نقطة التساوي الكهربائي

نقطة التساوي الكهربائي ( pI ، pH(I) ، IEP )، هي درجة الحموضة التي لا تحمل عندها الجزيئة أي شحنة كهربائية صافية أو تكون محايدة كهربائيًا في المتوسط ​​الإحصائي . التسمية القياسية لتمثيل نقطة التساوي الكهربائي هي pH(I). ^[1] ومع ذلك، تُستخدم pI أيضًا. ^[2] للاختصار ، تستخدم هذه المقالة pI. تتأثر الشحنة الصافية على الجزيء بدرجة حموضة البيئة المحيطة به ويمكن أن تصبح مشحونة بشكل إيجابي أو سلبي أكثر بسبب اكتساب أو فقدان البروتونات (H ⁺ ) على التوالي .

تشحن الأسطح بشكل طبيعي لتكوين طبقة مزدوجة . في الحالة الشائعة عندما تكون الأيونات التي تحدد شحنة السطح هي H ⁺ /HO ⁻ ، تتأثر الشحنة السطحية الصافية بدرجة حموضة السائل الذي تغمر فيه المادة الصلبة.

يمكن أن تؤثر قيمة pI على قابلية ذوبان الجزيء عند درجة حموضة معينة. تتمتع هذه الجزيئات بحد أدنى من قابلية الذوبان في الماء أو المحاليل الملحية عند درجة الحموضة التي تتوافق مع pI وغالبًا ما تترسب خارج المحلول . تحتوي الجزيئات الأمفوتيرية البيولوجية مثل البروتينات على مجموعات وظيفية حمضية وقاعدية . قد تكون الأحماض الأمينية التي تتكون منها البروتينات موجبة أو سالبة أو محايدة أو قطبية بطبيعتها، وتعطي معًا البروتين شحنته الكلية. عند درجة حموضة أقل من pI، تحمل البروتينات شحنة موجبة صافية؛ وفوق pI تحمل شحنة سالبة صافية. وبالتالي، يمكن فصل البروتينات عن طريق الشحنة الصافية في هلام بولي أكريلاميد باستخدام إما PAGE الأصلي التحضيري ، والذي يستخدم درجة حموضة ثابتة لفصل البروتينات، أو التركيز الكهربائي المتساوي ، والذي يستخدم تدرج درجة الحموضة لفصل البروتينات. التركيز الكهربائي المتساوي هو أيضًا الخطوة الأولى في الرحلان الكهربائي لهلام بولي أكريلاميد ثنائي الأبعاد .

في الجزيئات الحيوية، يمكن فصل البروتينات باستخدام كروماتوغرافيا التبادل الأيوني . تتكون البروتينات البيولوجية من مركبات الأحماض الأمينية الزويترويونية ؛ يمكن أن تكون الشحنة الصافية لهذه البروتينات موجبة أو سالبة اعتمادًا على درجة حموضة البيئة. يمكن استخدام pI المحدد للبروتين المستهدف لنمذجة العملية ومن ثم يمكن تنقية المركب من بقية الخليط. يمكن استخدام مخازن ذات درجة حموضة مختلفة لعملية التنقية هذه لتغيير درجة حموضة البيئة. عندما يتم تحميل خليط يحتوي على بروتين مستهدف في مبادل أيوني، يمكن أن تكون المصفوفة الثابتة إما مشحونة إيجابيا (للأنيونات المتحركة) أو مشحونة سلبيا (للكاتيونات المتحركة). عند قيم الأس الهيدروجيني المنخفضة، تكون الشحنة الصافية لمعظم البروتينات في الخليط موجبة - في مبادلات الكاتيون، ترتبط هذه البروتينات المشحونة إيجابيا بالمصفوفة المشحونة سلبًا. عند قيم الأس الهيدروجيني العالية، تكون الشحنة الصافية لمعظم البروتينات سالبة، حيث ترتبط بالمصفوفة المشحونة إيجابيا في مبادلات الأنيون. عندما تكون البيئة عند قيمة pH تساوي pI للبروتين، تكون الشحنة الصافية صفرًا، ولا يرتبط البروتين بأي مبادل، وبالتالي، يمكن إخراجه. ^[3]

