Punto isoelettrico, il valore di pH: cos’è e come si calcola

Il punto isoelettrico è costituito dal valore del pH di una molecola quando la carica elettrica è nulla, ovvero quando la proteina ha un valore stabile ed è uno ione dipolare.

Il punto isoelettrico, o pH isolettrico, è un valore che viene stabilito in biochimica, ovvero in quel ramo della scienza che si occupa dello studio della biologia e della chimica in relazione allo studio degli organismi viventi, fra cui l’uomo. Fra le macromolecole più importanti negli esseri viventi ci sono le proteine, che producono enzimi che sono in grado di innescare diverse funzioni nell’organismo. Le proteine sono costituite da strutture complesse, ognuna delle quali è formata da una serie di amminoacidi. Questi sono legati fra loro da legami chimici di tipo peptidico (dal termine peptidi, sinonimo di amminoacidi).

Questo tipo di legami possono essere più o meno complessi. Gli amminoacidi sono di moltissimi tipi e cambiano l’uno dall’altro per le strutture, le conformazioni dal punto di vista chimico e per la classe a cui appartengono. Gli amminoacidi sono strutturati da un gruppo amminico, da un gruppo carbossilico, dal carbonio, dall’idrogeno ed eventualmente da un altro gruppo chiamato R (una catena laterale). Il punto isoelettrico (PI) è un valore di pH particolare, che coincide con il valore di pH in cui questa molecola ha una carica elettrica neutra. In quel momento la proteina è del tutto stabile.

Come si calcola il punto isoelettrico di un amminoacido.

Punto isoelettrico: ph sulla pelle
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Il punto isoelettrico, indicato dalla sigla pI, è il valore del pH nel quale una data molecola presenta una carica elettrica pari a zero, cioè nulla. Per un amminoacido che ha solamente un gruppo amminico e un solo gruppo  carbossilico, il valore del punto isoelettrico è determinato dalla media dei valori della pKa, ovvero della costante di dissociazione acida di ognuno dei due gruppi.

Per quelli amminoacidi invece in cui è presente più di un gruppo ionizzabile, come possono essere la lisina e l’aspartato, si usa la medesima formula ma con un elemento diverso. In questo caso, viene considerata solo la costante di dissociazione acida dei gruppi amminici e carbossilici che sono maggiormente presenti. Nella lisina ad esempio si contano solo i pKa del gruppo amminico, mentre nell’aspartato solo quello dei gruppi carbossilici.

Se gli amminoacidi presi in considerazione, hanno un pH inferiore al punto isoelettrico significa che hanno una forma cosiddetta protonata, cioè con carica positiva. Se il valore del pH invece è superiore al pI avranno forma deprotonata e quindi carica negativa. Il rapporto fra la quantità di un amminoacido deprotonato e protonato, ad un dato pH, si calcola col l’equazione di Henderson Hasselbalch.

In base al punto isoelettrico le proteine e gli amminoacidi possono essere separati mediante un processo di elettroforesi su gel, per questo il calcolo del pI è importante. Il principale utilizzo del punto isoelettrico e della modifica del pH è nel settore farmaceutico.

Casi particolari: calcolo del PI se è presente una catena laterale.

Negli amminoacidi acidi e basici, bisogna anche prendere in considerazione la costante di dissociazione acida della catena laterale (gruppo R). La situazione infatti si complica un po’ se l’atomo del carbonio costituisce un centro chirale e attiva, ovvero se lega 4 atomi differenti e il gruppo R assume caratteristiche polari, quindi basiche o acide. La catena laterale in questo caso costituirà nel calcolo del punto isoelettrico, un terzo valore di costante di dissociazione acida (PKa).

Effetti del pH sulle proteine: solubilità e purificazione.

Punto isoelettrico
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Ad un determinato valore di pH, la proteina raggiunge il suo punto isoelettrico, ovvero di equilibrio. Le cariche positive insomma, bilanciano ottimamente le cariche negative. La molecola proteica non ha quindi carica netta e resta ferma in un campo elettrico. Ogni tipo di amminoacido ha il suo valore di pI.

Proprio per questo motivo, la precipitazione isoelettrica è un tipo di tecnica per la purificazione delle proteine. La precipitazione consiste nel portare il pH della miscela di proteine ad un valore vicino a quello del punto isoelettrico. Se la solubilità diminuisce, essa potrà essere raccolta come precipitato. Sostanzialmente con questo metodo si può rendere una sostanza più o meno solubile.

Quando la proteina raggiunge un certo definito grado di purezza è anche possibile cristallizzarla, facendole formare agglomerati colloidali. Questo avviene quando si porta il pH della stessa al di sopra del suo punto isoelettrico con precipitanti specifici. Cristallizzazioni ripetute, possono portare ad una proteina sempre più pura.

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