An den Oberflächen von Proteinen befinden sich Aminosäurereste, die mit Wasser wechselwirken. Diese Aminosäuren werden als hydrophile Aminosäuren bezeichnet und umfassen Arginin, Lysin, Asparaginsäure und Glutaminsäure. Bei pH 7 tragen die Seitenketten dieser Aminosäuren Ladungen – positiv für Arginin und Lysin, negativ
für Asparaginsäure und Glutaminsäure. Mit steigendem pH-Wert beginnen Lysin und Arginin ihre positive Ladung zu verlieren, und bei pH-Werten über 12 sind sie überwiegend neutral. Im Gegensatz dazu beginnen Asparaginsäure und Glutaminsäure mit abnehmendem pH-Wert ihre negativen Ladungen zu verlieren, und bei pH-Werten unter 4 sind sie hauptsächlich neutral.
Die Oberfläche eines Proteins hat eine Nettoladung, die von der Anzahl und Identität der geladenen Aminosäuren und vom pH-Wert abhängt. Bei einem bestimmten pH-Wert gleichen sich die positiven und negativen Ladungen aus und die Nettoladung ist Null. Dieser pH-Wert wird als isoelektrischer Punkt bezeichnet und liegt für die meisten Proteine im pH-Bereich von 5,5 bis 8. Am isoelektrischen Punkt hat ein Protein seine geringste Löslichkeit. Wenn an der Oberfläche des Proteins eine Ladung vorhanden ist, interagiert das Protein lieber mit Wasser als mit anderen Proteinmolekülen. Diese Ladung macht es löslicher. Ohne eine Nettoladung sind Protein-Protein-Wechselwirkungen und Ausfällungen wahrscheinlicher.
Die Löslichkeit von Proteinen im Blut erfordert einen pH-Wert im Bereich von 7,35 bis 7,45. Das Bikarbonat-Kohlensäure-Puffersystem des Blutes (HCO 3 – + H + ↔ H 2 CO 3 ), bei dem das Bikarbonat die Kohlensäure übersteigt, trägt zur Aufrechterhaltung des richtigen pH-Wertes bei. Beim Ausatmen von Kohlendioxid aus der Lunge verbinden sich einige der Bicarbonat-Ionen im Blut mit Protonen, wodurch der pH-Wert steigen würde. Da jedoch ein Überschuss an Bikarbonationen und Protonen vorhanden ist, hat der Verlust einer kleinen Anzahl von Protonen keinen wesentlichen Einfluss auf den pH-Wert.
Die Proteine von Proteingemischen können mit einer Technik getrennt werden, die als isoelektrische Fokussierung bekannt ist. Ein Gemisch wird in ein Polyacrylamidgel mit einem pH-Gradienten gegeben. Eine Anode (positive Elektrode) und eine Kathode (negative Elektrode) befinden sich am unteren bzw. oberen Ende des pH-Gradienten. Befindet sich ein Protein im hohen pH-Bereich, so ist es negativ geladen und bewegt sich zur Anode. Wenn sich das Protein in einen niedrigeren pH-Bereich bewegt, wird seine Oberflächenladung weniger negativ, und es wird ein pH-Bereich erreicht, in dem die Nettoladung des Proteins null ist (der isoelektrische Punkt). Das Protein hört auf, sich zu bewegen, und da verschiedene Proteine unterschiedliche isoelektrische Punkte haben, kann eine Trennung erreicht werden.