Point isoelectrique - Isoelectric point

Le point isoélectrique ( pI , pH(I) , IEP ) est le pH auquel une molécule ne porte aucune charge électrique nette ou est électriquement neutre dans la moyenne statistique . La nomenclature standard pour représenter le point isoélectrique est pH(I). Cependant, pI est également utilisé. Par souci de concision , cet article utilise pI. La charge nette de la molécule est affectée par le pH de son environnement et peut devenir plus chargée positivement ou négativement en raison du gain ou de la perte, respectivement, de protons (H + ).

Les surfaces se chargent naturellement pour former une double couche . Dans le cas courant où les ions déterminant la charge de surface sont H + /HO , la charge de surface nette est affectée par le pH du liquide dans lequel le solide est immergé.

La valeur de pi peut affecter la solubilité d'une molécule à un pH donné. De telles molécules ont une solubilité minimale dans l'eau ou les solutions salines au pH qui correspond à leur pi et précipitent souvent hors de la solution . Les molécules amphotères biologiques telles que les protéines contiennent à la fois des groupes fonctionnels acides et basiques . Les acides aminés qui composent les protéines peuvent être de nature positive, négative, neutre ou polaire, et ensemble donnent à une protéine sa charge globale. À un pH inférieur à leur pi, les protéines portent une charge positive nette ; au-dessus de leur pI, ils portent une charge nette négative. Les protéines peuvent donc être séparées par charge nette dans un gel de polyacrylamide en utilisant soit une électrophorèse sur gel préparative , qui utilise un pH constant pour séparer les protéines, soit une focalisation isoélectrique , qui utilise un gradient de pH pour séparer les protéines. La focalisation isoélectrique est également la première étape de l'électrophorèse sur gel de polyacrylamide en 2D .

Dans les biomolécules, les protéines peuvent être séparées par chromatographie échangeuse d'ions . Les protéines biologiques sont constituées de composés d'acides aminés zwitterioniques ; la charge nette de ces protéines peut être positive ou négative selon le pH de l'environnement. Le pi spécifique de la protéine cible peut être utilisé pour modéliser le processus et le composé peut ensuite être purifié du reste du mélange. Des tampons de différents pH peuvent être utilisés pour ce processus de purification afin de modifier le pH de l'environnement. Lorsqu'un mélange contenant une protéine cible est chargé dans un échangeur d'ions, la matrice stationnaire peut être soit chargée positivement (pour les anions mobiles) soit négativement (pour les cations mobiles). À des valeurs de pH faibles, la charge nette de la plupart des protéines du mélange est positive - dans les échangeurs de cations, ces protéines chargées positivement se lient à la matrice chargée négativement. À des valeurs de pH élevées, la charge nette de la plupart des protéines est négative, où elles se lient à la matrice chargée positivement dans les échangeurs d'anions. Lorsque l'environnement est à un pH égal au pI de la protéine, la charge nette est nulle et la protéine n'est liée à aucun échangeur et peut donc être éluée.

Calcul des valeurs pI

Pour un acide aminé avec une seule amine et un seul groupe carboxyle , le pI peut être calculé à partir de la moyenne des pKas de cette molécule.

Le pH d'un gel électrophorétique est déterminé par le tampon utilisé pour ce gel. Si le pH du tampon est supérieur au pi de la protéine en cours d'analyse, la protéine migrera vers le pôle positif (la charge négative est attirée vers un pôle positif). Si le pH du tampon est inférieur au pi de la protéine en cours d'analyse, la protéine migrera vers le pôle négatif du gel (la charge positive est attirée vers le pôle négatif). Si la protéine est traitée avec un pH tampon égal au pi, elle ne migrera pas du tout. Ceci est également vrai pour les acides aminés individuels.

Exemples

Glycine pI.png AMP pI.png
glycine pK = 2,72, 9,60 adénosine monophosphate pK = 0,9, 3,8, 6,1

Dans les deux exemples (à droite) le point isoélectrique est représenté par la ligne verticale verte. Dans la glycine, les valeurs de pK sont séparées de près de 7 unités. Ainsi en phase gazeuse, la concentration de l'espèce neutre, la glycine (GlyH), est effectivement de 100 % de la concentration analytique en glycine. La glycine peut exister sous forme de zwitterion au point isoélectrique, mais la constante d'équilibre pour la réaction d'isomérisation en solution

H 2 NCH 2 CO 2 H H 3 N + CH 2 CO 2

n'est pas connu.

