллквистом и его коллегами, pK определялись между близкородственными иммобилинами путем фокусировки одного и того же образца 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 расстоянии ±3 остатков от заряженной аспарагиновой или глутаминовой кислоты , влияние на свободный C-конец, а также применяют поправочный член к соответствующим значениям pK с использованием генетического алгоритма . [9] Другие недавние подходы основаны на алгоритме опорных векторов [10] и оптимизации pKa по экспериментально известным изоэлектрическим точкам белка/пептида. [11]

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

На практике белок с избытком основных аминокислот (аргинин, лизин и/или гистидин) будет иметь изоэлектрическую точку примерно выше 7 (основной), в то время как белок с избытком кислых аминокислот (аспарагиновая кислота и/или глутаминовая кислота) часто будет иметь изоэлектрическую точку ниже 7 (кислый). Электрофоретическое линейное (горизонтальное) разделение белков с помощью Ip вдоль градиента pH в полиакриламидном геле (также известное как изоэлектрическое фокусирование ), за которым следует стандартное молекулярно-массовое линейное (вертикальное) разделение во втором полиакриламидном геле ( SDS-PAGE ), представляет собой так называемый двумерный гель-электрофорез или PAGE 2D. Этот метод позволяет тщательно разделить белки в виде отдельных «пятен», при этом белки с высокой молекулярной массой и низким Ip перемещаются в верхнюю левую часть двумерного геля, тогда как белки с низкой молекулярной массой и высоким Ip располагаются в нижней правой области того же геля.

Керамические материалы

Изоэлектрические точки (ИЭТ) металлооксидной керамики широко используются в материаловедении на различных этапах обработки в воде (синтез, модификация и т. д.). При отсутствии хемосорбированных или физисорбированных видов поверхности частиц в водной суспензии обычно считаются покрытыми поверхностными гидроксильными видами, M-OH (где M — металл, такой как Al, Si и т. д.). [15] При значениях pH выше ИЭТ преобладающим поверхностным видом является MO − , тогда как при значениях pH ниже ИЭТ преобладают виды M-OH 2 + . Некоторые приблизительные значения обычных керамик приведены ниже: [16] [17]

Примечание: В следующем списке приведены изоэлектрические точки при 25 °C для выбранных материалов в воде. Точное значение может сильно варьироваться в зависимости от таких материальных факторов, 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 демонстрировать значения изоэлектрической точки, которые являются промежуточными 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 (электрокинетическое поведение поверхности определялось поверхностными видами Si-OH, что объясняет относительно низкое значение IEP). [25] Значительно более высокие значения IEP (pH от 6 до 8) были зарегистрированы для 3Al 2 O 3 -2SiO 2 другими авторами. [22] Аналогично, также ИЭП титаната бария , BaTiO 3, был зарегистрирован в диапазоне 5–6 [22], в то время как другие получили значение 3. [26] Были изучены смеси титана (TiO 2 ) и циркония (ZrO 2 ), и было обнаружено, что они имеют изоэлектрическую точку между 5,3–6,9, изменяющуюся нелинейно с %(ZrO 2 ). [27] Поверхностный заряд смешанных оксидов коррелировал с кислотностью. Большее содержание титана приводило к повышенной кислотности Льюиса, тогда как оксиды, богатые цирконием, демонстрировали кислотность Br::onsted. Различные типы кислотности приводили к различиям в скоростях и емкостях адсорбции ионов.

Против точки нулевого заряда

Термины «изоэлектрическая точка» (ИЭТ) и «точка нулевого заряда» (ТНЗ) часто используются как взаимозаменяемые, хотя при определенных обстоятельствах может быть полезно проводить различие.

В системах, в которых H + /OH − являются ионами, определяющими потенциал интерфейса, точка нулевого заряда задается в терминах pH. pH, при котором поверхность демонстрирует нейтральный чистый электрический заряд, является точкой нулевого заряда на поверхности. Электрокинетические явления обычно измеряют дзета-потенциал , а нулевой дзета-потенциал интерпретируется как точка нулевого чистого заряда на 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 это различие часто игнорируется на практике для так называемых чистых поверхностей, т. е. поверхностей без специфически адсорбированных положительных или отрицательных зарядов. [15] В этом контексте специфическая адсорбция понимается как 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 [19] , при отсутствии положительных или отрицательных зарядов поверхность лучше всего описывается точкой нулевого заряда. Если положительные и отрицательные 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 участков в точке чистого нулевого заряда. Жоливе использует внутренние константы равновесия поверхности, p K − и p K +, чтобы определить два условия в терминах относительного числа заряженных участков:

