Amminoacidi: classificazione e punto isoelettrico

Un amminoacido porta, sulla stessa piccola molecola, un gruppo acido (–COOH) e un gruppo basico (–NH₂). Questa doppia natura fa sì che la sua carica cambi con il pH e che esista un valore di pH preciso — il punto isoelettrico — in cui la carica netta è nulla. È una proprietà tutt’altro che astratta: governa la solubilità, la precipitazione e il modo in cui proteine e amminoacidi si separano in laboratorio.

Vediamo come si classificano i venti amminoacidi standard in base alla catena laterale, perché in soluzione esistono come zwitterioni, come si calcola il punto isoelettrico e a cosa serve davvero conoscerlo.

La struttura comune e le tre classi

Tutti gli amminoacidi standard condividono la stessa impalcatura: un carbonio centrale (il carbonio α) legato a un gruppo amminico, a un gruppo carbossilico, a un idrogeno e a una catena laterale R che cambia da un amminoacido all’altro. È proprio la catena laterale a determinare il carattere chimico del residuo, e il criterio più usato per raggruppare i venti amminoacidi standard si basa sulla sua polarità.

Si distinguono tre gruppi: amminoacidi con catena laterale apolare (idrocarburica, idrofoba, come alanina, valina, leucina, fenilalanina e la particolare prolina), amminoacidi polari ma neutri (con gruppi –OH, ammidici o tiolici, come serina, treonina, asparagina, tirosina, cisteina) e amminoacidi carichi, a loro volta acidi (aspartato, glutammato) o basici (lisina, arginina, istidina). Questa semplice tripartizione spiega già molto: i residui apolari tendono a impacchettarsi all’interno della proteina, lontano dall’acqua, mentre quelli polari e carichi restano in superficie.

Perché esistono come zwitterioni

In acqua un amminoacido non esiste nella forma «neutra non ionizzata» che spesso si disegna: quella forma è presente solo in tracce. La realtà è che il gruppo carbossilico, acido, cede il suo protone, mentre il gruppo amminico, basico, lo cattura. Il risultato è una molecola che porta contemporaneamente una carica negativa (–COO⁻) e una positiva (–NH₃⁺): uno zwitterione, o ione dipolare, complessivamente neutro ma internamente carico.

pH basso: ⁺H₃N–CHR–COOH  ·  pH del pI: ⁺H₃N–CHR–COO⁻ (zwitterione)  ·  pH alto: H₂N–CHR–COO⁻

È questa natura dipolare a rendere gli amminoacidi molto più solubili nei solventi polari come l’acqua che in quelli apolari, e a dare loro punti di fusione elevati, tipici dei composti ionici. La forma effettivamente presente dipende dal pH: a pH molto acido tutto è protonato (la molecola è un catione), a pH molto basico tutto è deprotonato (un anione), e nel mezzo domina lo zwitterione.

I valori di pK e come si ionizzano i gruppi

Ogni gruppo ionizzabile ha un proprio valore di pK, il pH al quale è per metà protonato e per metà deprotonato. Per gli amminoacidi liberi, i gruppi α-carbossilici hanno pK raggruppati intorno a un valore basso, vicino a 2 (chiamiamolo pK₁), mentre i gruppi α-amminici hanno pK molto più alti, intorno a 9-9,5 (pK₂). Gli amminoacidi con catena laterale ionizzabile hanno un terzo valore, pK_R, che può cadere in zone molto diverse a seconda del gruppo. Spostandosi dal pH acido a quello basico, i gruppi perdono i protoni in ordine, dal più acido al più basico.

