Особое значение для медицины и биологии имеют биополимеры — полисахариды, белки, нуклеиновые кислоты. Белки относятся к полиамфолитам, т. е. к веществам, способным в зависимости от условий проявлять свойства как оснований, так и кислот. Остатки ионогенных аминокислот (аспарагиновой и глутаминовой кислот, аргинина, лизина и гистидина) могут находиться как в протонированной, так и в депротонированной формах. Состояние, при котором суммарный заряд полиамфолита равен нулю, называется изоэлектрическим. Значение рН раствора, соответствующее изоэлектрическому состоянию, называется изоэлектрической точкой (pI). В среде с большей кислотностью чем в изоэлектрической точке (рН < pI), ионизация карбоксильных групп подавлена, вследствие чего белок находится в форме макрокатионов, положительный заряд которых обусловлен наличием —R—NH3+-rpyпп. В среде с меньшей кислотностью, чем в изоэлектрической точке (рН > pI), карбоксильные группы депротонированы, вследствие чего белок находится в форме макроанионов, отрицательный заряд которых обусловлен наличием —R—СОО- - групп.
Возникновение электрического заряда в состоянии, отличающемся от изоэлектрического, обуславливает электрофоретическую подвижность белков.
Направление движения макромолекул белков в электрическом поле (к катоду или аноду) зависит от значения рН. Белки, как и все амфолиты, имеют определенную величину изоэлектрической точки. В таблице 1 приведены значения изоэлектрических точек некоторых наиболее распространенных белков.
При рН < pI протонируются основные группы в боковых цепях; белок находится в форме макрокатиона и перемещается к катоду (рис. 1, а). При рН = pI белок находится в электронейтралъной форме (макромолекула) и в электрическом поле не перемещается (рис. 1, б). При рН > pI белок перемещается к аноду, так как находится в форме макроаниона вследствие депротонирования кислотных групп в боковых цепях (рис. 1, в). Макроанионы различаются электрофоретической подвижностью, которая зависит от размера иона и его заряда. Изменяя рН поддерживающей среды, можно добиться значительного изменения подвижности макроаниона: она будет тем больше, чем больше разница между рН и pI. Например, для белка с pI = 5 при рН = 9 степень депротонированности боковых ионогенных групп больше, чем при рН = 7. Больший заряд макроаниона при рН = 9 обусловливает его большую подвижность (рис. 1, г).
Таблица 1. Изоэлектрические точки некоторых белков
| Белок | ИЭТ |
| Пепсин желудочного сока Казеин молока Альбумин сыворотки крови Яичный альбумин α-Глобулин крови Миозин мышц β-Глобулин крови β-Лактоглобулин Фибриноген крови γ Глобулин крови Гемоглобин Оксигемоглобин | 2,00 4,60 4,64 4,71 4,80 5,00 5,20 5,20 5,40 6,40 6,68 6,87 |
Рис. 1. Зависимость подвижности частиц белка (pI = 5) в электрическом поле от рН среды.
Описанные закономерности используются в электрофоретическом методе анализа белков. С помощью электрофореза можно разделить на отдельные фракции сложные смеси белков.
Некоторые заболевания сопровождаются изменением состава и соотношения белков, что отражается на электрофореграммах.
Пример 1. Изоэлектрическая точка миозина мышц равна 5. При каких значениях рН: 2, 4, 5 или 7 электрофоретическая подвижность будет наибольшей? С чем это связано?
Решение. При рН = 2 и при рН = 4 происходит ионизация групп — NH2, причем при рН = 2 ионизация происходит в большей степени. При рН = 5 ионизация макромолекул отсутствует, электрофоретическая подвижность не наблюдается. При рН = 7 происходит ионизация групп — СООН. Наибольшая электрофоретическая подвижность миозина наблюдается при рН = 2, так как ΔрН между значением ИЭТ и рН буферного раствора максимальна, число ионизированных групп максимально, частица белка имеет наибольший положительный заряд.