Где найти изоэлектрическую точку и зачем она нужна?

Изоэлектрическая точка - важнейшая характеристика белков и других амфотерных соединений. От нее зависят многие свойства этих веществ. Но что такое изоэлектрическая точка, где ее искать и зачем она нужна на практике? Давайте разберемся.

Что такое изоэлектрическая точка и откуда она берется

Изоэлектрическая точка (pI) — это значение pH, при котором молекула или частица находится в электрически нейтральном состоянии, то есть сумма положительных и отрицательных зарядов на ней равна нулю.

Такое свойство проявляется у амфотерных соединений, которые могут проявлять как кислотные, так и основные свойства. К таким веществам относятся многие биологически важные молекулы:

• аминокислоты
• пептиды
• белки

У них в составе есть и кислотные группы, отдающие протоны, и основные группы, принимающие протоны. Поэтому заряд таких молекул зависит от pH среды.

Зависимость заряда амфотерных молекул от pH

При низких значениях pH преобладает положительный заряд молекулы, так как кислотные группы отдают протоны, а основные группы их принимают. С повышением pH ситуация меняется на обратную - растет отрицательный заряд.

В какой-то промежуточной изоэлектрической точке происходит компенсация зарядов и молекула становится электрически нейтральной.

Влияние изоэлектрической точки на растворимость

В изоэлектрической точке наблюдается минимум растворимости амфотерных веществ. Дело в том, что электростатическое взаимодействие нейтральных молекул друг с другом сильнее, чем взаимодействие ионизированных форм. Поэтому амфотерные соединения часто выпадают в осадок в области своей изоэлектрической точки.

Так, например, белок казеин выпадает в осадок при pH молока, равном его изоэлектрической точке 4,6. Это свойство используют при производстве творога.

Как определить изоэлектрическую точку на практике

Для нахождения изоэлектрической точки амфотерного вещества можно использовать два подхода:

1. Теоретический расчет по значениям констант диссоциации
2. Экспериментальное определение

Теоретический расчет изоэлектрической точки

Для этого нужно знать константы диссоциации кислотных и основных групп данного вещества. Например, для аминокислоты глицин:

• Константа диссоциации карбоксильной группы: pK1 = 2,4
• Константа диссоциации аминогруппы: pK2 = 9,8

По этим данным изоэлектрическую точку глицина можно рассчитать по формуле:

pI = (pK1 + pK2) / 2 = (2,4 + 9,8) / 2 = 6,1

Экспериментальные методы определения

На практике чаще используют экспериментальное нахождение изоэлектрической точки. Для этого готовят серию растворов амфотерного вещества с разными значениями pH и определяют такие свойства, как оптическая плотность, интенсивность рассеяния света, вязкость.

В изоэлектрической точке эти свойства проходят через экстремум. Например, оптическая плотность имеет минимум, а интенсивность рассеяния света - максимум. По положению экстремума находят значение pI.

Экспериментальные методы определения

На практике чаще используют экспериментальное нахождение изоэлектрической точки. Для этого готовят серию растворов амфотерного вещества с разными значениями pH и определяют такие свойства, как оптическая плотность, интенсивность рассеяния света, вязкость.

В изоэлектрической точке эти свойства проходят через экстремум. Например, оптическая плотность имеет минимум, а интенсивность рассеяния света - максимум. По положению экстремума находят значение pI.

Оборудование для определения изоэлектрической точки

Для экспериментального определения pI потребуется следующее оборудование:

• Весы для отмеривания навесок вещества
• Мерный цилиндр для приготовления растворов
• Магнитная мешалка для перемешивания
• рН-метр для измерения pH
• Спектрофотометр или нефелометр для определения оптической плотности или мутности
• Вискозиметр для измерения вязкости (по желанию)

Подготовка серии растворов

Готовят серию растворов анализируемого вещества с различными значениями pH. Это можно сделать двумя способами:

1. Добавление различного количества сильной кислоты или щелочи
2. Приготовление буферных растворов с заранее известными значениями pH

Первый способ проще в исполнении, но может привести к погрешностям. Второй точнее, но требует большей подготовки.

Пошаговое определение изоэлектрической точки

После приготовления серии растворов, процедура определения pI включает следующие этапы:

1. Измерение pH каждого раствора с помощью рН-метра
2. Определение оптической плотности или другого свойства для каждого раствора
3. Построение графика зависимости свойства от pH
4. Определение положения экстремума на графике
5. Нахождение значения pH, соответствующего экстремуму - это и есть изоэлектрическая точка pI

При соблюдении методики такой подход позволяет достаточно точно экспериментально установить изоэлектрическую точку.

Применение знания изоэлектрической точки на практике

Нахождение pI важно не только для удовлетворения научного любопытства. Эта характеристика широко используется на практике:

• В пищевой промышленности
• При очистке и выделении белков
• В медицинской диагностике
• Для оптимизации работы ферментов