El punto isoeléctrico ( pI , pH(I) , IEP ), es el pH al que una molécula no lleva carga eléctrica neta o es eléctricamente neutra en la media estadística . La nomenclatura estándar para representar el punto isoeléctrico es pH(I). [1] Sin embargo, también se utiliza pI. [2] Por motivos de brevedad , este artículo utiliza pI. La carga neta de la molécula se ve afectada por el pH del entorno que la rodea y puede volverse más cargada positiva o negativamente debido a la ganancia o pérdida, respectivamente, de protones (H + ).
Las superficies se cargan naturalmente para formar una doble capa . En el caso común en el que los iones que determinan la carga superficial son H + /HO − , la carga superficial neta se ve afectada por el pH del líquido en el que se sumerge el sólido.
El valor de pI puede afectar la solubilidad de una molécula a un pH determinado. Estas moléculas tienen una solubilidad mínima en agua o soluciones salinas al pH que corresponde a su pI y, a menudo, precipitan fuera de la solución . Las moléculas biológicas anfóteras , como las proteínas, contienen grupos funcionales tanto ácidos como básicos . Los aminoácidos que forman las proteínas pueden ser de naturaleza positiva, negativa, neutra o polar y juntos dan a la proteína su carga general. A un pH inferior a su pI, las proteínas llevan una carga neta positiva; por encima de su pI llevan una carga neta negativa. Por tanto, las proteínas se pueden separar mediante carga neta en un gel de poliacrilamida utilizando PAGE nativa preparativa , que utiliza un pH constante para separar proteínas, o enfoque isoeléctrico , que utiliza un gradiente de pH para separar proteínas. El enfoque isoeléctrico es también el primer paso en la electroforesis en gel de poliacrilamida en gel 2-D .
En las biomoléculas, las proteínas se pueden separar mediante cromatografía de intercambio iónico . Las proteínas biológicas están formadas por compuestos de aminoácidos zwitteriónicos ; la carga neta de estas proteínas puede ser positiva o negativa dependiendo del pH del ambiente. El pI específico de la proteína objetivo se puede utilizar para modelar el proceso y luego el compuesto se puede purificar del resto de la mezcla. Se pueden utilizar tampones de varios pH para este proceso de purificación para cambiar el pH del medio ambiente. Cuando una mezcla que contiene una proteína objetivo se carga en un intercambiador de iones, la matriz estacionaria puede tener carga positiva (para aniones móviles) o carga negativa (para cationes móviles). A valores de pH bajos, la carga neta de la mayoría de las proteínas de la mezcla es positiva; en los intercambiadores de cationes, estas proteínas con carga positiva se unen a la matriz con carga negativa. A valores de pH altos, la carga neta de la mayoría de las proteínas es negativa, donde se unen a la matriz cargada positivamente en los intercambiadores aniónicos. Cuando el entorno tiene un valor de pH igual al pI de la proteína, la carga neta es cero y la proteína no está unida a ningún intercambiador y, por lo tanto, puede eluirse. [3]
Para un aminoácido con una sola amina y un grupo carboxilo , el pI se puede calcular a partir de la media de los pKas de esta molécula. [4]
El pH de un gel electroforético está determinado por el tampón utilizado para ese gel. Si el pH del tampón está por encima del pI de la proteína que se está procesando, la proteína migrará al polo positivo (la carga negativa es atraída hacia un polo positivo). Si el pH del tampón está por debajo del pI de la proteína que se está procesando, la proteína migrará al polo negativo del gel (la carga positiva es atraída por el polo negativo). Si la proteína se procesa con un pH de tampón igual al pI, no migrará en absoluto. Esto también es válido para los aminoácidos individuales.
En los dos ejemplos (a la derecha), el punto isoeléctrico se muestra mediante la línea vertical verde. En la glicina los valores de pK están separados por casi 7 unidades. Así, en la fase gaseosa, la concentración de la especie neutra, glicina (GlyH), es efectivamente el 100% de la concentración analítica de glicina. [5] La glicina puede existir como un zwitterión en el punto isoeléctrico, pero la constante de equilibrio para la reacción de isomerización en solución
no es conocido.
