आइसोइलेक्ट्रिक बिंदु

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आइसोइलेक्ट्रिक बिंदु (pI, pH(I), IEP), वह pH है जिस पर एक अणु पर कोई शुद्ध विद्युत आवेश नहीं होता है या वह सांख्यिकीय माध्य में विद्युत रूप से तटस्थ होता है। आइसोइलेक्ट्रिक बिंदु को दर्शाने के लिए मानक नामकरण pH(I) है।[1] हालाँकि, pI का भी उपयोग किया जाता है। संक्षिप्तता के लिए, यह लेख pI का उपयोग करता है। अणु पर शुद्ध आवेश उसके आसपास के वातावरण के pH से प्रभावित होता है और प्रोटॉन (H+) के लाभ या हानि के कारण क्रमशः अधिक धनात्मक या ऋणात्मक रूप से आवेशित हो सकता है।

सतहें स्वाभाविक रूप से एक द्विपरत बनाने के लिए आवेशित होती हैं।[2] सामान्य स्थिति में जब सतह आवेश-निर्धारक आयन H+/HO− होते हैं, तो शुद्ध सतह आवेश उस तरल के pH से प्रभावित होता है जिसमें ठोस डूबा हुआ होता है।

pI मान किसी दिए गए pH पर अणु की घुलनशीलता को प्रभावित कर सकता है। ऐसे अणुओं की पानी या नमक के घोल में उस pH पर न्यूनतम घुलनशीलता होती है जो उनके pI के अनुरूप होती है और अक्सर विलयन से बाहर अवक्षेपित हो जाते हैं। जैविक उभयधर्मी अणुओं जैसे कि प्रोटीन में अम्लीय और क्षारीय दोनों कार्यात्मक समूह होते हैं। प्रोटीन बनाने वाले अमीनो एसिड प्रकृति में धनात्मक, ऋणात्मक, तटस्थ या ध्रुवीय हो सकते हैं, और मिलकर प्रोटीन को उसका समग्र आवेश देते हैं। अपने pI से नीचे के pH पर, प्रोटीन पर शुद्ध धनात्मक आवेश होता है; अपने pI से ऊपर उन पर शुद्ध ऋणात्मक आवेश होता है।[3] इस प्रकार, प्रोटीनों को पॉलीएक्रिलामाइड जेल में शुद्ध आवेश द्वारा अलग किया जा सकता है, या तो प्रिपरेटिव नेटिव PAGE का उपयोग करके, जो प्रोटीनों को अलग करने के लिए एक स्थिर pH का उपयोग करता है, या आइसोइलेक्ट्रिक फोकसिंग का उपयोग करके, जो प्रोटीनों को अलग करने के लिए एक pH प्रवणता का उपयोग करता है। आइसोइलेक्ट्रिक फोकसिंग 2-D पॉलीएक्रिलामाइड जेल वैद्युतकणसंचलन में पहला चरण है।

जैव अणुओं में, प्रोटीनों को आयन एक्सचेंज क्रोमैटोग्राफी द्वारा अलग किया जा सकता है। जैविक प्रोटीन ज़्विटरआयनिक अमीनो एसिड यौगिकों से बने होते हैं; इन प्रोटीनों का शुद्ध आवेश पर्यावरण के pH के आधार पर धनात्मक या ऋणात्मक हो सकता है। लक्ष्य प्रोटीन के विशिष्ट pI का उपयोग प्रक्रिया को मॉडल करने के लिए किया जा सकता है और फिर यौगिक को मिश्रण के बाकी हिस्सों से शुद्ध किया जा सकता है। पर्यावरण के pH को बदलने के लिए इस शुद्धिकरण प्रक्रिया के लिए विभिन्न pH के बफ़र्स का उपयोग किया जा सकता है। जब लक्ष्य प्रोटीन युक्त मिश्रण को एक आयन एक्सचेंजर में लोड किया जाता है, तो स्थिर मैट्रिक्स धनात्मक रूप से आवेशित (मोबाइल आयनों के लिए) या ऋणात्मक रूप से आवेशित (मोबाइल धनायनों के लिए) हो सकता है। कम pH मानों पर, मिश्रण में अधिकांश प्रोटीनों का शुद्ध आवेश धनात्मक होता है – धनायन एक्सचेंजर्स में, ये धनात्मक रूप से आवेशित प्रोटीन ऋणात्मक रूप से आवेशित मैट्रिक्स से बंध जाते हैं। उच्च pH मानों पर, अधिकांश प्रोटीनों का शुद्ध आवेश ऋणात्मक होता है, जहाँ वे ऋणायन एक्सचेंजर्स में धनात्मक रूप से आवेशित मैट्रिक्स से बंध जाते हैं। जब पर्यावरण प्रोटीन के pI के बराबर pH मान पर होता है, तो शुद्ध आवेश शून्य होता है, और प्रोटीन किसी भी एक्सचेंजर से नहीं बंधता है, और इसलिए, इसे बाहर निकाला जा सकता है।[4]