Для больших значений Δp K (>4 по Жоливе) преобладающим видом является MOH, в то время как заряженных видов относительно немного – поэтому PZC имеет значение. Для малых значений Δp K существует много заряженных видов в приблизительно равных количествах, поэтому говорят об IEP.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Приемлемые варианты pH(I) включают pH I , pH IEP и т. д .; главное, что нельзя взять «степень» I, вместо этого можно измерить pH при соблюдении заданного условия.
  2. ^ IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 2nd ed. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) «изоэлектрическая точка в электрофорезе». doi :10.1351/goldbook.I03275
  3. ^ Дейтон, WR (1983). «Техники разделения белков» (PDF) . Материалы конференции по мясу . 36 : 98–102.
  4. ^ Для вывода этого выражения см. константу диссоциации кислоты.
  5. ^ Дженсен, Ян Х.; Гордон, Марк С. (август 1995 г.). «О числе 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.; Hughes, GJ; Pasquali, C.; Paquet, N.; Ravier, F.; Sanchez, JC; Frutiger, S.; Hochstrasser, D. (1993-10-01). "Фокусирующие позиции 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. S2CID  38041111.
  7. ^ Gauci, Sharon; van Breukelen, Bas; Lemeer, Simone M.; Krijgsveld, Jeroen; Heck, Albert JR (2008-12-01). «Универсальный калькулятор pI пептидов для фосфорилированных и ацетилированных с N-концом пептидов, экспериментально протестированных с использованием изоэлектрического фокусирования пептидов». Proteomics . 8 (23–24): 4898–4906. doi :10.1002/pmic.200800295. ISSN  1615-9861. PMID  19003858. S2CID  21527631.
  8. ^ Гастайгер, Элизабет; Гаттикер, Александр; Хугланд, Кристин; Ивани, Иван; Аппель, Рон Д.; Байрох, Амос (2003-07-01). "ExPASy: сервер протеомики для углубленного изучения и анализа белков". Nucleic Acids Research . 31 (13): 3784–3788. doi :10.1093/nar/gkg563. ISSN  0305-1048. PMC 168970. PMID 12824418  . 
  9. ^ Cargile, Benjamin J.; Sevinsky, Joel R.; Essader, Amal S.; Eu, Jerry P.; Stephenson, James L. (2008-07-01). «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; Ауден, Энрике; Миллан, Алели; Рамос, Яссель; Санчес, Аниель; Вискайно, 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. ^ Kozlowski, LP. (2016). "IPC - Калькулятор изоэлектрической точки". Biol Direct . 11 (1): 55. doi : 10.1186/s13062-016-0159-9 . PMC 5075173. PMID  27769290 . 
  12. ^ Хугланд, К.; Мостагир, К.; Санчес, Дж. К.; Хохштрассер, Д. Ф.; Аппель, Р. Д. (2004). «SWISS-2DPAGE, десять лет спустя». Протеомика . 4 (8): 2352–6. doi :10.1002/pmic.200300830. PMID  15274128. S2CID  31933242.
  13. ^ Bunkute, E.; Cummins, C.; Crofts, FJ.; Bunce, G.; Nabney, IT.; Flower, DR. (2015). "PIP-DB: база данных изоэлектрических точек белков". Биоинформатика . 31 (2): 295–6. doi : 10.1093/bioinformatics/btu637 . PMID  25252779.
  14. ^ Kozlowski, LP. (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. ^ ab Hanaor, DAH; Michelazzi, M.; Leonelli, C.; Sorrell, 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. S2CID  98812224.
  16. ^ Харута, М (2004). «Наночастичные золотые катализаторы для низкотемпературного окисления CO». Журнал новых материалов для электрохимических систем . 7 : 163–172.
  17. ^ Brunelle JP (1978). «Приготовление катализаторов адсорбцией металлических комплексов на минеральных оксидах». Pure and Applied Chemistry, т. 50, стр. 1211–1229.
  18. ^ abcdefghijklmno Марек Космульски, «Химические свойства поверхностей материалов», Марсель Деккер, 2001.
  19. ^ abcd Jolivet JP, Metal Oxide Chemistry and Synthesis. From Solution to Solid State , 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. ^ Патент США 5,165,996
  21. ^ Анодное электрофоретическое осаждение диоксида титана в водной среде с использованием карбоновых кислот в качестве диспергирующих агентов. Журнал Европейского керамического общества, 31(6), 1041-1047, 2011 г.
  22. ^ abcdef Льюис, 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. S2CID  9513223. 
  23. ^ Дайдо, Т; Акаике, Т (1993). «Электрохимия цитохрома c: 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-m.
  24. ^ Космульски, М; Санелюта, 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. ^ Jara, AA; Goldberg, S.; Mora, ML (2005). «Исследования поверхностного заряда аморфных алюмосиликатов с использованием моделей поверхностного комплексообразования». Journal of Colloid and Interface Science . 292 (1): 160–170. Bibcode :2005JCIS..292..160J. doi :10.1016/j.jcis.2005.05.083. hdl : 10533/176403 . PMID  16051258.
  26. ^ Вамвакаки, ​​Мария; Биллингем, Норман К.; Армес, Стивен П.; Уоттс, Джон Ф.; Гривз, Стивен Дж. (2001). «Контролируемые структурные сополимеры для дисперсии высокопроизводительной керамики в водных средах». Журнал химии материалов . 11 (10): 2437–2444. doi :10.1039/b101728o. ISSN  0959-9428.
  27. ^ Дриско, Гленна Л.; Лука, Витторио; Сизгек, Эрден; Скейлс, Николас Ф.; Карузо, Рэйчел А. (2009). «Темпловый синтез и адсорбционные свойства иерархически пористых оксидов циркония и титана». Langmuir . 25 (9): 5286–5293. doi :10.1021/la804030h. ISSN  0743-7463. PMID  19397363.
  28. ^ AW Adamson, AP Gast, «Физическая химия поверхностей», John Wiley and Sons, 1997.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки