Коротко — по пунктам, с формулами и примерами.

1) Что определяет кислотно-основные свойства аминокислот

Наличие и тип ионизуемых групп: карбоксильная (−COOH/−COO−), амино (−NH3+/−NH2) и боковые цепи (например, COOH у Asp/Glu, NH3+ у Lys/Arg, Imidazol у His, тиол у Cys, фенол у Tyr).Значения pKa для каждой ионизуемой группы — pH, при котором половина данной группы протонирована.Микроокружение: соседние заряды (электростатические эффекты), водородные связи, гидрофобность, связывание ионов/металлов, местный диэлектрический коэффициент — всё это может сдвигать pKa (у пептидов и белков pKa часто отличаются от свободных аминокислот).Температура и ионная сила раствора — влияют на величины pKa и поведение титрования.

2) Как меняются заряды при разном pH (общая логика)

Для каждой ионизуемой группы можно ввести фракцию протонированной формы через уравнение Хендерсон–Хассельбалха:
доля протонированной формы = 1 / (1 + 10^(pH − pKa))доля депротонированной = 1 / (1 + 10^(pKa − pH))Заряд группы = charge_prot fraction_prot + charge_deprot fraction_deprot.
Пример: −COOH (протонат) имеет заряд 0, −COO− (депротонат) заряд −1. −NH3+ → +1, −NH2 → 0.Общий заряд молекулы = сумма вкладов всех ионизуемых групп.При pH << всех pKa молекула максимально протонирована; при pH >> всех pKa — максимально депротонирована.

3) Как рассчитать изоэлектрическую точку (pI)

pI — это значение pH, при котором суммарный (средний) заряд молекулы = 0.Для аминокислоты без ионизируемой боковой цепи (например, глицин):
pI = (pKa(COOH) + pKa(NH3+)) / 2.Для кислотных аминокислот (Asp, Glu) ионизируемая боковая группа — кислотная, и pI = среднее между двумя pKa, окружающими нейтральное (нулевое) состояние — обычно это два более низких pKa (альфа-COOH и боковой COOH).Для основных аминокислот (Lys, Arg, His) pI = среднее между двумя более высокими pKa (те, которые окружают нейтральную форму).Общий практический алгоритм для пептида или смеси:
Перечислить все ионизуемые группы: N-термин (α-NH3+/NH2), C-термин (α-COOH/COO−) и все боковые цепи с ионизацией.Взять pKa для каждой группы (учитывая, что pKa в пептидной среде может отличаться).Для заданного pH вычислить доли протонированных/депротонированных форм каждой группы по HH-уравнению и суммировать их заряды → получить общий заряд Z(pH).Найти pH, где Z(pH) = 0. На практике делается численный поиск (например, перебирать pH с шагом 0.01 и/или линейно интерполировать между точками).Для смеси аминокислот: считается суммарный заряд всей смеси (в молях или долях): Z_total(pH) = Σ_i n_i * Z_i(pH) (где n_i — число молей/доля компонента i). pI смеси — pH, при котором Z_total(pH) = 0. (Важно: «pI смеси» — это свойство смеси как совокупности; отдельные компоненты при этом имеют свои pI и будут разделяться в изоэлектрическом фокусировании.)

4) Примеры

Глицин: pKa(COOH)=~2.34, pKa(NH3+)=~9.60 → pI = (2.34+9.60)/2 ≈ 5.97.Глутамат (кислый): pKaα≈2.19, pKaR(боковой COOH)≈4.25, pKaNH3≈9.67 → pI = (2.19+4.25)/2 ≈ 3.22 (среднее двух низких pKa).Лизин (основный): pKaCOOH≈2.18, pKaα-NH3≈8.95, pKaR≈10.53 → pI = (8.95+10.53)/2 ≈ 9.74.

5) Практические замечания и ограничения

pKa в белке/пептиде зависят от третичной структуры и окружения; при расчёте pI для белков используют эмпирические поправки или специализированные программы (PROPKA, H++, и т. п.).Ионная сила и температура сдвигают pKa — указывать условия.В электрофорезе при pI молекула мигрирует минимально; при pH выше pI молекула отрицательно заряжена, при pH ниже — положительно.Для точных расчётов больших пептидов/белков нужны численные методы и экспериментальные данные pKa.

Если хотите, могу:

Привести пошаговый численный пример расчёта Z(pH) для конкретного пептида (укажите последовательность и pKa),Показать скрипт/алгоритм (на Python) для автоматического вычисления pI для смеси.