Was ist der isoelektrische Punkt eines Proteins?

Die Definition

Der isoelektrische Punkt, pI, ist der pH-Wert, bei dem ein Protein keine Nettoladung trägt. Unterhalb seines pI ist ein Protein positiv geladen, weil seine basischen Gruppen protoniert sind; oberhalb ist es negativ, weil seine sauren Gruppen ihre Protonen abgegeben haben.

Woher die Ladung kommt

Sieben Seitenketten und die beiden Kettenenden ändern ihre Ladung mit dem pH. Jede hat einen pKa, den pH, bei dem sie zur Hälfte geladen ist. Näherungswerte:

• Sauer (negativ oberhalb des pKa): C-Terminus (etwa 3,5), Aspartat (3,9), Glutamat (4,1), Cystein (8,3), Tyrosin (10,1).
• Basisch (positiv unterhalb des pKa): Histidin (6,0), N-Terminus (etwa 8,0), Lysin (10,5), Arginin (12,5).

Die genauen pKa-Werte unterscheiden sich je nach Tabelle (EMBOSS, Lehninger, Bjellqvist), weshalb verschiedene Programme für dieselbe Sequenz leicht unterschiedliche pI-Werte liefern.

Wie er berechnet wird

Für einen Test-pH wird die Ladung jeder Gruppe mit der Henderson-Hasselbalch-Gleichung berechnet: Eine basische Gruppe trägt +1 ÷ (1 + 10^{pH − pKa}) bei, eine saure −1 ÷ (1 + 10^{pKa − pH}). Über die ganze Sequenz summiert ergibt das die Nettoladung bei diesem pH. Dann wird der pH per Bisektion angepasst, bis die Nettoladung null ist. Ein Protein mit vielen Lysinen und Argininen landet bei einem hohen pI; eines, das reich an Aspartat und Glutamat ist, bei einem niedrigen.

Wofür der pI gebraucht wird

• Isoelektrische Fokussierung und 2D-Gele: Ein Protein wandert im pH-Gradienten, bis es seinen pI erreicht, und bleibt dort stehen.
• Ionenaustauschchromatographie: Bei einem pH unter dem pI bindet ein Protein an einen Kationenaustauscher, über dem pI an einen Anionenaustauscher.
• Löslichkeit: Proteine sind nahe ihrem pI am schlechtesten löslich. Das nutzt man zum Fällen, und deshalb hält man Lagerpuffer mindestens eine pH-Einheit davon entfernt.

Berechnen

Isoelektrischer Punkt von Proteinen liefert den pI und die Nettoladung bei jedem gewählten pH, für eine oder viele Sequenzen. Protein-Statistik ergänzt die Aminosäurezusammensetzung und Protein-Molekulargewicht die Masse in Dalton.