Izoelektrična tačka

Izoelektrična tačka (pl) je ona pH vrijednost na kojoj su određene molekule ili površine naelektrisani neutralno, odnosno nisu naelektrisane ili im je podjednako pozitivno i negativno naelektrisanje.^[1]. Amfoterne molekule koje spadaju u cviterione, u zavisnosti od prisutnih funkcionalnih grupa, sadrže i pozitivna i negativna naelektrisanja. Električni naboj na molekule zavisi od pH vrijednosti okoline; gubitk ili prijem protona određuje njegov pozitivni ili negativni smisao. Prilikom formiranja dvojnog sloja dolazi do mijenjanja površine. Kada su na površini su ioni H⁺/OH^-, naelektrisanje površine obično zavisi od pH vrijednosti tečnosti u koju je uronjeno čvrsto tijelo. Pri pH vrijednostima otopine na izoelektričnoj tački nema površinskog naelektriziranja.

Rastvarane molekule najslabije su topive u rastvorima koji imaju pH na njihovoj izoelektričnoj, a u takvim rastvorima se često talože van rastvora. Biološki amfoterne molekule, kao što su proteini sadrže i kisele i bazne funkcionalne grupe. Proteinogene aminokiseline mogu biti pozitivne, negativne, neutralne ili polarne, a sve skupa proteinima daju ukupno naelektrisanje. Na pH vrijednost ispod njihove pl, proteini su pozitivno naelektrisani, a iznad − negativno. Zbog toga oni mogu biti grupirani i na osnovu njihove izoelektrične tačke, tj. ukupnog naelektrisanja, na poliakrilamidnom gelu, koristeći tehniku izoelektričnog fokusiranja na bazi pH gradijenta razdvajanja.^[2]^[3]^[4]

Procjena vrijednosti pl

Za aminokiselinu koja sadrži jednu amino i jednu karboksilnu grupu, pl se izračunava kao srednja vrijednost disocijacijske konstante (pKa) date molekule:

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

U postupku za aminokiseline sa više od dvije ionizirajuće grupe, primjenjuje se ista formula ali su dvije pKa, dviju grupa koje gube i primaju naelektrisanje iz neutralne molekule aminokiseline. Lizin, naprimjer, ima jednu karboksilnu pKa i dvije vrijednosti za pKa amino grupe, jer je jedna od njih na R-grupi. Zato potpuno protonizovani lizin ima naelektrisanje +2. Da bismo dobili neutralno stanje, lizin se mora deprotonizirati dva puta, zbog čega se uvažavaju i vrijednosti R-grupe i amino pKa.

pI={{9.06+10.54}2}=9.80

Vrijednost pH elektroforeznog gela određuje pufer koji se upotrebljava za taj gel. Ako je njegova pH vrijednost iznad pl vrijednosti protein, on će biti negativan i kretaće se prema pozitivnom polu. Ako je pH vrijednost pufera je niži od pl proteina, on će se kretati prema negativnom polu gela. Ako je pH vrijednost pufera jednaka pl, protein se uopće neće kretati, što se odnosu i na njegove sastavnice − amonikoseline.

Primjeri


Glicin pK = 2.72, 9.60	Adenoszin monofosfat pK = 0.9, 3.8, 6.1

U ova dva primjera, izoelektrična tačka je obiljžena zelenom vertikalnom linijom. Kod glicina pK vrijednosti su odvojene sa približno 7 jedinica tako da je koncentracija neutralne vrste glicina (GlyH) efektivno 100% njegove analtičke koncentracije. Glicine se, na izoeletričnoj tački, može javiti i kao biipolaran , ali ravnotežna konstanta za ravnotežu izomerizacijske u rastvoru je:

H₂NCH₂CO₂H = H₃N⁺CH₂CO₂⁻

is not known. Drugi primjer, adenozin monofosfat je prikazan za ilustraciju činjenice da i treća vrsta, u principu, može biti uključena. Ustvari, u ovom slučaju, koncentracija (AMP)H₃²⁺ je, u izoelektričnom trenutku, zanemariva. Ako je PI veći od pH, molekula će imati pozitivan naboj.

Keramički materijali

Izoelektrična tačka metalnih oksida u sastav keramike, u nauci o materijalima se često koristi u raznim procesuiranjima u vodenoj sredini (sinteza, modifikacija i sl.). Ovakve površine koje se javljaju kao koloidi ili kao veće čestice u vodenom rastvoru, obično su pokrivene hidroksilnim sklopom M-OH (M = metal). Pri pH vrijednostima koje su iznad pl, na površini je dominantno M-O^-, dok su na pH vrijednostima ispod pl dominantne M-OH₂⁺. Navedene su približne vrijednosti uobičajene keramike. Pouzdae vrijednosti variraju zavisno od osobina materijala, kao što su čistoća i faza i fizički uvjeti, kao što je temperatura.

