Cálculo del punto isoeléctrico: definición y fórmula

Introducción al pH y pKa

Cada solución tiene un valor de pH, que simplemente describe cuántos iones de hidrógeno hay en la solución. Esto se puede medir con el uso de un medidor de pH. Este valor también nos dice si la solución es ácida o básica. Los valores inferiores a 7 son ácidos, los valores de 7 neutros y los valores superiores a 7 son básicos. El pH de una solución también nos informa sobre lo que les ocurrirá a los compuestos cuando se pongan en la solución. Algunos compuestos tienen grupos funcionales que pueden ceder un protón o aceptar un protón. Su capacidad depende del pH de la solución y de la constante de disociación ácida, o pKa como lo llamaremos a partir de ahora, del grupo.

Por ahora, y como ejemplo, consideremos esta figura en pantalla donde hay dos compuestos representados: compuesto A, fenol, y compuesto B, 4-clorofenol.

Figura 1

Aunque son compuestos muy similares, el 4-clorofenol tiene un valor de pKa más bajo que el fenol. La solución no necesita ser tan básica para que el 4-clorofenol pierda su protón OH. En ambos casos, el hidrógeno del grupo OH, conocido como alcohol, puede salir como protón. Sin embargo, el pKa es diferente. El pKa nos dice el pH que se requiere para eliminar el 50% de los hidrógenos de la molécula. Por lo tanto, para el compuesto A, fenol, el pH necesitaría ser bastante básico, específicamente a un pH de 9,95 antes de que se desprotonara el 50% de las moléculas de fenol.

El compuesto B, 4-clorofenol, necesitaría ser menos básico, a un pH de 9,41 antes de que se desprotonara el 50% de la molécula. La imagen muestra que el pKa se reduce debido a la diferencia en la sustitución. No es necesario comprender por qué pKa es diferente para este tema. En cambio, simplemente entendiendo que el pKa puede variar según el tipo de grupo funcional y molécula necesarios. Si el pH es una unidad completa más alto que el pKa, se considera que la molécula está completamente desprotonada. Si el pH es una unidad total más bajo que el pKa, entonces se considera que la molécula está completamente protonada.

¿Qué es el punto isoeléctrico?

Los compuestos pueden tener múltiples valores de pKa, porque pueden contener múltiples grupos funcionales capaces de protonarse o desprotonarse. Los aminoácidos, los componentes básicos de las proteínas, son ejemplos comunes de esto. Esta nueva figura en pantalla ilustra lo que le ocurre al aminoácido, glicina, en diferentes soluciones de pH.

Figura 2 La forma de la glicina cambia a diferentes valores de pH. Al pH que coincide con el pI, la molécula es neutra.

A valores de pH bajos, ambos grupos funcionales, el amoniaco, o NH 3 + , y el ácido carboxílico, o grupo COOH, están ambos protonados. A medida que aumenta el pH, el grupo COOH se desprotona primero, ya que su valor de pKa es bajo. Luego, después de que el valor de pH se aumenta a un pH básico, se desprotona el grupo NH 3 + .

Observe que la carga del compuesto de glicina en general cambia en diferentes valores de pH. A pH bajo, o en solución ácida, el compuesto global tiene una carga positiva, debido al grupo NH 3 + . A pH moderado, o cercano a neutro, el compuesto general es neutro, debido a la pérdida de protón y la carga negativa subsiguiente en el grupo COO – y la carga positiva en el grupo NH 3 + . A pH alto, o en solución básica, el compuesto general es negativo, ya que ambos grupos han perdido sus protones, dejando una carga neutra en el grupo NH 2 y una carga negativa en el grupo COO – .

El punto isoeléctrico es el pH en el que la molécula no contiene carga eléctrica neta. Esto está representado visualmente por la imagen central de gylcine en esta figura. El compuesto en esta forma se conoce como zwiterión , o la forma de la molécula que es neutra. En nuestro ejemplo de glicina, esto ocurre a un pH de 5,97, cuando el grupo COO – tiene una carga negativa y el grupo NH 3 + tiene una carga positiva. El punto isoeléctrico a menudo se reduce a pH (I) o pI.

Calcular el punto isoeléctrico

Calcular pI es relativamente simple, especialmente cuando solo hay dos grupos con valores de pKa. La ecuación es simplemente esta:

Apliquemos esta ecuación a la glicina. El valor de pKa del NH 3 + grupo era 9,60, y el valor de pKa del grupo COOH era 2,34. Por lo tanto: pI gilcina = (9,60 + 2,34) / 2 = 5,97. Esto significa que a un pH de 5,97, esperaríamos que el zwiterión estuviera presente. En otras palabras, la glicina sería neutra a este pH.

A veces, un compuesto tiene más de dos grupos con valores de pKa. Cuando esto ocurre, es apropiado utilizar los dos valores de los pK más cercanos. Esto representa los dos grupos funcionales que son más similares entre sí.

Esta figura representa un aminoácido, arginina, que tiene tres grupos funcionales diferentes con valores de pKa.

Figura 3 El aminoácido arginina tiene tres grupos funcionales con valores de pKa.

Los dos grupos que son más similares son los dos grupos NH. También debe tenerse en cuenta que estos valores de pKa también son los más similares entre sí. Por tanto, el pI de la arginina podría calcularse de la siguiente manera: pI arginina = (9 + 12,5) / 2 = 10,75.

Resumen de la lección

Repasemos lo que hemos aprendido. El pKa de un grupo funcional en una molécula describe el pH en el que se desprotonará el 50% del grupo funcional. Algunas moléculas tienen múltiples grupos funcionales que son ácidos o básicos y, por lo tanto, tienen múltiples valores de pKa. Cuando esto ocurre , se puede calcular el punto isoeléctrico (pI), que es el pH en el que la molécula no contiene carga eléctrica neta. Este es el pH de la solución que se requiere para que la molécula sea neutra, completamente en forma de ion híbrido . La ecuación para el punto isoeléctrico es la siguiente:

También recuerde que cuando un compuesto tiene más de dos valores de pKa, debe elegir los dos valores que tengan el valor más cercano y usarlos en la fórmula. Un buen ejemplo de esto sería el ejemplo de la arginina que resolvimos anteriormente, en el que había tres valores.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador