Calculadora de Solubilidad de Proteínas - Herramienta Gratuita de pH y Temperatura

Una calculadora de solubilidad de proteínas estima la concentración máxima de una proteína que permanece disuelta en un disolvente con un pH, una temperatura y una fuerza iónica determinados. Convierte la química básica en un único número, expresado en miligramos de proteína por mililitro de disolvente.

La solubilidad de las proteínas es importante en bioquímica, formulación de medicamentos y ciencia de los alimentos. Una proteína que no permanece disuelta forma agregados o precipitados, lo que puede arruinar un experimento o hacer que un medicamento no pueda inyectarse.

Cómo calcular la solubilidad de una proteína

La solubilidad depende de cinco factores: el punto isoeléctrico de la proteína (el pH al que su carga neta es cero), su punto de fusión (la temperatura a la que comienza a desplegarse), la constante dieléctrica del disolvente (una medida de su capacidad para separar partículas cargadas), el pH de la solución y la fuerza iónica (una medida de la cantidad de sal disuelta).

La calculadora parte de la solubilidad conocida de cada proteína en agua en un conjunto de condiciones de referencia: 25 °C, pH 7,0 y una fuerza iónica de 0,15 M (aproximadamente el nivel de sal de la sangre). Después multiplica ese valor de referencia por cuatro factores, uno por cada condición que ha cambiado.

Fórmula de la solubilidad de las proteínas

$S = S_{ref} \times \frac{f_{pH}(pH)}{f_{pH}(7.0)} \times \frac{f_{ionic}(I)}{f_{ionic}(0.15)} \times \frac{f_{temp}(T)}{f_{temp}(25)} \times f_{solvent}(\varepsilon)$

• $S_{ref}$ es la solubilidad conocida de la proteína en agua en las condiciones de referencia, expresada en mg/mL.
• $f_{pH}(pH) = 1 + 9\left(1 - e^{-|pH - pI|}\right)$, donde $pI$ es el punto isoeléctrico de la proteína. La solubilidad es mínima en el punto isoeléctrico y aumenta a medida que el pH se aleja de él, hasta estabilizarse a una distancia de un par de unidades de pH.
• $f_{ionic}(I) = 10^{\left(\frac{0.8\sqrt{I}}{1 + 1.5\sqrt{I}} - I\right)}$, donde $I$ es la fuerza iónica en moles por litro. Con niveles bajos de sal, este término aumenta ligeramente la solubilidad (salting in). Con niveles altos de sal, la reduce (salting out).
• $f_{temp}(T) = e^{0.01(T-25)} \times \dfrac{1}{1 + e^{(T - T_m)/3}}$, donde $T_m$ es el punto de fusión de la proteína en °C. La solubilidad aumenta suavemente con la temperatura y después disminuye bruscamente cuando la temperatura se aproxima a $T_m$ y la proteína comienza a desplegarse.
• $f_{solvent}(\varepsilon) = 10^{-2000\left(\frac{1}{\varepsilon^2} - \frac{1}{78.4^2}\right)}$, donde $\varepsilon$ es la constante dieléctrica del disolvente. El agua tiene una constante dieléctrica de 78,4, por lo que este término es igual a 1 en agua. Los disolventes que separan las cargas con menor eficacia que el agua, como el etanol, reducen la solubilidad.

Valores de referencia utilizados por la calculadora

Categorías de solubilidad

Ejemplo: albúmina en tampón fosfato

Calcular la solubilidad de la albúmina en tampón fosfato a 25 °C, pH 7,4 y una fuerza iónica de 0,15 M.

Los valores de referencia de la albúmina son $pI = 4.7$, $S_{ref} = 500$ mg/mL y $T_m = 63°C$. El tampón fosfato tiene una constante dieléctrica de 76,0.

1. Término de pH: $f_{pH}(7.4) = 1 + 9(1 - e^{-2.7}) = 9.3952$. $f_{pH}(7.0) = 1 + 9(1 - e^{-2.3}) = 9.0977$. Razón: $9.3952 / 9.0977 = 1.0327$.
2. Término iónico: la fuerza iónica (0,15 M) es igual al valor de referencia, por lo que la razón es 1.
3. Término de temperatura: la temperatura (25 °C) es igual al valor de referencia, por lo que la razón es 1.
4. Término del disolvente: $f_{solvent}(76.0) = 10^{-2000(1/76.0^2 - 1/78.4^2)} = 0.9531$.

$S = 500 \times 1.0327 \times 1 \times 1 \times 0.9531 \approx 492.12\text{ mg/mL}$

La calculadora indica 492,12 mg/mL, lo que corresponde a la categoría «muy soluble».

Ejemplo: lisozima en glicerol a baja temperatura

Determinar la solubilidad de la lisozima en una solución de glicerol a 4 °C, pH 5,0 y una fuerza iónica de 0,1 M. Estas condiciones son similares a las del almacenamiento en frío de una enzima.

Los valores de referencia de la lisozima son $pI = 11.35$, $S_{ref} = 250$ mg/mL y $T_m = 72°C$. El glicerol tiene una constante dieléctrica de 42,5.

1. Término de pH: pasar de pH 7,0 a pH 5,0 (ambos muy por debajo del pI de 11,35) cambia el término de pH solo ligeramente. Relación: $9.9843 / 9.8838 = 1.0102$.
2. Término iónico: reducir la fuerza iónica de 0,15 M a 0,1 M aumenta ligeramente la solubilidad mediante el efecto salting-in. Relación: $1.1793 / 1.1117 = 1.0607$.
3. Término de temperatura: enfriar de 25 °C a 4 °C, muy por debajo del punto de fusión, reduce el término. Relación: 0,8106.
4. Término del disolvente: $f_{solvent}(42.5) = 10^{-2000(1/42.5^2 - 1/78.4^2)} = 0.1652$.

$S = 250 \times 1.0102 \times 1.0607 \times 0.8106 \times 0.1652 \approx 35.88\text{ mg/mL}$

La calculadora indica 35,88 mg/mL, lo que corresponde a la categoría «soluble». La baja constante dieléctrica del glicerol, no la baja temperatura, es lo que reduce el resultado respecto al valor de referencia.

Cómo utilizar la calculadora de solubilidad de proteínas

1. Elegir una proteína de la lista: albúmina, insulina, lisozima, hemoglobina, mioglobina, colágeno, caseína o fibrinógeno.
2. Elegir un disolvente: agua, tampón fosfato, tampón Tris, glicerol, DMSO, metanol, etanol o acetona.
3. Introducir la temperatura en °C (de 0 a 100), el pH (de 0 a 14) y la fuerza iónica en molar (de 0 a 2).
4. Leer la solubilidad calculada en mg/mL y su categoría. Una barra situada debajo del resultado muestra el valor en una escala de 0 a 100 mg/mL y se llena por completo con 100 mg/mL o más.

Factores que afectan a la solubilidad de las proteínas

pH y punto isoeléctrico. Toda proteína tiene un punto isoeléctrico, el pH al que su superficie no presenta carga eléctrica neta. A ese pH, las moléculas de proteína no se repelen entre sí, por lo que se agrupan y salen de la solución con mayor facilidad. Alejar el pH del punto isoeléctrico, en cualquier dirección, proporciona a la proteína una carga neta. Las moléculas cargadas se repelen, lo que las mantiene separadas y disueltas.

Fuerza iónica. Los iones de sal disueltos rodean los grupos cargados de la superficie de una proteína. En concentraciones bajas o moderadas, estos iones apantallan las cargas que, de otro modo, atraerían entre sí a dos moléculas de proteína, lo que aumenta la solubilidad. Este fenómeno se denomina salting in. Con concentraciones altas de sal, los iones compiten con la proteína por las moléculas de agua y eliminan la capa de agua que mantiene disuelta la proteína. Este fenómeno se denomina salting out y constituye la base de un método habitual de purificación que utiliza sulfato de amonio para precipitar las proteínas de una mezcla.

