등전점

양전하와 음전하를 동시에 지닐 수 있는 어떤 분자가 포함하는 양전하 수와 음전하 수가 같아져서 전체 전하의 합이 0이 되는 pH 값을 등전점(isoelectric point)이라고 한다.

목차

그림 1은 용액의 pH 변화에 따른 글라이신(Glycine) 아미노산의 주요 화학 구조의 변화를 나타내고 있다.

그림 1. pH 변화에 따른 글라이신의 구조 변화 (출처: 대한화학회)

그림 1에서 보는 바와 같이 글라이신은 pH 2.35 이하인 산성 용액의 경우에는 양이온 형태인 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ H2G+ }@@NAMATH_INLINE@@가 우세하게 존재하고, pH 9.78 이상인 염기성 용액에서는 음이온 형태인 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ G- }@@NAMATH_INLINE@@가 우세하게 된다. 반면, pH 2.35에서 9.78 사이에서는 중성 양쪽성 이온 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ HG }@@NAMATH_INLINE@@이 우세하며, 소량으로 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ H2G+ }@@NAMATH_INLINE@@와 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ G- }@@NAMATH_INLINE@@이 존재하게 되는데, 특히 pH 6.065 (=(2.35+9.78)/2) 인 경우에는 소량으로 존재하는 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ H2G+ }@@NAMATH_INLINE@@와 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ G- }@@NAMATH_INLINE@@의 양이 같아 글라이신의 평균 전하 합이 0인 중성 형태로 존재하게 되며, 따라서, 6.065가 등전점이 된다.

아미노산이 여러개 모여 형성된 단백질은 산성 작용기인 카복실 작용기( @@NAMATH_INLINE@@\ce{ -COOH }@@NAMATH_INLINE@@)와 염기성 작용기인 아민 작용기( @@NAMATH_INLINE@@\ce{ -NH2 }@@NAMATH_INLINE@@)를 모두 함유한다. 이러한 작용기들은 수용액의 pH에 따라서 전하를 지닐 수 있는데, 카복실 작용기는 대략 pH 2.5 미만의 산성 용액에서는 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ -COOH }@@NAMATH_INLINE@@로 존재하고, pH 2.5 이상의 용액에서는 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ -COO- }@@NAMATH_INLINE@@로 존재한다. 반면, 아민 작용기는 대략 pH 9.5 미만의 용액에서는 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ -NH3+ }@@NAMATH_INLINE@@존재하고, pH 9.5 이상의 염기성 용액에서는 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ -NH2 }@@NAMATH_INLINE@@로 존재한다. 이러한 전하들이 모여서 해당 단백질의 전체 전하를 결정한다. 수용액의 pH가 단백질의 등전점보다 작아지면 카복실기는 이온화되지 않고 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ -COOH }@@NAMATH_INLINE@@ 형태로 남아 있지만, 아미노기가 이온화되어 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ -NH3+ }@@NAMATH_INLINE@@로 되므로 이 단백질은 양전하를 띄게 된다. 반면, pH가 등전점보다 커지면 아미노기는 이온화되지 않고 중성기인 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ -NH2 }@@NAMATH_INLINE@@로 남고, 카복실기는 이온화되어 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ -COO- }@@NAMATH_INLINE@@가 되므로 이 단백질은 음전하를 띄게 된다. 등전점에 해당하는 pH를 갖는 수용액에서는 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ -NH3+ }@@NAMATH_INLINE@@와 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ -COO- }@@NAMATH_INLINE@@의 양이 갖게 되어 해당 단백질이 지닌 전체 전하의 합은 0이 된다. 용액의 pH에 따른 단백질 전하의 변화를 이용하면 단백질을 분리할 수 있게 된다.

등전점을 이용한 단백질 분리의 한 예로 등전점 초점 맞추기가 있다.

그림 2. 2D 전기영동. ()

그림 2는 2D 전기영동 실험 과정을 보여 주고 있다. 2D 전기영동 실험의 첫 번째 단계는 등전점 초점 맞추기 과정인데, 다양한 범위의 pH를 나타낼 수 있는 완충 용액을 단백질과 함께 관 안에 채운 후 외부에서 전압을 가해 주면, 완충 용액은 관 안을 순차적인 pH 변화를 나타내게 되고, 각 단백질은 해당 단백질의 pI와 일치하는 pH 값에 해당하는 위치로 이동하게 된다. 만약 단백질이 해당 위치에 있지 않아서 양전하를 지니게 되면 (-)극으로 이동하여 중성을 띄게 되고, 반대로 음전하를 지니게 되면 (+)극으로 이동하여 중성을 띄게 된다. 이러한 방식으로 분리된 단백질은 두 번째로 sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE)라고 불리는 분리 방법에 의하여 단백질의 분자량에 따라 분리된다. SDA-PAGE만을 이용하여 단백질을 분자량에 따라 분리하게 되면, 1D 전기영동이라고 한다.

등전점을 이용한 단백질 분리의 또다른 예는 모세관 등전 집중(capillary isoelectric focusing, CIEF)이 있다. 위에서 설명한 등전점 촛점맞추기와 원리는 동일하며 차이점은 완충 용액과 단백질이 모세관 안에 채워진 후, 외부 전압이 가해진다는 것이다. CIEF를 이용하게 되면 소량의 단백질을 정교하게 분리하는 장점이 있다.