thumb|Populacje różnych form glicyny w zależności od pH roztworu. Zielona linia wskazuje punkt izoelektryczny.GlyH2: H3N+CH2COOHGlyH: H3N+CH2COO−Gly: H2NCH2COO− 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: Materiał pI Materiał pI Materiał pI Materiał pI Materiał pI Materiał pI WO3 0,2–0,5 Ta2O5 2,7–3,0 δ-MnO2 1,5 Fe2O3 3,3–6,7 Fe2O3 8,4–8,5 ZnO 8,7–10,3 Sb2O5 <0,4–1,9 SnO2 4–5,5 (7,3) β-MnO2 7,3 CeO2 6,7–8,6 α Al2O3 8–9 NiO 10–11 V2O5 1–2 (3) ZrO2 4–11 TiO2 3,9–8,2 Cr2O3 6,2–8,1 (7) Si3N4 9 PbO 10,7–11,6 SiO2 1,7–3,5 MnO2 4–5 Si3N4 6–7 γ Al2O3 7–8 Y2O3 7,15–8,95 La2O3 10 SiC 2–3,5 ITO 6 Fe3O4 6,5–6,8 Tl2O 8 CuO 9,5 MgO 12–13 (9,8–12,7) 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 W. T. Godbey: An Introduction to Biotechnology. Elsevier, 2014, , s. 15.
Jolivet J.P., Metal Oxide Chemistry and Synthesis. From Solution to Solid State, John Wiley & Sons Ltd. 2000, (English translation of the original French text, De la Solution à l'Oxyde, InterEditions et CNRS Editions, Paris, 1994). Marek Kosmulski "An Introduction to Biotechnology" Marcel Dekker, 2001,
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
Kategoria:Chemia fizyczna Kategoria:Biochemia Kategoria:Jony