Punkt izoelektryczny

Punkt izoelektryczny (pI, pH(I)) – 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 izoelektrycznym 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.

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. Dodatkowo, dane na temat punktu izoelektrycznego wyznaczonego eksperymentalnie zebrano w postaci baz danych SWISS-2DPAGE oraz PIP-DB Ponadto istnieje także baza danych zawierająca teoretycznie wyznaczone punkty izoelektryczne dla wszystkich białek w Uniprot.

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, a dla kwasu asparaginowego (2,09 + 3,86)/2 = 2,98.

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+. Poniżej podano wartości pI dla najczęściej stosowanych materiałów ceramicznych:

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.

Przypisy

Linki zewnętrzne 
 Program do obliczania pI oraz więcej wiadomości na ten temat
 prot pi - program pozwala obliczyć teoretyczny punkt izoelektryczny z uwzglednieniem modyfikacji posttranslacyjnych
 SWISS-2DPAGE - białkowa baza danych eksperymentalnie wyznaczonych punktów izoelektrycznych na podstawie elektroforezy 2D-PAGE (~ 2,000 białek)
 Proteome-pI - baza danych zawierająca teoretyczne punkty izoelektryczne białek

Chemia fizyczna
Biochemia
Jony