El otro ejemplo, el monofosfato de adenosina , ilustra el hecho de que, en principio, puede estar implicada una tercera especie. De hecho, la concentración de (AMP)H2+3es insignificante en el punto isoeléctrico en este caso. Si el pI es mayor que el pH, la molécula tendrá carga positiva.
Se han desarrollado varios algoritmos para estimar los puntos isoeléctricos de péptidos y proteínas . La mayoría de ellos utilizan la ecuación de Henderson-Hasselbalch con diferentes valores de pK. Por ejemplo, dentro del modelo propuesto por Bjellqvist y colaboradores, las pK se determinaron entre immobilinas estrechamente relacionadas enfocando la misma muestra en gradientes de pH superpuestos. [6] También se han propuesto algunas mejoras en la metodología (especialmente en la determinación de los valores de pK para aminoácidos modificados). [7] [8] Los métodos más avanzados tienen en cuenta el efecto de los aminoácidos adyacentes a ±3 residuos de un ácido aspártico o glutámico cargado , los efectos en el extremo C libre, y también aplican un término de corrección a los valores de pK correspondientes. utilizando algoritmo genético . [9] Otros enfoques recientes se basan en un algoritmo de máquina de vectores de soporte [10] y la optimización de pKa contra puntos isoeléctricos de proteínas/péptidos conocidos experimentalmente. [11]
Además, el punto isoeléctrico de las proteínas medido experimentalmente se agregó a las bases de datos. [12] [13] Recientemente, también se desarrolló una base de datos de puntos isoeléctricos para todas las proteínas predichas utilizando la mayoría de los métodos disponibles. [14]
En la práctica, una proteína con un exceso de aminoácidos básicos (arginina, lisina y/o histidina) tendrá un punto isoeléctrico aproximadamente mayor que 7 (básico), mientras que una proteína con un exceso de aminoácidos ácidos (ácido aspártico y/o ácido glutámico ) a menudo tendrá un punto isoeléctrico inferior a 7 (ácido). La separación electroforética lineal (horizontal) de proteínas por Ip a lo largo de un gradiente de pH en un gel de poliacrilamida (también conocida como enfoque isoeléctrico ), seguida de una separación lineal (vertical) de peso molecular estándar en un segundo gel de poliacrilamida ( SDS-PAGE ), constituye la llamada electroforesis en gel bidimensional o PAGE 2D. Esta técnica permite una separación exhaustiva de proteínas como "puntos" distintos, con proteínas de alto peso molecular y baja Ip migrando a la parte superior izquierda del gel bidimensional, mientras que las proteínas con bajo peso molecular y alta Ip se ubican en la parte inferior derecha. región del mismo gel.
Los puntos isoeléctricos (IEP) de las cerámicas de óxido metálico se utilizan ampliamente en la ciencia de materiales en diversos pasos de procesamiento acuoso (síntesis, modificación, etc.). En ausencia de especies quimisorbidas o fisisorbidas, generalmente se supone que las superficies de las partículas en suspensión acuosa están cubiertas con especies superficiales de hidroxilo, M-OH (donde M es un metal como Al, Si, etc.). [15] A valores de pH superiores al IEP, la especie superficial predominante es MO − , mientras que a valores de pH inferiores al IEP, predominan las especies M-OH 2 + . A continuación se enumeran algunos valores aproximados de cerámicas comunes: [16] [17]
Nota: La siguiente lista proporciona el punto isoeléctrico a 25 °C para materiales seleccionados en agua. El valor exacto puede variar ampliamente, dependiendo de factores materiales como la pureza y la fase, así como de parámetros físicos como la temperatura. Además, la medición precisa de los puntos isoeléctricos puede resultar difícil, por lo que muchas fuentes citan a menudo valores diferentes para los puntos isoeléctricos de estos materiales.
