等電点

等電点（pI、pH(I)、IEP）は、分子が正味の電荷を帯びないか、統計的な平均で電気的に中性である pH です。等電点を表す標準的な命名法は pH(I) です。^[1]ただし、 pI も使用されます。^[2]簡潔にするために、この記事では pI を使用します。分子の正味電荷は周囲の環境の pH によって影響を受け、それぞれプロトン（H ⁺） の増加または減少により、より正に帯電したり、より負に帯電したりすることがあります。

表面は自然に帯電して二重層を形成します。表面電荷を決定するイオンが H ⁺ /HO ⁻である一般的なケースでは、正味の表面電荷は固体が浸されている液体の pH によって影響を受けます。

pI 値は、特定の pH での分子の溶解度に影響を及ぼします。このような分子は、そのpIに対応する pH で水または塩溶液に最小の溶解度を持ち、多くの場合、溶液から沈殿します。タンパク質などの生物学的両性分子は、酸性官能基と塩基性官能基の両方を含んでいます。タンパク質を構成するアミノ酸は、本質的に正、負、中性、または極性であり、一緒になってタンパク質に全体的な電荷を与えます。pIより低いpHでは、タンパク質は正味の正電荷を持ち、pI より高い pH では正味の負電荷を持ちます。したがって、タンパク質は、一定の pH を使用してタンパク質を分離する分取ネイティブ PAGE 、または pH勾配を使用してタンパク質を分離する等電点電気泳動のいずれかを使用して、ポリアクリルアミドゲル内で正味の電荷によって分離できます。等電点電気泳動は、2-D ゲルポリアクリルアミドゲル電気泳動の最初のステップでもあります。

生体分子では、タンパク質はイオン交換クロマトグラフィーによって分離できます。生体タンパク質は両性イオンアミノ酸化合物で構成されており、これらのタンパク質の正味電荷は、環境の pH に応じて正または負になります。ターゲット タンパク質の特定の pI を使用してプロセスをモデル化し、化合物を混合物の残りの部分から精製できます。この精製プロセスでは、環境の pH を変更するために、さまざまな pH のバッファーを使用できます。ターゲット タンパク質を含む混合物をイオン交換器にロードすると、固定マトリックスは正に帯電 (可動アニオンの場合) するか、負に帯電 (可動カチオンの場合) します。低 pH 値では、混合物内のほとんどのタンパク質の正味電荷は正です。陽イオン交換器では、これらの正に帯電したタンパク質は負に帯電したマトリックスに結合します。高 pH 値では、ほとんどのタンパク質の正味電荷は負であり、アニオン交換器では正に帯電したマトリックスに結合します。環境のpH値がタンパク質のpIに等しい場合、正味電荷はゼロであり、タンパク質はどの交換体にも結合していないため、溶出することができます。^[3]

アミンとカルボキシル基を1つずつ持つアミノ酸の場合、pIはこの分子のpKaの平均から計算できます。^[4]

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

電気泳動ゲルのpHは、そのゲルに使用されている緩衝液によって決まります。緩衝液のpHが泳動するタンパク質の pI より高い場合、タンパク質は正極に移動します (負電荷は正極に引き寄せられます)。緩衝液のpH が泳動するタンパク質の pI より低い場合、タンパク質はゲルの負極に移動します (正電荷は負極に引き寄せられます)。緩衝液の pH が pI と等しい場合、タンパク質はまったく移動しません。これは個々のアミノ酸にも当てはまります。

2つの例（右側）では、等電点は緑の縦線で示されています。グリシンでは、pK値は約7単位離れています。したがって、気相では、中性種であるグリシン（GlyH）の濃度は、分析グリシン濃度の100％です。^{[5]グリシンは等電点で}両性イオンとして存在する可能性がありますが、溶液中の異性化反応の平衡定数は