pI मानों की गणना

केवल एक अमीन और एक कार्बोक्सिल समूह वाले अमीनो एसिड के लिए, pI की गणना इस अणु के pKa के माध्य से की जा सकती है।[5]

pI=pKa1+pKa22

एक वैद्युतकणसंचलन जेल का pH उस जेल के लिए उपयोग किए जाने वाले बफ़र द्वारा निर्धारित किया जाता है। यदि बफ़र का pH चल रहे प्रोटीन के pI से ऊपर है, तो प्रोटीन धनात्मक ध्रुव की ओर प्रवास करेगा (ऋणात्मक आवेश धनात्मक ध्रुव की ओर आकर्षित होता है)। यदि बफ़र का pH चल रहे प्रोटीन के pI से नीचे है, तो प्रोटीन जेल के ऋणात्मक ध्रुव की ओर प्रवास करेगा (धनात्मक आवेश ऋणात्मक ध्रुव की ओर आकर्षित होता है)। यदि प्रोटीन को ऐसे बफ़र pH के साथ चलाया जाता है जो pI के बराबर है, तो यह बिल्कुल भी प्रवास नहीं करेगा। यह व्यक्तिगत अमीनो एसिड के लिए भी सच है।

उदाहरण

ग्लाइसिन pK = 2.72, 9.60 एडेनोसिन मोनोफॉस्फेट pK = 0.9, 3.8, 6.1

दो उदाहरणों (दाहिनी ओर) में आइसोइलेक्ट्रिक बिंदु को हरी ऊर्ध्वाधर रेखा द्वारा दिखाया गया है। ग्लाइसिन में pK मान लगभग 7 इकाइयों से अलग होते हैं। इस प्रकार गैस चरण में, तटस्थ प्रजातियों, ग्लाइसिन (GlyH) की सांद्रता, विश्लेषणात्मक ग्लाइसिन सांद्रता का प्रभावी रूप से 100% है।[6] ग्लाइसिन आइसोइलेक्ट्रिक बिंदु पर ज़्विटरआयन के रूप में मौजूद हो सकता है, लेकिन समाधान में आइसोमेराइज़ेशन प्रतिक्रिया के लिए संतुलन स्थिरांक

HA2NCHA2COA2H↽−−⇀HA3NA+CHA2COA2A−

ज्ञात नहीं है।

दूसरा उदाहरण, एडेनोसिन मोनोफॉस्फेट को यह स्पष्ट करने के लिए दिखाया गया है कि सिद्धांत रूप में, एक तीसरी प्रजाति शामिल हो सकती है। वास्तव में इस मामले में आइसोइलेक्ट्रिक बिंदु पर (AMP)H3(2+) की सांद्रता नगण्य है। यदि pI, pH से अधिक है, तो अणु पर धनात्मक आवेश होगा।

पेप्टाइड्स और प्रोटीन

पेप्टाइड और प्रोटीन के आइसोइलेक्ट्रिक बिंदुओं का अनुमान लगाने के लिए कई एल्गोरिदम विकसित किए गए हैं। उनमें से अधिकांश अलग-अलग pK मानों के साथ हेंडरसन-हैसेलबैक समीकरण का उपयोग करते हैं। उदाहरण के लिए, ब्जेल्क्विस्ट और सहकर्मियों द्वारा प्रस्तावित मॉडल के भीतर, pKs को ओवरलैपिंग pH प्रवणताओं में एक ही नमूने को केंद्रित करके निकट से संबंधित इमोबिलाइन्स के बीच निर्धारित किया गया था।[7] कार्यप्रणाली में कुछ सुधार (विशेष रूप से संशोधित अमीनो एसिड के लिए pK मानों के निर्धारण में) भी प्रस्तावित किए गए हैं। अधिक उन्नत विधियाँ एक आवेशित एस्पार्टिक या ग्लूटामिक एसिड से ±3 अवशेष दूर के आस-पास के अमीनो एसिड के प्रभाव, मुक्त C टर्मिनस पर प्रभावों को ध्यान में रखती हैं, साथ ही वे आनुवंशिक एल्गोरिदम का उपयोग करके संबंधित pK मानों पर एक सुधार शब्द लागू करती हैं। अन्य हालिया दृष्टिकोण सपोर्ट वेक्टर मशीन एल्गोरिदम और प्रयोगात्मक रूप से ज्ञात प्रोटीन/पेप्टाइड आइसोइलेक्ट्रिक बिंदुओं के खिलाफ pKa अनुकूलन पर आधारित हैं।