بالنسبة لحمض أميني يحتوي على أمين واحد ومجموعة كربوكسيل واحدة ، يمكن حساب pI من متوسط ​​pKas لهذا الجزيء. ^[4]

${\displaystyle \mathrm {pI} ={\frac {\mathrm {p} K_{\mathrm {a1} }+\mathrm {p} K_{\mathrm {a2} }}{2}}}$

يتم تحديد درجة حموضة الهلام الكهربائي بواسطة المحلول العازل المستخدم لذلك الهلام. إذا كانت درجة حموضة المحلول العازل أعلى من pI للبروتين الذي يتم تشغيله، فسوف يهاجر البروتين إلى القطب الموجب (تنجذب الشحنة السالبة إلى القطب الموجب). إذا كانت درجة حموضة المحلول العازل أقل من pI للبروتين الذي يتم تشغيله، فسوف يهاجر البروتين إلى القطب السالب للهلام (تنجذب الشحنة الموجبة إلى القطب السالب). إذا تم تشغيل البروتين بدرجة حموضة عازلة تساوي pI، فلن يهاجر على الإطلاق. وهذا ينطبق أيضًا على الأحماض الأمينية الفردية.

جلايسين pK = 2.72، 9.60	أدينوسين أحادي الفوسفات pK = 0.9، 3.8، 6.1

في المثالين (على اليمين) تظهر النقطة الكهربائية المتساوية بواسطة الخط الرأسي الأخضر. في الجلايسين ، تكون قيم pK منفصلة بحوالي 7 وحدات. وبالتالي، في الطور الغازي، يكون تركيز النوع المحايد، الجلايسين (GlyH)، 100% من تركيز الجلايسين التحليلي. ^[5] قد يوجد الجلايسين كزويتريوم عند النقطة الكهربائية المتساوية، لكن ثابت التوازن لتفاعل الأيزومرة في المحلول

${\displaystyle {\ce {H2NCH2CO2H <=> H3N+CH2CO2-}}}$

ليس معروفا.

المثال الآخر، أحادي فوسفات الأدينوزين ، يظهر لتوضيح حقيقة مفادها أن نوعًا ثالثًا قد يكون متورطًا من حيث المبدأ. في الواقع، تركيز (AMP)H2+3يمكن إهمالها عند نقطة التساوي الكهربائي في هذه الحالة. إذا كانت قيمة pI أكبر من قيمة pH، فسيكون للجزيء شحنة موجبة.

تم تطوير عدد من الخوارزميات لتقدير النقاط الكهربائية المتساوية للببتيدات والبروتينات . يستخدم معظمها معادلة هندرسون-هاسلبالش مع قيم pK مختلفة. على سبيل المثال، ضمن النموذج الذي اقترحه بيلكفيست وزملاؤه، تم تحديد pKs بين إيموبيلينات وثيقة الصلة من خلال التركيز على نفس العينة في تدرجات الأس الهيدروجيني المتداخلة. [ ^6] كما تم اقتراح بعض التحسينات في المنهجية (خاصة في تحديد قيم pK للأحماض الأمينية المعدلة). ^{[7] [8]} تأخذ الطرق الأكثر تقدمًا في الاعتبار تأثير الأحماض الأمينية المجاورة ±3 بقايا بعيدًا عن حمض الأسبارتيك أو الجلوتاميك المشحون ، والتأثيرات على الطرف الحر C، بالإضافة إلى تطبيق مصطلح تصحيح لقيم pK المقابلة باستخدام الخوارزمية الوراثية . ^[9] تعتمد الأساليب الحديثة الأخرى على خوارزمية آلة ناقل الدعم ^[10] وتحسين pKa مقابل نقاط كهربائية متساوية البروتين / الببتيد المعروفة تجريبياً. ^[11]

