La biochimica è la scienza che studia la biologia e la chimica relazionate al funzionamento degli organismi viventi, compreso l'essere umano. Precisamente, la biochimica si occupa di studiare le reazioni chimiche che generano la vita terrena. Le macromolecole molto rilevanti sono certamente le proteine, che formano degli enzimi capaci di permettere all'organismo vivente di funzionare al meglio.
Le presenti biomolecole rappresentano delle complesse strutture composte da un insieme di amminoacidi connessi attraverso legami chimici detti giunti peptidici. Nei passaggi successivi di questo articolo vediamo come calcolare il punto isoelettrico (PI) di un amminoacido.
Cos'è il Punto Isoelettrico?
Prima di calcolare il punto isoelettrico di un amminoacido, è fondamentale comprendere il significato di questi termini. Il punto isoelettrico rappresenta un valore di pH abbastanza particolare, in quanto corrisponde al valore del pH di una molecola avente una carica elettrica neutra. In quel momento la proteina è del tutto stabile.
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. Al punto isoelettrico pI non vi è alcuna migrazione netta di amminoacido, poiché la carica netta è uguale a zero.
Gli amminoacidi costituiscono invece una famiglia di molecole che si possono trovare libere o collegate da legami più o meno complessi. Precisamente si tratta dell'unità strutturale primaria delle proteine, la quale ha un gruppo acido ed un gruppo basico. Quando risultano connessi tra loro, gli amminoacidi assumono il nome di peptidi. Ne esistono di molte tipologie diverse fra loro attraverso le strutture, le conformazioni chimiche e la classe della quale fanno parte.
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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). La grande maggioranza di questi amminoacidi naturali hanno il gruppo amminico legato al carbonio in α rispetto al gruppo carbossilico.
Un amminoacido può esistere quindi in una forma completamente protonata (forma cationica) o in una forma completamente deprotonata (forma anionica). Esiste un pH al quale l'amminoacido è presente in forma di ione dipolare (zwitterione). Questo valore di pH (caratteristico per ciascun amminoacido) si chiama punto isoelettrico (o pH isoelettrico).
Calcolo del Punto Isoelettrico
Una volta comprese le nozioni di punto isoelettrico ed amminoacido, è possibile trattare il metodo di calcolo. Come detto in precedenza, calcolare il punto isoelettrico richiede di fare la media dei PK. La formula da impiegare è quindi PI = (PK1 + PK2) / 2.
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.
Prendendo come esempio la fenilalanina, tale amminoacido presenta un PK1 = 2,58 ed un PK2 = 9,24. Sostituendo i valori alla formula citata, si ottiene PI = (2,58 + 9,24) / 2 = 5,91. Non essendo un amminoacido di tipo neutro, la fenilalanina avrà un punto isoelettrico maggiore di zero.
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La glicina, ad esempio, è un aminoacido che presenta pK1 pari a 2.35 e pK2 pari a 9.78.
Per tutti gli aminoacidi senza residuo ionizzabile, il punto isoelettrico si calcola con la semplice media tra il pK carbossilico (pK1) ed il pK aminico (pK2).
Caso Particolare: Catena Laterale Ionizzabile
Il procedimento appena illustrato risulta veramente semplice. La procedura da seguire diventa lievemente complicata qualora l'atomo di carbonio fosse un centro chirale otticamente attivo. Quest'ultimo lega quattro atomi differenti ed il suo gruppo R assume le caratteristiche polari, basici o acidi. In questa situazione, il gruppo R diventa un terzo valore indicato con PKr. Per calcolare il punto isoelettrico, bisogna fare la media del PK2 (l'amminico) e del PKr. Questo perché il pH è compreso fra il PK1 ed il PK2, e il residuo è basico.
Quando la catena laterale è protonabile, esiste un terzo valore di pK (pKr); il calcolo del punto isoelettrico, in questo caso, è operato in modo differente.
In linea generale, quando una molecola possiede un gruppo aminico, un gruppo carbossilico e un terzo residuo protonabile, il calcolo del punti isoeletrico viene svolto tenendo conto della media tra il pK aminoco (pK2) ed il pk del residuo pkR.
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Prendendo come esempio l'istidina, questo amminoacido ha un PK2 = 9,18 ed il PKr = 6,10. Sostituendo i valori, si ottiene PI = (9,18 + 6,10) / 2 = 7,64. pH = 7,59 per l'istidina.
È possibile assumere un buon esempio con il calcolo del pI della lisina, che è un aminoacido con tre gruppi ionizzabili: pK1 =2.16, pk2 = 9.06 e pK3 = 10.54. Il punto isoelettrico si trova, necessariamente, tra i due valori di pK “estremi”, in altre parole 2.16 e 10.54. Il calcolo della media, di questi due valori, non è sufficiente poiché il pK2 può spostare la carica, in base al valore del pH, verso una forma elettropositiva o elettronegativa.
Giacché a pH superiori a 2.16, pari al pK1, e inferiori a 10.54, pari al pK2, il gruppo carbossilico è maggiormente presente nella forma anionica (-COO-) e il gruppo aminico nella forma cationica (-NH3+) il punto isoelettrico deve essere calcolato in base ai valori di pK del gruppo aminico e del residuo protonabile laterale.
Importanza del Punto Isoelettrico
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.
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.
Tabella di Esempio
La seguente tabella riassume i punti isoelettrici di alcuni amminoacidi:
| Amminoacido | pK1 (Carbossilico) | pK2 (Amminico) | PKr (Catena Laterale) | Punto Isoelettrico (pI) |
|---|---|---|---|---|
| Glicina | 2.35 | 9.78 | - | 6.065 |
| Fenilalanina | 2.58 | 9.24 | - | 5.91 |
| Istidina | - | 9.18 | 6.10 | 7.64 |
| Lisina | 2.16 | 9.06 | 10.54 | 9.80 |
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