Il punto isoelettrico e come si calcola

Il punto isoelettrico (pI) è il pH al quale l’amminoacido ha carica netta nulla, cioè esiste in prevalenza come zwitterione. La regola di calcolo è semplice: si fa la media dei due valori di pK che «circondano» la forma neutra, ovvero le due ionizzazioni tra le quali la specie neutra esiste:

pI = pK_i + pK_j2

Per un amminoacido semplice come la glicina, privo di catena laterale ionizzabile, i due pK rilevanti sono quello del carbossile (intorno a 2,3) e quello dell’amminico (intorno a 9,8): il pI cade a circa 6. Per un amminoacido acido come l’aspartato si mediano invece i due pK più bassi (carbossile α e catena laterale), ottenendo un pI basso; per uno basico come la lisina si mediano i due pK più alti, ottenendo un pI elevato. La logica è sempre la stessa: si individuano le due ionizzazioni che «abbracciano» la specie neutra e se ne fa la media.

A cosa serve conoscere il pI

Il punto isoelettrico non è un dettaglio da manuale: è uno strumento pratico potentissimo. Al pI una proteina è meno solubile e tende a precipitare, perché senza carica netta le molecole non si respingono più tra loro: aggiustare il pH attorno al pI è uno dei modi più usati per far precipitare e purificare una proteina. Soprattutto, al pI una molecola immersa in un campo elettrico resta ferma. Su questo principio si basa la focalizzazione isoelettrica: in un gel con un gradiente di pH stabile, ogni proteina migra finché non raggiunge il pH pari al proprio pI e lì si ferma, concentrandosi in una banda strettissima. Combinata con una separazione per massa, questa tecnica permette di risolvere migliaia di proteine diverse in un solo esperimento bidimensionale.

Riepilogo: pI delle tre famiglie

A seconda della classe a cui appartiene, l’amminoacido ha un punto isoelettrico tipicamente basso, medio o alto, e i due pK da mediare cambiano di conseguenza:

La tabella riassume la stessa idea: il pI dipende dalle ionizzazioni che racchiudono lo zwitterione, e la catena laterale carica sposta il valore verso il basso (amminoacidi acidi) o verso l’alto (amminoacidi basici) rispetto a un amminoacido neutro.

Domande frequenti

Che cos’è il punto isoelettrico di un amminoacido?

È il pH al quale l’amminoacido ha carica elettrica netta nulla, cioè esiste in prevalenza come zwitterione. A quel pH le cariche positiva e negativa si bilanciano e la molecola, immersa in un campo elettrico, non migra. Si calcola facendo la media dei due valori di pK che delimitano la forma neutra.

Perché gli amminoacidi sono zwitterioni in acqua?

Perché il gruppo carbossilico, acido, tende a cedere il protone, e il gruppo amminico, basico, tende a catturarlo: il risultato è una molecola con una carica negativa e una positiva contemporaneamente, neutra nel complesso. La forma totalmente neutra e non ionizzata è presente solo in tracce in soluzione acquosa.

Come si calcola il pI di un amminoacido?

Si individuano i due valori di pK che racchiudono la specie neutra e se ne fa la media. Per un amminoacido senza catena laterale ionizzabile sono il pK del carbossile e quello dell’amminico; per uno acido si usano i due pK più bassi, per uno basico i due più alti. La media di questi due valori dà il punto isoelettrico.

Quali sono i valori tipici di pK in un amminoacido?

Il gruppo α-carbossilico ha un pK basso, intorno a 2; il gruppo α-amminico ha un pK molto più alto, intorno a 9-9,5. Gli amminoacidi con catena laterale ionizzabile hanno un terzo valore (pK_R) che dipende dal gruppo. Nelle proteine ripiegate questi valori possono cambiare di parecchie unità per via dell’ambiente circostante.

A cosa serve il punto isoelettrico in pratica?

A purificare e analizzare le proteine. Al pI una proteina è meno solubile e precipita più facilmente, il che si sfrutta per separarla; inoltre, in un campo elettrico resta ferma, e su questo si basa la focalizzazione isoelettrica, che separa le proteine in base al loro pI lungo un gradiente di pH. È uno strumento centrale dell’elettroforesi bidimensionale.