Khái niệm và ứng dụng của điểm đẳng điện hóa học

Điểm đẳng điện là một khái niệm quan trọng trong hóa sinh và hóa học phân tử, đặc biệt liên quan đến axit amin, protein và phân tử lưỡng tính.
I. Điểm đặng điện
1. Khái niệm điểm đẳng điện (pI)
Điểm đẳng điện (ký hiệu: pI) là giá trị pH tại đó phân tử hoặc ion lưỡng tính có tổng điện tích bằng 0, tức là không mang điện tích ròng.
Tóm gọn lại là :
Ở pH < pI: Phân tử mang điện tích dương
Ở pH = pI: Phân tử trung hòa điện
Ở pH > pI: Phân tử mang điện tích âm
Ứng dụng với axit amin / protein
Ví dụ: Axit amin Glyxin (NH₂–CH₂–COOH)
Ở pH thấp (axit): –NH₃⁺–CH₂–COOH → (+1)
Ở pH trung bình: –NH₃⁺–CH₂–COO⁻ → (0) → điểm đẳng điện
Ở pH cao (kiềm): –NH₂–CH₂–COO⁻ → (–1)
→ Điểm đẳng điện của glyxin ≈ 6.0
2. Công thức tính điểm đẳng điện (đơn giản)
Đối với axit amin không có nhóm ion hóa ở mạch bên:
pI =(pKa1 + pKa2) / 2
Trong đó:
pKa₁: pKa của nhóm –COOH (~2.0)
pKa₂: pKa của nhóm –NH₃⁺ (~9.5)
3. Ý nghĩa thực tiễn của điểm đẳng điện:
Ứng dụng: Điện di protein; dùng để tách protein dựa theo pI khác nhau
Ứng dụng: Kết tủa protein =>Dễ xảy ra ở pH = pI do không có lực đẩy điện tích
Ứng dụng: Tính tan protein => Tối thiểu tại pI (vì không mang điện, dễ tụ lại)
Ghi chú:
Điểm đẳng điện = pH tại đó phân tử “trung lập” về điện → không bị hút về cực âm hay dương khi điện di

​

II. Sự điện di
Điện di là phương pháp sử dụng sự khác biệt về điểm đẳng điện để tách riêng hỗn hợp các amino acid. Một vệt của hỗn hợp amino acid được đặt ở giữa của một lớp gel acrylamide hoặc một mảnh giấy lọc đã được làm ướt bằng dung dịch đệm. Hai điện cực được đặt tiếp xúc với các cạnh của gel hoặc giấy và các điện cực được đặt vào đó một giá trị điện thế vài nghìn volt.
Các amino acid tích điện dương (cation) sẽ bị hút vào điện cực âm (cathode) và các amino acid tích điện âm (anion) sẽ bị hút vào điện cực dương (anode). Còn các amino acid không có giá trị điện tích sẽ không di chuyển.
Ví dụ, hãy xét một hỗn hợp của alanine, lysine và aspartic acid trong dung dịch đệm ở pH bằng 6.
- Alanine ở điểm đẳng điện của nó là một ion lưỡng cực với điện tích bằng không.
- Độ pH bằng 6 có tính acid cao hơn độ pH đẳng điện của lysine (9,7). Vì vậy, lysine tồn tại ở dạng cation.
- Axit aspartic có pH đẳng điện là 2,8 nên sẽ tồn tại ở dạng anion.
Tóm lại, khi đặt một điện thế vào hỗn hợp gồm alanine, lysine và aspartic acid ở pH bằng 6 thì alanine sẽ không chuyển động. Lysine di chuyển về phía cathode tích điện âm, và aspartic acid sẽ chuyển động về phía anode tích điện dương. Sau một khoảng thời gian, các amino acid đã tách được thu hồi bằng cách cắt giấy lọc hoặc cạo các dải gel ra.
Trong kỹ thuật phân tích (để xác định amino acid có trong hỗn hợp) bằng phương pháp điện di, giấy hoặc gel sẽ được xử lý bằng thuốc thử như ninhydrin để làm cho các dải có thể nhìn thấy được. Sau đó, các amino acid sẽ được xác định bằng cách so sánh vị trí của chúng với vị trí của các mẫu tiêu chuẩn.