Punto isoeléctrico

El punto isoeléctrico (pI, pH(I), IEP), es el pH al cual 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). Sin embargo, también se utiliza pI. Por brevedad, este artículo utiliza pI. La carga neta de la molécula se ve afectada por el pH del entorno que la rodea y puede cargarse más 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, cuando los iones determinantes de 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. Tales 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 anfóteras biológicas, como las proteínas, contienen grupos funcionales tanto ácidos como básicos. Los aminoácidos que componen las proteínas pueden ser de naturaleza positiva, negativa, neutra o polar, y juntos le dan a la proteína su carga general. A un pH por debajo de su pI, las proteínas tienen una carga positiva neta; por encima de su pI llevan una carga neta negativa. Las proteínas pueden, por lo tanto, ser separadas por carga neta en un gel de poliacrilamida usando electroforesis en gel preparativa, que usa un pH constante para separar proteínas o enfoque isoeléctrico, que usa un gradiente de pH para separar proteínas. El enfoque isoeléctrico también es el primer paso en la electroforesis en gel de poliacrilamida en gel bidimensional.

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 usar para modelar el proceso y luego el compuesto se puede purificar del resto de la mezcla. Se pueden usar 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 en la mezcla es positiva; en los intercambiadores de cationes, estas proteínas cargadas positivamente se unen a la matriz cargada negativamente. A valores altos de pH, la carga neta de la mayoría de las proteínas es negativa, donde se unen a la matriz cargada positivamente en los intercambiadores de aniones. Cuando el entorno tiene un valor de pH igual al pI de la proteína, la carga neta es cero y la proteína no se une a ningún intercambiador y, por lo tanto, se puede eluir.

Cálculo de los valores de pI

Para un aminoácido con solo una amina y un grupo carboxilo, el pI se puede calcular a partir de la media de los pKas de esta molécula.

pI=pKa1+pKa22{displaystyle mathrm {pI} ={frac} [mathrm {p] K_{mathrm {a1}+mathrm {p} K_{mathrm {a2} } {2}}

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 por 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 ejecuta con un tampón de pH que es igual al pI, no migrará en absoluto. Esto también es cierto para los aminoácidos individuales.

Ejemplos

glycine pK = 2.72, 9.60	adenosina monofosfato pK = 0.9, 3.8, 6.1

En los dos ejemplos (a la derecha), el punto isoeléctrico se muestra con 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, la glicina (GlyH), es efectivamente el 100 % de la concentración analítica de glicina. La glicina puede existir como un zwitterión en el punto isoeléctrico, pero la constante de equilibrio para la reacción de isomerización en solución

<math alttext="{displaystyle {ce {H2NCH2CO2H H3N+CH2CO2-}}}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">H2NCH2CO2H↽ ↽ − − − − ⇀ ⇀ H3N+CH2CO2− − {displaystyle {ce {cH2NCH2CO2H }}}}<img alt="{displaystyle {ce {H2NCH2CO2H H3N+CH2CO2-}}}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c7b43c7772d6d5df77f63bcbd80e33939b5539f3" style="vertical-align: -1.005ex; width:35.471ex; height:3.343ex;"/>

no se conoce.

El otro ejemplo, el monofosfato de adenosina, se muestra para ilustrar el hecho de que, en principio, una tercera especie puede estar involucrada. De hecho, la concentración de (AMP)H2+3 es despreciable en el punto isoeléctrico en este caso. Si el pI es mayor que el pH, la molécula tendrá carga positiva.

Punto isoeléctrico de péptidos y proteínas

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, se determinaron los pK's entre inmovilinas estrechamente relacionadas, enfocando la misma muestra en gradientes de pH superpuestos. También se han propuesto algunas mejoras en la metodología (especialmente en la determinación de los valores de pK para aminoácidos modificados). 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 sobre el extremo C libre y aplican un término de corrección a los valores de pK correspondientes mediante un algoritmo genético. Otros enfoques recientes se basan en un algoritmo de máquina de vector de soporte y optimización de pKa frente a puntos isoeléctricos de proteína/péptido conocidos experimentalmente.

