Der isoelektrische Punkt (pI) gibt den pH-Wert an, bei dem eine Aminosäure, ein Peptid oder ein Protein keine elektrische Nettoladung mehr aufweist – eine Zahl, auf die sich Biochemiker bei allem verlassen, von der Vorhersage, wie sich ein Protein faltet, bis hin zum Entwurf eines Elektrophorese- oder Ionenaustausch-Reinigungsschritts. Dieser Rechner berechnet pI aus pKa-Werten, entweder für eine der 20 Standardaminosäuren oder für ein von Ihnen definiertes benutzerdefiniertes Peptid.
Wie pI aus pKa-Werten berechnet wird
Jede ionisierbare Gruppe an einer Aminosäure – das Rückgrat-α-Carboxyl, das Rückgrat-α-Amino und jede ionisierbare Seitenkette – hat ihren eigenen pKa, den pH-Wert, bei dem diese Gruppe halb protoniert und halb deprotoniert ist. Wenn der pH-Wert von sehr sauer auf sehr basisch ansteigt, verringert sich die Nettoladung des Moleküls bei jedem pKa-Wert, den es überschreitet, um eine Einheit und bewegt sich von vollständig protoniert (am positivsten) zu vollständig deprotoniert (am negativsten). Der isoelektrische Punkt liegt in der flachen Region, in der die Nettoladung den Nullpunkt überschreitet, und ergibt den Durchschnitt der beiden pKa-Werte auf beiden Seiten dieses Übergangs – für Glycin, dessen einzige ionisierbare Gruppen die Carboxyl- (pKa 2,34) und Aminogruppen (pKa 9,60) des Rückgrats sind, ist das (2,34 + 9,60) / 2 = 5,97.
Warum Seitenketten pI nach oben oder unten verschieben
Sieben der zwanzig Standardaminosäuren haben eine Seitenkette, die nahe dem physiologischen pH-Wert ionisiert: Aspartat und Glutamat tragen eine zusätzliche saure Carboxylgruppe, Cystein und Tyrosin tragen ein schwach saures Thiol oder Phenol und Lysin, Arginin und Histidin tragen eine zusätzliche basische Amino-, Guanidinium- oder Imidazolgruppe. Eine zusätzliche saure Gruppe fügt der Mischung einen weiteren niedrigen pKa-Wert hinzu und zieht das flankierende Paar – und damit den pI – nach unten in Richtung des sauren Endes (der pI von Aspartat liegt bei 2,77, weit unter dem von Glycin von 5,97). Eine zusätzliche basische Gruppe bewirkt das Gegenteil und treibt den pI in Richtung des basischen Endes (der pI von Lysin beträgt 9,74). Genau aus diesem Grund werden Aminosäuren anhand ihrer Seitenkette in sauer, basisch oder neutral eingeteilt.
Nettoladung vom isoelektrischen Punkt entfernt
Abseits von pI beträgt die Nettoladung eines Moleküls nicht nur +1, 0 oder −1 – sie ändert sich sanft, wenn sich der Protonierungszustand jeder Gruppe gemäß dem Henderson-Hasselbalch-Gleichgewicht verschiebt. Auf der Registerkarte „Ladung bei pH“ dieses Rechners wird die fraktionierte Protonierung jeder Gruppe summiert, um eine kontinuierliche Ladung anzugeben (z. B. +0,85 statt pauschal +1), die dem tatsächlichen Verhalten von Proteinen in Lösung näher kommt und die Grundlage für Techniken wie die isoelektrische Fokussierung bildet, bei der sich eine Mischung von Proteinen anhand des pH-Werts trennt, weil jedes Protein genau bei seinem eigenen pI aufhört, in einem elektrischen Feld zu wandern.