इसके अलावा, प्रोटीनों के प्रयोगात्मक रूप से मापे गए आइसोइलेक्ट्रिक बिंदु को डेटाबेस में एकत्रित किया गया था।[8] हाल ही में, उपलब्ध अधिकांश विधियों का उपयोग करके भविष्यवाणी किए गए सभी प्रोटीनों के लिए आइसोइलेक्ट्रिक बिंदुओं का एक डेटाबेस भी विकसित किया गया है।

व्यवहार में, क्षारीय अमीनो एसिड (आर्जिनिन, लाइसिन और/या हिस्टिडाइन) की अधिकता वाले प्रोटीन का आइसोइलेक्ट्रिक बिंदु मोटे तौर पर 7 (क्षारीय) से अधिक होगा, जबकि अम्लीय अमीनो एसिड (एस्पार्टिक एसिड और/या ग्लूटामिक एसिड) की अधिकता वाले प्रोटीन का आइसोइलेक्ट्रिक बिंदु अक्सर 7 (अम्लीय) से कम होगा। पॉलीएक्रिलामाइड जेल में pH प्रवणता के साथ Ip द्वारा प्रोटीनों का वैद्युतकणसंचलन रैखिक (क्षैतिज) पृथक्करण (जिसे आइसोइलेक्ट्रिक फोकसिंग के रूप में भी जाना जाता है), जिसके बाद दूसरे पॉलीएक्रिलामाइड जेल (SDS-PAGE) में एक मानक आणविक भार रैखिक (ऊर्ध्वाधर) पृथक्करण होता है, तथाकथित द्वि-आयामी जेल वैद्युतकणसंचलन या PAGE 2D का गठन करता है। यह तकनीक प्रोटीनों को अलग-अलग "धब्बों" के रूप में पूरी तरह से अलग करने की अनुमति देती है, जिसमें उच्च आणविक भार और कम Ip वाले प्रोटीन द्वि-आयामी जेल के ऊपरी-बाएँ भाग में प्रवास करते हैं, जबकि कम आणविक भार और उच्च Ip वाले प्रोटीन उसी जेल के निचले-दाएँ क्षेत्र में स्थित होते हैं।

सिरेमिक सामग्री

धातु ऑक्साइड सिरेमिक के आइसोइलेक्ट्रिक पॉइंट (IEP) का उपयोग सामग्री विज्ञान में विभिन्न जलीय प्रसंस्करण चरणों (संश्लेषण, संशोधन, आदि) में व्यापक रूप से किया जाता है। केमिसॉर्ब्ड (chemisorbed) या फिसिसॉर्ब्ड (physisorbed) प्रजातियों की अनुपस्थिति में, जलीय निलंबन में कणों की सतहों को सामान्यतः सतह हाइड्रॉक्सिल प्रजातियों, M-OH (जहाँ M एक धातु है जैसे Al, Si, आदि) से ढका हुआ माना जाता है।[9] IEP से ऊपर के pH मानों पर, प्रमुख सतह प्रजाति M-O− होती है, जबकि IEP से नीचे के pH मानों पर, M-OH2+ प्रजातियां प्रमुख होती हैं। सामान्य सिरेमिक के कुछ अनुमानित मान नीचे सूचीबद्ध हैं:

सामग्री IEP
WO3 0.2–0.5
Sb2O5 <0.4–1.9
V2O5 1–2 (3)
δ-MnO2 1.5
SiO2 1.7–3.5
SiC 2–3.5
Ta2O5 2.7–3.0
TiO2 2.8–3.8
γ-Fe2O3 3.3–6.7
SnO2 4–5.5 (7.3)
ZrO2 4–11
ITO 6
Cr2O3 6.2–8.1 (7)
Fe3O4 6.5–6.8
CeO2 6.7–8.6
Y2O3 7.15–8.95
γ-Al2O3 7–8
β-MnO2 7.3
Tl2O 8
α-Al2O3 8–9
α-Fe2O3 8.4–8.5
ZnO 8.7–10.3
Si3N4 9
CuO 9.5
La2O3 10
NiO 10–11
PbO 10.7–11.6
MgO 12–13 (9.8·12.7)