Primjeri izoelektričnih tačaka

Slijedi lista pH_25 °C izoelektrične tačke u vodi, na 25 °C:

volfram(VI) oksid WO₃: 0.2-0.5
antimon(V) oksid Sb₂O₅: <0.4 to 1.9
vanadij(V) oksid V₂O₅: 1-2
silicij-dioksid SiO₂: 1.7-3.5
silicij-karbid SiC: 2-3.5
tantal(V) oksid Ta₂O₅: 2.7-3.0
kalaj(IV) oksid SnO₂: 4-5.5 (7.3)
cirkonij(IV) oksid ZrO₂: 4-11
mangan(IV) oksid MnO₂: 4-5
delta-MnO₂ 1.5, beta-MnO₂ 7.3
titanij(IV) oksid (rutil ili anatas) TiO₂: 3.9-8.2
silicij-nitrid Si₃N₄: 6-7
željezo(II,III) oksid (magnetit) Fe₃O₄: 6.5-6.8
gama željezo(III) oksid (magemit) Fe₂O₃: 3.3-6.7
cerij(IV) oksid CeO₂: 6.7-8.6
hrom(III) oksid Cr₂O₃: 7 (6.2-8.1)
gama aluminij-oksid Al₂O₃: 7-8
talij(I) oksid Tl₂O: 8

Pomiješani oksidi mogu imati izoelektrične između onih koje odgovaraju čistim oksidima. Npr., za sintetički pripremljeni amorfni aluminosilikat izmjeren je pl = 4.5 (Al₂O₃-SiO₂). Uočeno je da je elektrokinetičko ponašanje površine bilo pretežno od strane Si-OH oblika, čime se objašnjava relativno niska pl vrijednost. Veće vrijednosti pl (oko 6-8) ima 3Al₂O₃-2SiO₂ kao i barij-titranat BaTiO₃ koji je između pH 5 i 6.

Što je pH vrijednost rastvora aminokiseline udaljenija od vrijednosti pl, ta grupa molekula je više naelektrizirana.

Odnos: izoelektrična tačka - nulti električni naboj

Termini izoelektrična tačka i tačka nultog naelektrisanja se često upotrebljavaju, iako pod nekim uvjetima postoje međusobne razlike.

U sistemima u kojima su H⁺/OH^- ioni koji određuju površinu, tačka nultog naelektriziranja je određena u pH. Vrijednost pH na kojoj površina postaje neutralna predstavlja tačku nultog naelektrisanja površine. Elektrokinetički fenomeni uglavnom mjere zeta potencijal, čiji je nulti potencijal je definiran kao tačka nultog naboja na dvojnom sloju.

Izoelektrična tačka je različita od tačke nultog naelektrisanja na površini čestice, ali ovo je u praksi često ignorirano za površine koji nemaju specifičnu adsorpciju pozitivnog ili negativnog naelektrisanja. U tom smislu, specifična adsorpcija je uzima kao adsorpcija koja se dešava na duplom sloju ili hemijska adsorpcija. Zato je tačka nultog naelektrisanja na površini jednaka izoelektričnoj tački u odsustvu specifične adsoprcije na toj površini.

Tačka nultog naboja se odnosi na odsustvo bilo kojeg naelektrisanja na površini, a izoelektrična tačka − na stanje neutralnog ukupnog naelektrisanja površine. Razlika između njih je količina naelektriziranih mjesta na tački ukupnog negativnog naboja. Konstante ravnoteže površine pK^- i pK⁺ definirane su u dva uvjeta, prema relativnom broju naelektriziranih mjesta:

pK^{-}-pK^{+}=\Delta pK=\log {\frac {\left[MOH\right]^{2}}{\left[MOH{_{2}^{+}}\right]\left[MO^{-}\right]}}

Za velike ΔpK dominantni oblici su MOH, dok ima relativno malo naelektrisanih, pa je relevantna tačka nultog naboja.
Za manje vrijednosti ΔpK ima postoji veliki broj naelektrisanim oblika u približno jednakim učestalostima zbog čega je u pitanju izoelektrična tačka.

Također pogledajte

Reference

^ Nelson D. L., Cox M. M. (2004): Lehninger principles of biochemistry, 4th edition. W. H. Freeman and Comp, ISBN 0-7167-4339-6
^ Graeme K. Hunter G. K. (2000): Vital Forces. The discovery of the molecular basis of life. Academic Press, London 2000, ISBN 0-12-361811-8.
^ Nelson D. L., Michael M. Cox M. M. (2013): Lehninger Principles of Biochemistry. W. H. Freeman, 2013.ISBN 978-1-4641-0962-1.
^ Rassow J., Karin Hauser H., Netzker R., Deutzmann R. (2006): Biochemie. Georg Thieme Verlag, ISBN 3-13-125351-7.

Vanjski linkovi

Program za obračun proteina izoelektrične tačke
Free suite of spreadsheets for computing acid-base equilibria.
Proteome-pI a proteom izoelektrične baze podataka tačke (predviđa izoelektrične tačka za sve proteine)

[1] Nelson D. L., Cox M. M. (2004): Lehninger principles of biochemistry, 4th edition. W. H. Freeman and Comp, ISBN 0-7167-4339-6

[2] Graeme K. Hunter G. K. (2000): Vital Forces. The discovery of the molecular basis of life. Academic Press, London 2000, ISBN 0-12-361811-8.

[3] Nelson D. L., Michael M. Cox M. M. (2013): Lehninger Principles of Biochemistry. W. H. Freeman, 2013.ISBN 978-1-4641-0962-1.

[4] Rassow J., Karin Hauser H., Netzker R., Deutzmann R. (2006): Biochemie. Georg Thieme Verlag, ISBN 3-13-125351-7.

[1]

[2]

[3]

[4]