Además, el punto isoeléctrico de las proteínas medido experimentalmente se agregó a las bases de datos. Recientemente, también se ha desarrollado una base de datos de puntos isoeléctricos para todas las proteínas predichas utilizando la mayoría de los métodos disponibles.

En la práctica, una proteína con un exceso de aminoácidos básicos (arginina, lisina y/o histidina) tendrá un punto isoeléctrico aproximadamente superior a 7 (básico), mientras que una proteína con un exceso de aminoácidos ácidos (ácido aspártico y/o 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 conocido como enfoque isoeléctrico), seguido 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 completa de las proteínas como "manchas" distintas, con proteínas de alto peso molecular y baja Ip que migran a la parte superior izquierda del gel bidimensional, mientras que las proteínas con bajo peso molecular y alta Ip se ubican a la región inferior derecha del mismo gel.

Materiales cerámicos

Los puntos isoeléctricos (IEP) de las cerámicas de óxido metálico se utilizan ampliamente en la ciencia de los materiales en varios pasos de procesamiento acuoso (síntesis, modificación, etc.). En ausencia de especies quimisorbidas o fisisorbidas, generalmente se supone que las superficies de partículas en suspensión acuosa están cubiertas con especies hidroxilo superficiales, M-OH (donde M es un metal como Al, Si, etc.). A valores de pH por encima del IEP, la especie superficial predominante es M-O⁻, mientras que a valores de pH por debajo del IEP, la especie M-OH₂⁺ predominar. Algunos valores aproximados de las cerámicas comunes se enumeran a continuación:

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 ser difícil, por lo que muchas fuentes suelen citar 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, un aluminosilicato amorfo preparado sintéticamente (Al₂O₃-SiO₂) se midió inicialmente con un IEP de 4,5 (el comportamiento electrocinético de la superficie estaba dominada por especies de Si-OH superficiales, lo que explica el valor relativamente bajo de IEP). Otros han informado valores de IEP significativamente más altos (pH de 6 a 8) para 3Al₂O₃-2SiO₂. De manera similar, también el IEP del titanato de bario, BaTiO₃ se reportó en el rango 5-6 mientras que otros obtuvieron un valor de 3. Las mezclas de titania (TiO₂) y zirconia (Se estudió ZrO₂) y se encontró que tenía un punto isoeléctrico entre 5,3 y 6,9, que variaba de forma no lineal con %(ZrO₂). 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 zirconio mostraron una acidez de Br::onsted. Los diferentes tipos de acidez produjeron diferencias en las tasas y capacidades de adsorción de iones.

Punto isoeléctrico versus punto de carga cero

Los términos punto isoeléctrico (IEP) y punto de carga cero (PZC) a menudo se usan indistintamente, aunque en ciertas circunstancias, puede ser productivo hacer la distinción.

En sistemas en los que H⁺/OH⁻ son los iones determinantes del potencial de interfaz, el punto de carga cero se da en términos de pH. El pH en el que 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 el punto isoeléctrico. 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. En este contexto, se entiende por adsorción específica la adsorción que ocurre en una capa de Stern o quimisorción. Por lo 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, 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, pK⁻ y pK⁺ para definir las dos condiciones en términos del número relativo de sitios cargados:

pK− − − − pK+=Δ Δ pK=log⁡ ⁡ [MOH]2[MOH2+][MO− − ]{displaystyle mathrm {p} K^{-}-mathrm {p} K^{+}= Delta mathrm {p} K=log {frac {left[mathrm {mh} right]^{2}{left[mathrm {m} {_{2}{+}right]left[mathrm] {MO} {fn}}}}

Para ΔpK grande (>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 ΔpK, hay muchas especies cargadas en números aproximadamente iguales, por lo que se habla del IEP.