नोट: निम्नलिखित सूची पानी में चुनिंदा सामग्रियों के लिए 25 °C पर आइसोइलेक्ट्रिक पॉइंट देती है। सटीक मान सामग्री के कारकों जैसे शुद्धता और चरण, साथ ही तापमान जैसे भौतिक मापदंडों के आधार पर व्यापक रूप से भिन्न हो सकते हैं। इसके अलावा, आइसोइलेक्ट्रिक पॉइंट का सटीक मापन कठिन हो सकता है, इसलिए कई स्रोत अक्सर इन सामग्रियों के आइसोइलेक्ट्रिक पॉइंट के लिए अलग-अलग मान उद्धृत करते हैं।

मिश्रित ऑक्साइड ऐसे आइसोइलेक्ट्रिक पॉइंट मान प्रदर्शित कर सकते हैं जो संबंधित शुद्ध ऑक्साइड के बीच के होते हैं। उदाहरण के लिए, एक कृत्रिम रूप से तैयार अक्रिस्टलीय एल्युमिनोसिलिकेट (Al2O3-SiO2) को शुरू में 4.5 के IEP के रूप में मापा गया था (सतह का इलेक्ट्रोकाइनेटिक व्यवहार सतह Si-OH प्रजातियों द्वारा नियंत्रित था, जो अपेक्षाकृत कम IEP मान की व्याख्या करता है)।[10] दूसरों द्वारा 3Al2O3-2SiO2 के लिए काफी उच्च IEP मान (pH 6 से 8) बताए गए हैं। इसी तरह, बेरियम टाइटेनेट, BaTiO3 का IEP भी 5–6 की सीमा में बताया गया था, जबकि अन्य को 3 का मान मिला। टाइटेनिया (TiO2) और ज़िरकोनिया (ZrO2) के मिश्रणों का अध्ययन किया गया और पाया गया कि उनका आइसोइलेक्ट्रिक पॉइंट 5.3–6.9 के बीच है, जो %(ZrO2) के साथ गैर-रेखीय रूप से बदलता है। मिश्रित ऑक्साइड के सतह आवेश का संबंध अम्लता से था। अधिक टाइटेनिया सामग्री के कारण लुईस अम्लता में वृद्धि हुई, जबकि ज़िरकोनिया-समृद्ध ऑक्साइड ने ब्रोंस्टेड अम्लता प्रदर्शित की। अम्लता के विभिन्न प्रकारों ने आयन सोखने की दर और क्षमता में अंतर पैदा किया।

पॉइंट ऑफ ज़ीरो चार्ज के विपरीत

आइसोइलेक्ट्रिक पॉइंट (IEP) और पॉइंट ऑफ ज़ीरो चार्ज (PZC) शब्दों का उपयोग अक्सर एक-दूसरे के स्थान पर किया जाता है, हालांकि कुछ परिस्थितियों में, अंतर करना उत्पादक हो सकता है।

उन प्रणालियों में जिनमें H+/OH− इंटरफ़ेस क्षमता-निर्धारक आयन होते हैं, पॉइंट ऑफ ज़ीरो चार्ज को pH के संदर्भ में दिया जाता है। वह pH जिस पर सतह एक तटस्थ शुद्ध विद्युत आवेश प्रदर्शित करती है, सतह पर पॉइंट ऑफ ज़ीरो चार्ज होता है। इलेक्ट्रोकाइनेटिक घटनाएं सामान्यतः ज़ेटा पोटेंशियल को मापती हैं, और शून्य ज़ेटा पोटेंशियल को शीयर प्लेन पर शून्य शुद्ध आवेश के बिंदु के रूप में व्याख्यायित किया जाता है। इसे आइसोइलेक्ट्रिक पॉइंट कहा जाता है।[11] इस प्रकार, आइसोइलेक्ट्रिक पॉइंट pH का वह मान है जिस पर कोलाइडल कण विद्युत क्षेत्र में स्थिर रहता है। आइसोइलेक्ट्रिक पॉइंट के कण सतह पर पॉइंट ऑफ ज़ीरो चार्ज से कुछ अलग होने की उम्मीद की जाती है, लेकिन व्यवहार में तथाकथित प्राचीन सतहों, यानी बिना किसी विशिष्ट रूप से सोखित सकारात्मक या नकारात्मक आवेश वाली सतहों के लिए इस अंतर को अक्सर अनदेखा कर दिया जाता है। इस संदर्भ में, विशिष्ट सोखना को स्टर्न लेयर या केमिसॉर्प्शन में होने वाले सोखना के रूप में समझा जाता है। इस प्रकार, उस सतह पर विशिष्ट सोखना की अनुपस्थिति में सतह पर पॉइंट ऑफ ज़ीरो चार्ज को आइसोइलेक्ट्रिक पॉइंट के बराबर माना जाता है।