علاوة على ذلك، تم تجميع النقاط الكهربائية المتساوية للبروتينات المقاسة تجريبياً في قواعد البيانات. ^{[12] [13]} ومؤخراً، تم تطوير قاعدة بيانات للنقاط الكهربائية المتساوية لجميع البروتينات المتوقعة باستخدام معظم الطرق المتاحة. ^[14]

في الممارسة العملية، سيحمل البروتين الذي يحتوي على فائض من الأحماض الأمينية الأساسية (الأرجينين والليسين و/أو الهستيدين) نقطة كهربية متساوية أكبر من 7 تقريبًا (أساسي)، بينما غالبًا ما يكون للبروتين الذي يحتوي على فائض من الأحماض الأمينية الحمضية (حمض الأسبارتيك و/أو حمض الجلوتاميك) نقطة كهربية متساوية أقل من 7 (حمضي). يشكل الفصل الخطي الكهربائي (الأفقي) للبروتينات بواسطة Ip على طول تدرج الأس الهيدروجيني في هلام بولي أكريلاميد (المعروف أيضًا بالتركيز الكهربائي المتساوي )، متبوعًا بفصل خطي (رأسي) للوزن الجزيئي القياسي في هلام بولي أكريلاميد ثانٍ ( SDS-PAGE )، ما يسمى بالرحلان الكهربائي للهلام ثنائي الأبعاد أو PAGE 2D. تسمح هذه التقنية بالفصل الكامل للبروتينات على شكل "بقع" مميزة، مع انتقال البروتينات ذات الوزن الجزيئي العالي وIp المنخفض إلى الجزء العلوي الأيسر من الهلام ثنائي الأبعاد، في حين تنتقل البروتينات ذات الوزن الجزيئي المنخفض وIp العالي إلى المنطقة السفلية اليمنى من نفس الهلام.

تُستخدم النقاط الكهربية المتساوية (IEP) لسيراميك أكسيد المعدن على نطاق واسع في علم المواد في خطوات المعالجة المائية المختلفة (التخليق والتعديل وما إلى ذلك). في حالة عدم وجود أنواع ممتصة كيميائيًا أو ممتصة فيزيائيًا، يُفترض عمومًا أن أسطح الجسيمات في التعليق المائي مغطاة بأنواع هيدروكسيل السطح، M-OH (حيث M هو معدن مثل Al وSi وما إلى ذلك). ^[15] عند قيم الأس الهيدروجيني أعلى من IEP، تكون الأنواع السطحية السائدة هي MO ⁻ ، بينما عند قيم الأس الهيدروجيني أقل من IEP، تسود أنواع M-OH ₂ ⁺ . فيما يلي بعض القيم التقريبية للسيراميك الشائع: ^{[16] [17]}

مادة	برنامج التعليم الفردي
و 3 [18]	0.2–0.5
Sb2O5 [ 18 ]​	<0.4–1.9
ف 2 أو 5 [18] [19]	1-2 (3)
δ- MnO2	1.5
ثاني أكسيد السيليكون [18]	1.7–3.5
كربيد السيليكون [20]	2-3.5
تا 2 أو 5 [18]	2.7–3.0
ثاني أكسيد التيتانيوم [21]	2.8–3.8
γ- Fe2O3 [ 18 ]​	3.3–6.7
SnO2 [22 ]	4-5.5 (7.3)
أكسيد الزركونيوم 2 [18]	4-11
منظمة التجارة العالمية [23]	6
الكروم 2 O 3 [18] [19]	6.2–8.1 (7)
Fe3O4 [ 18 ]​	6.5–6.8
الرئيس التنفيذي لشركة 2 [18]	6.7–8.6
ي 2 س 3 [18]	7.15–8.95
γ- Al2O3​​​	7-8
β-MnO2 [ 19]	7.3
Tl2O [ 24 ]	8
ألفا- Al2O3​​​	8-9
α- Fe2O3 [ 18 ]	8.4–8.5
أكسيد الزنك [18]	8.7–10.3
سي 3 ن 4 [22]	9
أكسيد النحاس [22]	9.5
لا 2 أو 3	10
أكسيد النيكل [22]	10-11
أكسيد الرصاص [18]	10.7–11.6
أكسيد الماغنيسيوم [18]	12–13 (9.8·12.7)