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

は不明です。

もう一つの例であるアデノシン一リン酸は、原理的には第三の種が関与している可能性があることを示すために示されています。実際、(AMP)H2歳以上3この場合、等電点では無視できるほど小さい。pI が pH より大きい場合、分子は正電荷を持つ。

ペプチドやタンパク質の等電点を推定するアルゴリズムが数多く開発されている。そのほとんどは、異なる pK 値を持つヘンダーソン・ハッセルバルヒ方程式を使用している。例えば、Bjellqvist らが提案したモデルでは、pK は、重複する pH 勾配に同じサンプルを集中させることによって、密接に関連したイモビリン間で決定された。^[6]この方法論の改良 (特に修飾アミノ酸の pK 値の決定) もいくつか提案されている。^{[7] [8]より高度な方法では、荷電した}アスパラギン酸またはグルタミン酸から ±3 残基離れた隣接アミノ酸の影響、遊離 C 末端への影響を考慮し、遺伝的アルゴリズムを使用して対応する pK 値に補正項を適用します。^[9]その他の最近のアプローチは、サポートベクターマシンアルゴリズム^[10]と、実験的に既知のタンパク質/ペプチド等電点に対する pKa 最適化に基づいています。^[11]

さらに、実験的に測定されたタンパク質の等電点がデータベースに集約されました。^{[12] [13]}最近では、利用可能なほとんどの方法を使用して予測されたすべてのタンパク質の等電点のデータベースも開発されました。^[14]

実際には、塩基性アミノ酸 (アルギニン、リジン、ヒスチジン) が過剰に含まれるタンパク質の等電点はおよそ 7 (塩基性) を超えますが、酸性アミノ酸 (アスパラギン酸、グルタミン酸) が過剰に含まれるタンパク質の等電点は 7 (酸性) 未満になることがよくあります。ポリアクリルアミドゲルで pH 勾配に沿って Ip によるタンパク質の電気泳動直線 (水平) 分離 (等電点電気泳動とも呼ばれます) に続いて、2 番目のポリアクリルアミドゲル ( SDS-PAGE )で標準分子量直線 (垂直) 分離を行う、いわゆる2 次元ゲル電気泳動または PAGE 2Dを構成します。この技術により、タンパク質を明確な「スポット」として完全に分離することができ、高分子量で低 Ip のタンパク質は 2 次元ゲルの左上部分に移動し、低分子量で高 Ip のタンパク質は同じゲルの右下領域に位置します。

金属酸化物セラミックスの等電点（IEP）は、材料科学のさまざまな水性処理ステップ（合成、改質など）で広く使用されています。化学吸着または物理吸着された種が存在しない場合は、水性懸濁液中の粒子表面は一般に表面ヒドロキシル種M-OH（MはAl、Siなどの金属）で覆われていると考えられます。^[15] IEPを超えるpH値では、主な表面種はMO-であり^、 IEP未満のpH値ではM-OH ₂ ⁺種が優勢です。一般的なセラミックスのいくつかの近似値を以下に記載します。^{[16] [17]}

注: 次のリストは、選択された物質の水中における 25 °C での等電点を示しています。正確な値は、純度や相などの物質要因、および温度などの物理的パラメータに応じて大きく変わる可能性があります。また、等電点の正確な測定は困難な場合があり、そのため多くの情報源ではこれらの物質の等電点について異なる値を挙げていることがよくあります。

混合酸化物は、対応する純粋酸化物の等電点値の中間の値を示すことがある。例えば、合成された非晶質アルミノケイ酸塩（Al ₂ O ₃ -SiO ₂）は、当初IEPが4.5と測定された（表面の電気動態挙動は表面Si-OH種によって支配されていたため、比較的低いIEP値が説明される）。^{[25] 3Al} ₂ O ₃ -2SiO ₂については、はるかに高いIEP値（pH 6～8）が他の研究者によって報告されている。^[22]同様に、チタン酸バリウム（BaTiO _{3 ）}のIEPも5～6の範囲と報告されているが^[22]、他の研究者は3という値を得た。 ^[26]チタニア（TiO ₂）とジルコニア（ZrO ₂ ）の混合物が研究され、等電点は5.3～6.9であり、%(ZrO ₂ )とともに非線形に変化することが判明した。^[27]混合酸化物の表面電荷は酸性度と相関していた。チタン酸含有量が多いとルイス酸性度が増加し、ジルコニア含有量の多い酸化物は臭素酸::オンステッド酸性を示した。酸性度の種類によってイオン吸着速度と容量に違いが生じた。

