Sulla superficie delle proteine ci sono residui di aminoacidi che interagiscono con l’acqua. Gli amminoacidi sono chiamati amminoacidi idrofili e includono arginina, lisina, acido aspartico e acido glutammico. A pH 7 le catene laterali di questi aminoacidi portano delle cariche – positive per l’arginina e la lisina, negative
per l’acido aspartico e l’acido glutammico. All’aumentare del pH, la lisina e l’arginina cominciano a perdere la loro carica positiva, e a pH superiori a circa 12 sono principalmente neutre. Al contrario, quando il pH diminuisce, l’acido aspartico e l’acido glutammico cominciano a perdere le loro cariche negative, e a pH inferiori a 4 sono principalmente neutri.
La superficie di una proteina ha una carica netta che dipende dal numero e dalle identità degli amminoacidi carichi e dal pH. Ad un pH specifico le cariche positive e negative si bilanciano e la carica netta sarà zero. Questo pH è chiamato punto isoelettrico, e per la maggior parte delle proteine si verifica nell’intervallo di pH da 5,5 a 8. Una proteina ha la sua solubilità più bassa al suo punto isoelettrico. Se c’è una carica sulla superficie della proteina, la proteina preferisce interagire con l’acqua, piuttosto che con altre molecole proteiche. Questa carica la rende più solubile. Senza una carica netta, le interazioni proteina-proteina e la precipitazione sono più probabili.
La solubilità delle proteine nel sangue richiede un pH compreso tra 7,35 e 7,45. Il sistema tampone bicarbonato-acido carbonico del sangue (HCO 3 – + H + ↔ H 2 CO 3 ), in cui il bicarbonato è in eccesso rispetto all’acido carbonico, aiuta a mantenere il pH corretto. L’espirazione di anidride carbonica dai polmoni fa sì che alcuni degli ioni bicarbonato nel sangue si combinino con i protoni, e questo aumenterebbe il pH. Tuttavia, poiché c’è un eccesso di ioni bicarbonato e protoni, la perdita di un piccolo numero di protoni non influenza il pH in modo significativo.
Le proteine delle miscele proteiche possono essere separate utilizzando una tecnica nota come focalizzazione isoelettrica. Una miscela è posta in un gel di poliacrilammide che ha un gradiente di pH. Un anodo (elettrodo positivo) e un catodo (elettrodo negativo) sono posizionati rispettivamente alle estremità bassa e alta del gradiente di pH. Se una proteina si trova nella regione a pH alto, sarà caricata negativamente e si muoverà verso l’anodo. Man mano che la proteina si sposta verso una regione a pH inferiore, la sua carica superficiale diventerà meno negativa, e si raggiungerà una regione di pH in cui la carica netta della proteina è zero (il punto isoelettrico). La proteina smetterà di muoversi e, poiché proteine diverse hanno punti isoelettrici diversi, si può ottenere la separazione.