ملاحظة: توضح القائمة التالية نقطة التساوي الكهربائي عند 25 درجة مئوية لمواد مختارة في الماء. يمكن أن تختلف القيمة الدقيقة على نطاق واسع، اعتمادًا على عوامل المادة مثل النقاء والطور بالإضافة إلى المعلمات الفيزيائية مثل درجة الحرارة. علاوة على ذلك، قد يكون القياس الدقيق لنقاط التساوي الكهربائي أمرًا صعبًا، وبالتالي غالبًا ما تستشهد العديد من المصادر بقيم مختلفة لنقاط التساوي الكهربائي لهذه المواد.

قد تظهر أكاسيد مختلطة قيم نقطة كهربائية متساوية تكون متوسطة لتلك الخاصة بالأكاسيد النقية المقابلة. على سبيل المثال، تم قياس سيليكات الألومنيوم غير المتبلورة المحضرة صناعيًا (Al ₂ O ₃ -SiO ₂ ) في البداية على أنها ذات IEP تبلغ 4.5 (كان السلوك الكهروحركي للسطح يهيمن عليه أنواع Si-OH السطحية، وبالتالي يفسر قيمة IEP المنخفضة نسبيًا). ^[25] تم الإبلاغ عن قيم IEP أعلى بكثير (درجة الحموضة 6 إلى 8) لـ 3Al ₂ O ₃ -2SiO ₂ من قبل آخرين. ^[22] وبالمثل، تم الإبلاغ أيضًا عن IEP لتيتانات الباريوم ، BaTiO ₃ في النطاق 5-6 ^[22] بينما حصل آخرون على قيمة 3. ^[26] تمت دراسة مخاليط التيتانيا (TiO ₂ ) والزركونيا (ZrO ₂ ) ووجد أن لها نقطة كهربائية متساوية بين 5.3-6.9، وتتغير بشكل غير خطي مع٪ (ZrO ₂ ). ^[27] ارتبطت الشحنة السطحية للأكاسيد المختلطة بالحموضة. أدى محتوى التيتانيا الأكبر إلى زيادة حموضة لويس، في حين أظهرت أكاسيد الزركونيا الغنية بحموضة Br::onsted. أنتجت الأنواع المختلفة من الحموضة اختلافات في معدلات امتصاص الأيونات وسعاتها.

غالبًا ما يتم استخدام مصطلحي نقطة التساوي الكهربائي (IEP) ونقطة الشحنة الصفرية (PZC) بالتبادل، على الرغم من أنه في ظل ظروف معينة، قد يكون من المفيد إجراء التمييز بينهما.

في الأنظمة التي يكون فيها H ⁺ /OH ⁻ هي الأيونات التي تحدد جهد الواجهة، تُعطى نقطة الشحنة الصفرية من حيث الرقم الهيدروجيني. الرقم الهيدروجيني الذي يظهر عنده السطح شحنة كهربائية صافية محايدة هو نقطة الشحنة الصفرية على السطح. تقيس الظواهر الكهروحركية بشكل عام جهد زيتا ، ويتم تفسير جهد زيتا الصفري على أنه نقطة الشحنة الصافية الصفرية عند مستوى القص . يُطلق على هذا نقطة التساوي الكهربائي. ^[28] وبالتالي، فإن نقطة التساوي الكهربائي هي قيمة الرقم الهيدروجيني التي يظل عندها الجسيم الغرواني ثابتًا في مجال كهربائي. من المتوقع أن تكون نقطة التساوي الكهربائي مختلفة إلى حد ما عن نقطة الشحنة الصفرية عند سطح الجسيم، ولكن غالبًا ما يتم تجاهل هذا الاختلاف في الممارسة العملية لما يسمى بالأسطح البكر، أي الأسطح التي لا تحتوي على شحنات موجبة أو سالبة ممتصة على وجه التحديد . ^[15] في هذا السياق، يُفهم الامتزاز المحدد على أنه الامتزاز الذي يحدث في طبقة ستيرن أو الامتزاز الكيميائي . وبالتالي، فإن نقطة الشحنة الصفرية على السطح تعتبر مساوية لنقطة التساوي الكهربائي في غياب الامتزاز النوعي على هذا السطح.