Temperatura. Calentar una solución generalmente aumenta la solubilidad hasta cierto punto. Cuando la temperatura se aproxima al punto de fusión de una proteína, esta comienza a desplegarse. El desplegamiento deja expuestas secciones hidrófobas (que repelen el agua) de la proteína, normalmente ocultas en su estructura plegada. Estas secciones expuestas se adhieren entre sí y provocan agregación, por lo que la solubilidad disminuye bruscamente cerca del punto de fusión y por encima de él.

Disolvente. La constante dieléctrica de un disolvente mide la eficacia con la que debilita la atracción eléctrica entre partículas cargadas. El agua tiene una constante dieléctrica alta y separa bien las cargas, por lo que la mayoría de las proteínas se disuelven mejor en agua que en disolventes orgánicos como el etanol o la acetona. Los disolventes con una constante dieléctrica baja permiten que las cargas opuestas de distintas moléculas de proteína se atraigan con mayor intensidad, favoreciendo la agregación.

Limitaciones

La calculadora utiliza un modelo simplificado basado en un pequeño conjunto de proteínas de referencia y disolventes habituales. No tiene en cuenta la pureza de la proteína, aditivos como detergentes o estabilizantes ni componentes inusuales del tampón. Los resultados son estimaciones para planificar experimentos, no sustituyen a la medición directa de la solubilidad en el laboratorio.

Preguntas frecuentes

¿Qué es la solubilidad de una proteína? La solubilidad de una proteína es la concentración máxima de proteína que permanece completamente disuelta en un disolvente, sin formar agregados ni precipitados visibles.

¿Por qué una proteína es menos soluble en su punto isoeléctrico? En el punto isoeléctrico, la proteína no presenta carga eléctrica neta, por lo que sus moléculas dejan de repelerse eléctricamente. Sin esa repulsión, es más probable que se adhieran entre sí y salgan de la solución.

¿Cuál es la diferencia entre el salting in y el salting out? El salting in ocurre con concentraciones bajas de sal, cuando los iones disueltos apantallan entre sí los grupos cargados de la proteína y aumentan la solubilidad. El salting out ocurre con concentraciones altas de sal, cuando los iones retiran el agua de la superficie de la proteína y reducen la solubilidad.

¿Una temperatura más alta siempre aumenta la solubilidad? No. La solubilidad tiende a aumentar con la temperatura solo hasta cierto punto. Cuando la temperatura se aproxima al punto de fusión de una proteína, esta comienza a desplegarse, lo que normalmente provoca agregación y una disminución brusca de la solubilidad.

¿Por qué las proteínas se disuelven menos en etanol o acetona que en agua? El agua tiene una constante dieléctrica alta, lo que significa que debilita con gran eficacia la atracción eléctrica entre las partes cargadas de las moléculas de proteína. El etanol y la acetona tienen constantes dieléctricas más bajas, por lo que los grupos cargados de distintas moléculas de proteína se atraen con mayor intensidad en estos disolventes y la agregación resulta más probable.

¿Qué precisión tiene esta calculadora? Proporciona una estimación basada en un modelo físico y un pequeño conjunto de proteínas y disolventes de referencia. Es útil para acotar las condiciones que se deben probar, pero la medición experimental sigue siendo la única forma de confirmar la solubilidad de una muestra de proteína específica.

Lecturas adicionales

• Arakawa, T., y Timasheff, S. N. (1984). Mechanism of protein salting in and salting out by divalent cation salts. Biochemistry, 23(25), 5912–5923.
• Trevino, S. R., Scholtz, J. M., y Pace, C. N. (2008). Measuring and increasing protein solubility. Journal of Pharmaceutical Sciences, 97(10), 4155–4166.
• Cohn, E. J., y Edsall, J. T. (1943). Proteins, Amino Acids and Peptides as Ions and Dipolar Ions. Reinhold Publishing.