L'autre exemple, l' adénosine monophosphate est montré pour illustrer le fait qu'une troisième espèce peut, en principe, être impliquée. En effet la concentration de (AMP)H 3 2+ est négligeable au point isoélectrique dans ce cas. Si le pI est supérieur au pH, la molécule aura une charge positive.

Point isoélectrique des peptides et des protéines

Un certain nombre d'algorithmes pour estimer les points isoélectriques des peptides et des protéines ont été développés. La plupart d'entre eux utilisent l' équation d'Henderson-Hasselbalch avec différentes valeurs de pK. Par exemple, dans le modèle proposé par Bjellqvist et ses collègues, les pK ont été déterminés entre des immobilines étroitement apparentées, en concentrant le même échantillon sur des gradients de pH qui se chevauchent. Certaines améliorations de la méthodologie (en particulier dans la détermination des valeurs de pK pour les acides aminés modifiés) ont également été proposées. Des méthodes plus avancées prennent en compte l'effet des acides aminés adjacents à ± 3 résidus d'un acide aspartique ou glutamique chargé , les effets sur l'extrémité C libre et appliquent un terme de correction aux valeurs pK correspondantes à l'aide d' un algorithme génétique . D'autres approches récentes sont basées sur un algorithme de machine à vecteurs de support et une optimisation de pKa contre des points isoélectriques protéine/peptide connus expérimentalement.

De plus, le point isoélectrique des protéines mesuré expérimentalement a été agrégé dans les bases de données. Récemment, une base de données de points isoélectriques pour toutes les protéines prédites en utilisant la plupart des méthodes disponibles a également été développée.

Matériaux céramiques

Les points isoélectriques (IEP) des céramiques à oxyde métallique sont largement utilisés en science des matériaux dans diverses étapes de traitement aqueux (synthèse, modification, etc.). En l'absence d'espèces chimisorbées ou physisorbées, les surfaces des particules en suspension aqueuse sont généralement supposées être recouvertes d'espèces hydroxyles de surface, M-OH (où M est un métal tel que Al, Si, etc.). À des valeurs de pH supérieures à l'IEP, l'espèce de surface prédominante est MO , tandis qu'à des valeurs de pH inférieures à l'IEP, l' espèce M-OH 2 + prédomine. Certaines valeurs approximatives des céramiques courantes sont répertoriées ci-dessous :

Matériel IEP Matériel IEP Matériel IEP Matériel IEP Matériel IEP Matériel IEP
AD 3 0,2-0,5 Ta 2 O 5 2.7-3.0 -MnO 2 1.5 Fe 2 O 3 3.3-6.7 Fe 2 O 3 8.4-8.5 ZnO 8,7-10,3
Sb 2 O 5 <0.4-1.9 SnO 2 4-5,5 (7,3) -MnO 2 7.3 PDG 2 6,7-8,6 α Al 2 O 3 8-9 NiO 10-11
V 2 O 5 1-2 (3) ZrO 2 4-11 TiO 2 2,8-3,8 Cr 2 O 3 6.2-8.1 (7) Si 3 N 4 9 PbO 10,7-11,6
SiO 2 1.7-3.5 MnO 2 4-5 Si 3 N 4 6-7 γ Al 2 O 3 7-8 A 2 O 3 7.15-8.95 La 2 O 3 dix
SiC 2-3.5 ITO 6 Fe 3 O 4 6,5 à 6,8 Tl 2 O 8 CuO 9.5 MgO 12-13 (9,8-12,7)

Remarque : La liste suivante donne le point isoélectrique à 25 °C pour des matériaux sélectionnés dans l'eau. La valeur exacte peut varier considérablement, en fonction de facteurs matériels tels que la pureté et la phase ainsi que de paramètres physiques tels que la température. De plus, la mesure précise des points isoélectriques peut être difficile, ainsi de nombreuses sources citent souvent des valeurs différentes pour les points isoélectriques de ces matériaux.