जोलिवेट के अनुसार,[12] सकारात्मक या नकारात्मक आवेशों की अनुपस्थिति में, सतह का वर्णन पॉइंट ऑफ ज़ीरो चार्ज द्वारा सबसे अच्छी तरह किया जाता है। यदि सकारात्मक और नकारात्मक दोनों आवेश समान मात्रा में मौजूद हैं, तो यह आइसोइलेक्ट्रिक पॉइंट है। इस प्रकार, PZC किसी भी प्रकार के सतह आवेश की अनुपस्थिति को संदर्भित करता है, जबकि IEP तटस्थ शुद्ध सतह आवेश की स्थिति को संदर्भित करता है। इसलिए, दोनों के बीच का अंतर शुद्ध शून्य आवेश के बिंदु पर आवेशित साइटों की मात्रा है। जोलिवेट आवेशित साइटों की सापेक्ष संख्या के संदर्भ में दो स्थितियों को परिभाषित करने के लिए आंतरिक सतह संतुलन स्थिरांक, pK− और pK+ का उपयोग करता है:

pK−−pK+=ΔpK=log⁡[MOH]2[MOH2+][MO−]

बड़े ΔpK (>4 जोलिवेट के अनुसार) के लिए, प्रमुख प्रजाति MOH है जबकि अपेक्षाकृत कम आवेशित प्रजातियां हैं - इसलिए PZC प्रासंगिक है। छोटे ΔpK मानों के लिए, लगभग समान संख्या में कई आवेशित प्रजातियां होती हैं, इसलिए कोई IEP की बात करता है।

संदर्भ

  1. ↑ pH(I) के स्वीकार्य प्रकारों में pHI, pHIEP, आदि शामिल होंगे; मुख्य बिंदु यह है कि कोई I की 'घात' नहीं ले सकता, बल्कि कोई नामित स्थिति के अधीन pH को मापता है।
  2. ↑ (2025). Zeta potential: fundamentals, methods, and applications. Academic Press. ISBN 978-0443334436.
  3. ↑ Kastenholz, Bernd. (2004). Preparative Native Continuous Polyacrylamide Gel Electrophoresis (PNC-PAGE): An Efficient Method for Isolating Cadmium Cofactors in Biological Systems. Analytical Letters. 37 (4) 657–665. doi:10.1081/AL-120029742.
  4. ↑ Dayton, W. R.. (1983). Protein Separation Techniques. Reciprocal Meat Conference Proceedings. 36 98–102.
  5. ↑ इस अभिव्यक्ति की व्युत्पत्ति के लिए अम्ल पृथक्करण स्थिरांक देखें
  6. ↑ (August 1995). On the Number of Water Molecules Necessary To Stabilize the Glycine Zwitterion. Journal of the American Chemical Society. 117 (31) 8159–8170. doi:10.1021/ja00136a013.
  7. ↑ (1993-10-01). "The focusing positions of polypeptides in immobilized pH gradients can be predicted from their amino acid sequences". Electrophoresis. 14 (10) 1023–1031. doi:10.1002/elps.11501401163.
  8. ↑ (2004). "SWISS-2DPAGE, ten years later.". Proteomics. 4 (8) 2352–6. doi:10.1002/pmic.200300830.
  9. ↑ (2012). "The effects of carboxylic acids on the aqueous dispersion and electrophoretic deposition of ZrO2". Journal of the European Ceramic Society. 32 (1) 235–244. doi:10.1016/j.jeurceramsoc.2011.08.015.
  10. ↑ (2005). "Studies of the surface charge of amorphous aluminosilicates using surface complexation models". Journal of Colloid and Interface Science. 292 (1) 160–170. doi:10.1016/j.jcis.2005.05.083.
  11. ↑ A.W. Adamson, A.P. Gast, "Physical Chemistry of Surfaces", John Wiley and Sons, 1997.
  12. ↑ Jolivet J.P., Metal Oxide Chemistry and Synthesis. From Solution to Solid State, John Wiley & Sons Ltd. 2000, 0-471-97056-5 (English translation of the original French text, De la Solution à l'Oxyde, InterEditions et CNRS Editions, Paris, 1994).

स्रोत: अंग्रेज़ी विकिपीडिया के “Isoelectric point” लेख का अनुवाद। मूल लेख: https://en.wikipedia.org/wiki/Isoelectric_point यह अनुवाद स्वचालित रूप से तैयार किया गया है।

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