Изоэлектрическая точка
Расчёт pI
linkОпора
- Урок 375. Аминокислоты: строение и кислотно-основные свойства — рисовать ионные формы аминокислот
Заряд аминокислоты зависит от pH раствора (урок 375). При некотором значении pH положительные и отрицательные заряды уравновешиваются, и суммарный заряд становится равным нулю: это изоэлектрическая точка pI. В изоэлектрической точке аминокислота не движется в электрическом поле и хуже всего растворяется в воде.
Как посчитать pI
- Выпишите все значения pKa: α-карбоксильной группы (около 2), α-аммонийной группы (около 9–10) и боковой цепи, если она ионогенна.
- Нарисуйте формы от самой протонированной (pH 0) до полностью депротонированной, отщепляя протоны в порядке возрастания pKa, и найдите форму с нулевым суммарным зарядом.
- Вычислите pI как среднее двух значений pKa, между которыми существует нейтральная форма. У нейтральных аминокислот это pKa₁ и pKa₂, у кислых — pKa двух карбоксильных групп, у основных — pKa двух азотсодержащих групп.
| Аминокислота | pKa (COOH) | pKa (\(\ce{NH3+}\)) | pKa боковой | pI |
|---|---|---|---|---|
| глицин | 2,34 | 9,60 | — | 5,97 |
| аспарагиновая кислота | 1,88 | 9,60 | 3,65 | 2,77 |
| глутаминовая кислота | 2,19 | 9,67 | 4,25 | 3,22 |
| гистидин | 1,82 | 9,17 | 6,00 | 7,59 |
| лизин | 2,18 | 8,95 | 10,53 | 9,74 |
| аргинин | 2,17 | 9,04 | 12,48 | 10,76 |
Примеры
1. Глицин. У глицина \(\ce{H2NCH2COOH}\) две ионогенные группы, и нейтральная форма существует между их значениями pKa: \(pI = (2{,}34 + 9{,}60)/2 = 5{,}97\).
2. Аспарагиновая кислота. У аспарагиновой кислоты \(\ce{HOOCCH2CH(NH2)COOH}\) три ионогенные группы. Нейтральная форма появляется, когда протон отдаёт α-карбоксильная группа (pKa 1,88), и исчезает, когда его отдаёт боковая карбоксильная группа (pKa 3,65), поэтому \(pI = (1{,}88 + 3{,}65)/2 = 2{,}77\).
3. Лизин. У лизина нейтральная форма существует между отщеплением протона от α-аммонийной группы (pKa 8,95) и от боковой аммонийной группы (pKa 10,53): \(pI = (8{,}95 + 10{,}53)/2 = 9{,}74\).
errorНе усредняйте все три pKa
Если боковая цепь ионогенна, pI — не среднее трёх значений pKa. Берут только два значения, между которыми существует нейтральная форма.
edit_noteПопробуйте сами
Чему равна pI аланина (pKa 2,34 и 9,69)?
expand_moreПоказать решение
\(pI = (2{,}34 + 9{,}69)/2 = 6{,}02\).
Заряд при заданном pH и электрофорез
Изоэлектрическая точка из первой части урока позволяет сразу оценить знак заряда: если pH ниже pI, частица заряжена положительно, а если выше — отрицательно. На этом основан электрофорез — разделение аминокислот и белков в электрическом поле. Чтобы найти не только знак, но и величину заряда, нужно учесть степень ионизации каждой группы.
Как найти заряд и направление движения
- Для каждой группы найдите долю депротонированной формы: \(α = 1/(1 + 10^{pK_a - pH})\).
- Катионная группа (\(\ce{NH3+}\), гуанидиниевая, имидазолиевая) даёт заряд \(+(1 - α)\), а анионная (COOH, SH, фенольная OH) — заряд \(-α\). Сложите заряды всех групп.
- Для грубой оценки помните: при pH на две единицы ниже pKa группа практически полностью протонирована, а при pH на две единицы выше — практически полностью депротонирована.
- Определите направление движения при электрофорезе: при pH < pI частица заряжена положительно и движется к катоду (−), при pH > pI — к аноду (+), а при pH = pI остаётся на месте.
- В пептиде учитывайте только концевые группы и боковые цепи: α-карбоксильные и α-аминогруппы внутренних остатков заняты пептидными связями.
Примеры
1. Серин при pH 2. pKa карбоксильной группы серина 2,21, поэтому при pH 2 она депротонирована лишь частично: \(α = 1/(1 + 10^{0{,}21}) ≈ 0{,}38\). Аммонийная группа (pKa 9,15) протонирована полностью, и суммарный заряд равен \(+1 - 0{,}38 ≈ +0{,}62\), поэтому серин движется к катоду.
2. Трипептид Ala-Lys-Ser при pH 7. Ионогенны только группа \(\ce{NH3+}\) N-конца (+1), боковая группа \(\ce{NH3+}\) лизина (+1) и группа \(\ce{COO-}\) C-конца (−1), поэтому заряд трипептида около +1, и он движется к катоду.
3. Глицин и лизин при pH 7. Для лизина \(pI = 9{,}74\) — намного выше 7, поэтому он заряжен положительно и движется к катоду. pI глицина (5,97) ниже 7, но ненамного: его заряд близок к нулю, и глицин почти не смещается. Так электрофорез при pH 7 разделяет эти аминокислоты.
errorПептидная связь не ионизируется
В пептиде α-карбоксильные и α-аминогруппы всех остатков, кроме концевых, превращены в амидные группы, которые в воде практически не протонируются и не отдают протон. Кислотно-основные свойства сохраняются только у N- и C-конца и у боковых цепей.
edit_noteПопробуйте сами
Каков приближённый заряд серина (pKa 2,21 и 9,15) при pH 12?
expand_moreПоказать решение
Около −1: при pH 12 обе группы практически полностью депротонированы, потому что pH выше обоих значений pKa больше чем на две единицы.
push_pinГлавное
Изоэлектрическая точка pI — pH, при котором средний заряд аминокислоты равен нулю. Для нейтральных аминокислот pI = (pKa₁ + pKa₂)/2 (глицин: (2,34 + 9,60)/2 = 5,97); для кислых — полусумма pKa двух карбоксилов (Asp: 2,77); для основных — полусумма pKa двух аминогрупп (Lys: 9,74). Общее правило: берут два pKa, между которыми существует нейтральная форма. При pH < pI аминокислота заряжена положительно и при электрофорезе движется к катоду, при pH > pI — к аноду. Долю форм при заданном pH находят по уравнению Хендерсона — Хассельбаха; заряд пептида складывают из концевых групп и ионогенных боковых цепей.
Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.