Les oxydes mixtes peuvent présenter des valeurs de point isoélectrique intermédiaires à celles des oxydes purs correspondants. Par exemple, un aluminosilicate amorphe préparé synthétiquement (Al 2 O 3 -SiO 2 ) a été initialement mesuré comme ayant un IEP de 4,5 (le comportement électrocinétique de la surface était dominé par les espèces Si-OH de surface, expliquant ainsi la valeur IEP relativement faible). Des valeurs d'IEP significativement plus élevées (pH 6 à 8) ont été rapportées pour 3Al 2 O 3 -2SiO 2 par d'autres. De même, l'IEP du titanate de baryum , BaTiO 3 a été signalé dans la plage 5-6 tandis que d'autres ont obtenu une valeur de 3. Des mélanges d' oxyde de titane (TiO 2 ) et de zircone (ZrO 2 ) ont été étudiés et se sont avérés avoir un point isoélectrique compris entre 5,3 -6,9, variant de manière non linéaire avec %(ZrO 2 ). La charge de surface des oxydes mixtes était corrélée à l'acidité. Une teneur plus élevée en oxyde de titane a entraîné une augmentation de l'acidité de Lewis, tandis que les oxydes riches en zircone ont affiché une acidité Br::onsted. Les différents types d'acidité ont produit des différences dans les taux et les capacités d'adsorption des ions.

Point isoélectrique versus point de charge nulle

Les termes point isoélectrique (IEP) et point de charge nulle (PZC) sont souvent utilisés de manière interchangeable, bien que dans certaines circonstances, il puisse être utile de faire la distinction.

Dans les systèmes dans lesquels H + /OH - sont les ions déterminant le potentiel d'interface, le point de charge zéro est donné en termes de pH. Le pH auquel la surface présente une charge électrique nette neutre est le point de charge nulle à la surface. Les phénomènes électrocinétiques mesurent généralement le potentiel zêta , et un potentiel zêta nul est interprété comme le point de charge nette nulle au niveau du plan de cisaillement . C'est ce qu'on appelle le point isoélectrique. Ainsi, le point isoélectrique est la valeur du pH à laquelle la particule colloïdale reste stationnaire dans un champ électrique. Le point isoélectrique devrait être quelque peu différent du point de charge nulle à la surface des particules, mais cette différence est souvent ignorée en pratique pour les surfaces dites vierges, c'est-à-dire les surfaces sans charges positives ou négatives spécifiquement adsorbées . Dans ce contexte, l'adsorption spécifique est comprise comme l'adsorption se produisant dans une couche de Stern ou la chimisorption . Ainsi, le point de charge nulle à la surface est pris égal au point isoélectrique en l'absence d'adsorption spécifique sur cette surface.

Selon Jolivet, en l'absence de charges positives ou négatives, la surface est mieux décrite par le point de charge nulle. Si des charges positives et négatives sont toutes deux présentes en quantités égales, alors c'est le point isoélectrique. Ainsi, le PZC fait référence à l'absence de tout type de charge surfacique, tandis que l'IEP fait référence à un état de charge surfacique nette neutre. La différence entre les deux est donc la quantité de sites chargés au point de charge nette zéro. Jolivet utilise les constantes intrinsèques d'équilibre de surface, p K et p K + pour définir les deux conditions en termes de nombre relatif de sites chargés :

Pour les grands Δp K (>4 selon Jolivet), l'espèce prédominante est le MOH alors qu'il y a relativement peu d'espèces chargées - la PZC est donc pertinente. Pour de petites valeurs de p K , il existe de nombreuses espèces chargées en nombre approximativement égal, on parle donc d'IEP.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

  • Nelson DL, Cox MM (2004). Principes de biochimie de Lehninger . WH Freeman; 4e édition (Couverture rigide). ISBN  0-7167-4339-6
  • Kosmulski M. (2009). Charge de surface et points de charge zéro . Presse CRC; 1ère édition (Couverture rigide). ISBN  978-1-4200-5188-9

Liens externes

  • IPC - Isoelectric Point Calculator - calcule le point isoélectrique des protéines en utilisant plus de 15 méthodes
  • prot pi - point isoélectrique de la protéine - un programme en ligne pour calculer le pI des protéines (inclure plusieurs sous-unités et modifications post-traductionnelles)
  • CurTiPot - une suite de feuilles de calcul pour le calcul des équilibres acido-basiques (charge en fonction du pH des molécules amphotères, par exemple les acides aminés)
  • pICalculaxPrédicteur du point isoélectrique (pI) pour les peptides et protéines modifiés chimiquement
  • SWISS-2DPAGE — une base de données de points isoélectriques provenant de l'électrophorèse bidimensionnelle sur gel de polyacrylamide (~ 2 000 protéines)
  • PIP-DB - une base de données de point isoélectrique de protéine (~ 5 000 protéines)
  • Proteome-pI - une base de données du point isoélectrique du protéome (point isoélectrique prévu pour toutes les protéines)