等電点 (IEP) とゼロ電荷点(PZC)という用語は、多くの場合同じ意味で使用されますが、特定の状況下では区別した方が生産的な場合もあります。

^{H +} /OH ^{− が}界面電位を決定するイオンであるシステムでは、電荷ゼロ点は pH で表されます。表面が中性の正味電荷を示す pH が、表面の電荷ゼロ点です。界面動電現象では一般にゼータ電位が測定され、ゼータ電位ゼロはせん断面での電荷ゼロ点と解釈されます。これは等電点と呼ばれます。^[28]したがって、等電点は、コロイド粒子が電界内で静止している pH の値です。等電点は粒子表面の電荷ゼロ点とは多少異なることが予想されますが、この違いは、いわゆる純粋な表面、つまり特異的に吸着された正または負の電荷を持たない表面では実際には無視されることがよくあります。^[15]この文脈では、特異的吸着はシュテルン層で起こる吸着または化学吸着として理解されています。したがって、表面のゼロ電荷点は、その表面への特異的吸着がない場合には等電点と等しいとみなされます。

ジョリヴェ^[19]によれば、正電荷も負電荷も存在しない場合、表面は電荷ゼロ点によって最もよく説明される。正電荷と負電荷が同量存在する場合、これが等電点である。したがって、PZCはいかなる種類の表面電荷も存在しないことを指し、IEPは中性正味表面電荷の状態を指す。したがって、両者の違いは、正味電荷ゼロ点における荷電部位の量である。ジョリヴェは、固有の表面平衡定数p K ⁻およびp K ^{+ を}使用して、荷電部位の相対数に関して2つの状態を定義している。

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

Δp Kが大きい場合(Jolivet によれば >4)、主な種は MOH ですが、荷電種の数は比較的少ないため、PZC が関係します。Δp Kの値が小さい場合、荷電種はほぼ同数で多数存在するため、IEP と呼ばれます。

• 電気泳動沈着
• ヘンダーソン・ハッセルバルヒ方程式
• 等電点電気泳動
• 等イオン点
• pK酸解離定数
• 調製用ネイティブPAGE
• ゼータ電位

• ネルソン DL、コックス MM (2004)。レーニンガー生化学原理。WH フリーマン; 第 4 版 (ハードカバー) 。ISBN 0-7167-4339-6 
• Kosmulski M. ( 2009)。表面帯電とゼロ電荷点。CRC Press; 第 1 版 (ハードカバー)。ISBN 978-1-4200-5188-9 

• IPC – 等電点計算機 — 15 以上の方法を使用してタンパク質の等電点を計算します
• prot pi – タンパク質等電点 — タンパク質の pI を計算するオンライン プログラム (複数のサブユニットと翻訳後修飾を含む)
• CurTiPot — 酸塩基平衡を計算するためのスプレッドシート スイート (アミノ酸などの両性分子の電荷と pH のプロット)
• pICalculax — 化学的に修飾されたペプチドおよびタンパク質の等電点 (pI) 予測ツール
• SWISS-2DPAGE 2016-12-10 にWayback Machineでアーカイブ— 2 次元ポリアクリルアミドゲル電気泳動から得られる等電点のデータベース (約 2,000 種類のタンパク質)
• PIP-DB — タンパク質等電点データベース（約 5,000 種類のタンパク質）
• Proteome-pI — プロテオーム等電点データベース（すべてのタンパク質の予測等電点）