À la surface des protéines se trouvent des résidus d’acides aminés qui interagissent avec l’eau. Ces acides aminés sont appelés acides aminés hydrophiles et comprennent l’arginine, la lysine, l’acide aspartique et l’acide glutamique. À pH 7, les chaînes latérales de ces acides aminés portent des charges – positives pour l’arginine et la lysine, négatives
pour l’acide aspartique et l’acide glutamique. Lorsque le pH augmente, la lysine et l’arginine commencent à perdre leur charge positive, et à des pH supérieurs à environ 12, elles sont principalement neutres. En revanche, lorsque le pH diminue, l’acide aspartique et l’acide glutamique commencent à perdre leur charge négative, et à des pH inférieurs à 4, ils sont principalement neutres.
La surface d’une protéine a une charge nette qui dépend du nombre et des identités des acides aminés chargés, et du pH. A un pH spécifique, les charges positives et négatives s’équilibrent et la charge nette est nulle. Ce pH est appelé le point isoélectrique, et pour la plupart des protéines, il se situe dans la plage de pH de 5,5 à 8. Une protéine a sa plus faible solubilité à son point isoélectrique. S’il y a une charge à la surface de la protéine, celle-ci préfère interagir avec l’eau plutôt qu’avec d’autres molécules de protéines. Cette charge la rend plus soluble. Sans une charge nette, les interactions protéine-protéine et la précipitation sont plus probables.
La solubilité des protéines dans le sang nécessite un pH compris entre 7,35 et 7,45. Le système tampon bicarbonate-acide carbonique du sang (HCO 3 – + H + ↔ H 2 CO 3 ), dans lequel le bicarbonate est en excès par rapport à l’acide carbonique, permet de maintenir un pH correct. L’expiration du dioxyde de carbone par les poumons entraîne la combinaison de certains des ions bicarbonate du sang avec des protons, ce qui augmenterait le pH. Cependant, comme il y a un excès d’ions bicarbonate et de protons, la perte d’un petit nombre de protons n’influence pas le pH de manière significative.
Les protéines des mélanges de protéines peuvent être séparées en utilisant une technique connue sous le nom de focalisation isoélectrique. Un mélange est placé dans un gel de polyacrylamide qui présente un gradient de pH. Une anode (électrode positive) et une cathode (électrode négative) sont placées respectivement aux extrémités basse et haute du gradient de pH. Si une protéine est située dans la région de pH élevé, elle sera chargée négativement et se déplacera vers l’anode. Au fur et à mesure que la protéine se déplace vers une région de pH plus faible, sa charge de surface devient moins négative et on atteint une région de pH dans laquelle la charge nette de la protéine est nulle (le point isoélectrique). La protéine cessera de se déplacer et, comme les différentes protéines ont des points isoélectriques différents, la séparation peut être réalisée.