En las superficies de las proteínas hay residuos de aminoácidos que interactúan con el agua. Los aminoácidos se denominan aminoácidos hidrofílicos e incluyen arginina, lisina, ácido aspártico y ácido glutámico. A pH 7, las cadenas laterales de estos aminoácidos tienen cargas -positivas para la arginina y la lisina, negativas-
para el ácido aspártico y el ácido glutámico. A medida que el pH aumenta, la lisina y la arginina comienzan a perder su carga positiva, y a pHs superiores a aproximadamente 12 son principalmente neutras. Por el contrario, a medida que el pH disminuye, el ácido aspártico y el ácido glutámico comienzan a perder sus cargas negativas, y a pHs inferiores a 4 son principalmente neutros.
La superficie de una proteína tiene una carga neta que depende del número e identidades de los aminoácidos cargados, y del pH. A un pH específico, las cargas positivas y negativas se equilibran y la carga neta es cero. Este pH se denomina punto isoeléctrico, y para la mayoría de las proteínas se encuentra en el rango de pH de 5,5 a 8. Una proteína tiene su menor solubilidad en su punto isoeléctrico. Si hay una carga en la superficie de la proteína, ésta prefiere interactuar con el agua, en lugar de con otras moléculas de proteína. Esta carga la hace más soluble. Sin una carga neta, las interacciones proteína-proteína y la precipitación son más probables.
La solubilidad de las proteínas en la sangre requiere un pH en el rango de 7,35 a 7,45. El sistema tampón bicarbonato-ácido carbónico de la sangre (HCO 3 – + H + ↔ H 2 CO 3 ), en el que el bicarbonato es superior al ácido carbónico, ayuda a mantener el pH correcto. La exhalación de dióxido de carbono de los pulmones hace que algunos de los iones de bicarbonato de la sangre se combinen con protones, y esto elevaría el pH. Sin embargo, como hay un exceso de iones de bicarbonato y protones, la pérdida de un pequeño número de protones no influye significativamente en el pH.
Las proteínas de las mezclas de proteínas pueden separarse mediante una técnica conocida como enfoque isoeléctrico. Una mezcla se coloca en un gel de poliacrilamida que tiene un gradiente de pH. Un ánodo (electrodo positivo) y un cátodo (electrodo negativo) se colocan en los extremos bajo y alto del gradiente de pH, respectivamente. Si una proteína se encuentra en la región de pH alto, estará cargada negativamente y se moverá hacia el ánodo. A medida que la proteína se desplaza hacia una región de pH más bajo, su carga superficial será menos negativa, y se alcanzará una región de pH en la que la carga neta de la proteína es cero (el punto isoeléctrico). La proteína dejará de moverse y, dado que diferentes proteínas tienen diferentes puntos isoeléctricos, se puede lograr la separación.