Los óxidos mixtos pueden exhibir valores de punto isoeléctrico que son intermedios a los de los óxidos puros correspondientes. Por ejemplo, inicialmente se midió que un aluminosilicato amorfo preparado sintéticamente (Al 2 O 3 -SiO 2 ) tenía un IEP de 4,5 (el comportamiento electrocinético de la superficie estuvo dominado por las especies de Si-OH de la superficie, lo que explica el valor IEP relativamente bajo). [25] Otros han informado valores de IEP significativamente más altos (pH 6 a 8) para 3Al 2 O 3 -2SiO 2 . [22] De manera similar, también se informó el IEP de titanato de bario , BaTiO 3 en el rango de 5 a 6 [22], mientras que otros obtuvieron un valor de 3. [26] Se estudiaron mezclas de titania (TiO 2 ) y circonia (ZrO 2 ). y se encontró que tiene un punto isoeléctrico entre 5,3 y 6,9, que varía de forma no lineal con %(ZrO 2 ). [27] La carga superficial de los óxidos mixtos se correlacionó con la acidez. Un mayor contenido de titania condujo a una mayor acidez de Lewis, mientras que los óxidos ricos en circonio mostraron una acidez de Br::onsted. Los diferentes tipos de acidez produjeron diferencias en las tasas y capacidades de adsorción de iones.
Los términos punto isoeléctrico (IEP) y punto de carga cero (PZC) a menudo se usan indistintamente, aunque en determinadas circunstancias puede resultar productivo hacer la distinción.
En sistemas en los que H + /OH − son los iones que determinan el potencial de la interfaz, el punto de carga cero se da en términos de pH. El pH al cual la superficie exhibe una carga eléctrica neta neutra es el punto de carga cero en la superficie. Los fenómenos electrocinéticos generalmente miden el potencial zeta , y un potencial zeta cero se interpreta como el punto de carga neta cero en el plano de corte . Esto se denomina punto isoeléctrico. [28] Así, el punto isoeléctrico es el valor de pH en el que la partícula coloidal permanece estacionaria en un campo eléctrico. Se espera que el punto isoeléctrico sea algo diferente del punto de carga cero en la superficie de la partícula, pero esta diferencia a menudo se ignora en la práctica para las denominadas superficies prístinas, es decir, superficies sin cargas positivas o negativas específicamente adsorbidas . [15] En este contexto se entiende por adsorción específica la adsorción que se produce en una capa Stern o quimisorción . Por tanto, el punto de carga cero en la superficie se considera igual al punto isoeléctrico en ausencia de adsorción específica en esa superficie.
Según Jolivet, [19] en ausencia de cargas positivas o negativas, la superficie se describe mejor mediante el punto de carga cero. Si las cargas positivas y negativas están presentes en cantidades iguales, entonces este es el punto isoeléctrico. Así, el PZC se refiere a la ausencia de cualquier tipo de carga superficial, mientras que el IEP se refiere a un estado de carga superficial neta neutra. La diferencia entre los dos, por lo tanto, es la cantidad de sitios cargados en el punto de carga neta cero. Jolivet utiliza las constantes de equilibrio de superficie intrínsecas, p K − y p K + para definir las dos condiciones en términos del número relativo de sitios cargados:
Para Δp K grandes (>4 según Jolivet), la especie predominante es MOH, mientras que hay relativamente pocas especies cargadas, por lo que el PZC es relevante. Para valores pequeños de Δp K , hay muchas especies cargadas en números aproximadamente iguales, por lo que se habla de IEP.
![{\displaystyle \mathrm {p} K^{-}-\mathrm {p} K^{+}=\Delta \mathrm {p} K=\log {\frac {\left[\mathrm {MOH} \right ]^{2}}{\left[\mathrm {MOH} {_{2}^{+}}\right]\left[\mathrm {MO} ^{-}\right]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1e3191d7ab56090ff3c419b53868c6c52134d80a)