وفقًا لجوليفيه ^[19]، في حالة عدم وجود شحنات موجبة أو سالبة، يمكن وصف السطح بشكل أفضل بنقطة الشحنة الصفرية. إذا كانت الشحنات الموجبة والسالبة موجودة بكميات متساوية، فهذه هي النقطة الكهربية المتساوية. وبالتالي، يشير PZC إلى عدم وجود أي نوع من الشحنات السطحية، بينما يشير IEP إلى حالة الشحنة السطحية الصافية المحايدة. وبالتالي، فإن الفرق بين الاثنين هو كمية المواقع المشحونة عند نقطة الشحنة الصفرية الصافية. يستخدم جوليفيه ثوابت توازن السطح الجوهرية، p K ⁻ و p K ⁺ لتحديد الشرطين من حيث العدد النسبي للمواقع المشحونة:

${\displaystyle \mathrm {p} K^{-}-\mathrm {p} K^{+}=\Delta \mathrm {p} K=\log {\frac {\left[\mathrm {MOH} \right]^{2}}{\left[\mathrm {MOH} {_{2}^{+}}\right]\left[\mathrm {MO} ^{-}\right]}}}$

بالنسبة لقيم Δp K الكبيرة (>4 وفقًا لجوليفيه)، فإن النوع السائد هو MOH بينما يوجد عدد قليل نسبيًا من الأنواع المشحونة - لذا فإن PZC له أهمية. بالنسبة للقيم الصغيرة لـ Δp K ، يوجد العديد من الأنواع المشحونة بأعداد متساوية تقريبًا، لذا نتحدث عن IEP.

• الترسيب الكهربائي
• معادلة هندرسون-هاسلبالخ
• التركيز الكهربائي المتساوي
• نقطة متساوية الأيونات
• ثابت تفكك حمض pK
• الصفحة الأصلية التحضيرية
• جهد زيتا

• نيلسون دي إل، كوكس إم إم (2004). مبادئ ليهينجر للكيمياء الحيوية . دبليو إتش فريمان؛ الطبعة الرابعة (غلاف مقوى). رقم ISBN 0-7167-4339-6 
• Kosmulski M. (2009). الشحن السطحي ونقاط الشحن الصفري . CRC Press؛ الطبعة الأولى (غلاف مقوى). ISBN 978-1-4200-5188-9 

• IPC – حاسبة نقطة التساوي الكهربائي – احسب نقطة التساوي الكهربائي للبروتين باستخدام أكثر من 15 طريقة
• نقطة التساوي الكهربائي للبروتين – برنامج عبر الإنترنت لحساب نقطة التساوي الكهربائي للبروتينات (يشمل وحدات فرعية متعددة وتعديلات ما بعد الترجمة)
• CurTiPot — مجموعة من جداول البيانات لحساب توازنات الحمض والقاعدة (رسم بياني للشحنة مقابل الرقم الهيدروجيني للجزيئات الأمفوتيرية، على سبيل المثال، الأحماض الأمينية)
• pICalculax — أداة التنبؤ بالنقطة الكهربائية المتساوية (pI) للببتيدات والبروتينات المعدلة كيميائيًا
• تم أرشفة SWISS-2DPAGE في 10 ديسمبر 2016 على موقع Wayback Machine — قاعدة بيانات لنقاط التساوي الكهربائي الناتجة عن الرحلان الكهربائي للهلام البولي أكريلاميد ثنائي الأبعاد (~ 2000 بروتين)
• PIP-DB — قاعدة بيانات نقاط التساوي الكهربائي للبروتين (~ 5000 بروتين)
• Proteome-pI — قاعدة بيانات النقاط الكهربائية المتساوية للبروتينات (النقطة الكهربائية المتساوية المتوقعة لجميع البروتينات)