Calculateur de Solubilité des Protéines - Outil Gratuit de pH et Température

Un calculateur de solubilité des protéines estime la concentration maximale d’une protéine qui reste dissoute dans un solvant à un pH, une température et une force ionique donnés. Il convertit des notions élémentaires de chimie en un seul nombre, exprimé en milligrammes de protéine par millilitre de solvant.

La solubilité des protéines est importante en biochimie, dans la formulation des médicaments et en science des aliments. Une protéine qui ne reste pas dissoute forme des agrégats ou des précipités, ce qui peut ruiner une expérience ou rendre un médicament impossible à injecter.

Comment calculer la solubilité d’une protéine

La solubilité dépend de cinq facteurs : le point isoélectrique de la protéine (le pH auquel sa charge nette est nulle), son point de fusion (la température à laquelle elle commence à se déplier), la constante diélectrique du solvant (une mesure de sa capacité à séparer les particules chargées), le pH de la solution et la force ionique (une mesure de la quantité de sel dissous).

Le calculateur part de la solubilité connue de chaque protéine dans l’eau dans des conditions de référence fixées : 25 °C, pH 7,0 et une force ionique de 0,15 M (environ le taux de sel du sang). Il multiplie ensuite cette valeur de référence par quatre rapports, un pour chaque condition qui a changé.

Formule de la solubilité des protéines

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

• $S_{ref}$ est la solubilité connue de la protéine dans l’eau dans les conditions de référence, en mg/mL.
• $f_{pH}(pH) = 1 + 9\left(1 - e^{-|pH - pI|}\right)$, où $pI$ est le point isoélectrique de la protéine. La solubilité est minimale au point isoélectrique et augmente à mesure que le pH s’en éloigne, puis se stabilise en l’espace de quelques unités de pH.
• $f_{ionic}(I) = 10^{\left(\frac{0.8\sqrt{I}}{1 + 1.5\sqrt{I}} - I\right)}$, où $I$ est la force ionique en moles par litre. À faible teneur en sel, ce terme augmente légèrement la solubilité (« salting-in »). À forte teneur en sel, il la diminue (« salting-out »).
• $f_{temp}(T) = e^{0.01(T-25)} \times \dfrac{1}{1 + e^{(T - T_m)/3}}$, où $T_m$ est le point de fusion de la protéine en °C. La solubilité augmente doucement avec la température, puis diminue fortement lorsque la température approche de $T_m$ et que la protéine commence à se déplier.
• $f_{solvent}(\varepsilon) = 10^{-2000\left(\frac{1}{\varepsilon^2} - \frac{1}{78.4^2}\right)}$, où $\varepsilon$ est la constante diélectrique du solvant. L’eau a une constante diélectrique de 78,4 ; ce terme est donc égal à 1 dans l’eau. Les solvants qui séparent les charges moins efficacement que l’eau, comme l’éthanol, diminuent la solubilité.

Valeurs de référence utilisées par le calculateur

Catégories de solubilité

Exemple : albumine dans un tampon phosphate

Déterminer la solubilité de l’albumine dans un tampon phosphate à 25 °C, pH 7,4 et une force ionique de 0,15 M.

Les valeurs de référence de l’albumine sont $pI = 4.7$, $S_{ref} = 500$ mg/mL et $T_m = 63°C$. Le tampon phosphate a une constante diélectrique de 76,0.

1. Terme de pH : $f_{pH}(7.4) = 1 + 9(1 - e^{-2.7}) = 9.3952$. $f_{pH}(7.0) = 1 + 9(1 - e^{-2.3}) = 9.0977$. Rapport : $9.3952 / 9.0977 = 1.0327$.
2. Terme ionique : la force ionique (0,15 M) est égale à la valeur de référence ; le rapport est donc 1.
3. Terme de température : la température (25 °C) est égale à la valeur de référence ; le rapport est donc 1.
4. Terme du solvant : $f_{solvent}(76.0) = 10^{-2000(1/76.0^2 - 1/78.4^2)} = 0.9531$.

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

Le calculateur indique 492,12 mg/mL, ce qui correspond à la catégorie « très soluble ».

Exemple : lysozyme dans du glycérol à basse température

Déterminer la solubilité du lysozyme dans une solution de glycérol à 4 °C, pH 5,0 et une force ionique de 0,1 M. Ces conditions sont semblables à celles du stockage à froid d’une enzyme.

Les valeurs de référence du lysozyme sont $pI = 11.35$, $S_{ref} = 250$ mg/mL et $T_m = 72°C$. Le glycérol a une constante diélectrique de 42,5.

1. Terme de pH : le passage du pH 7,0 au pH 5,0 (tous deux bien inférieurs au pI de 11,35) ne modifie que légèrement le terme de pH. Rapport : $9.9843 / 9.8838 = 1.0102$.
2. Terme ionique : la diminution de la force ionique de 0,15 M à 0,1 M augmente légèrement la solubilité par l’effet de salting-in. Rapport : $1.1793 / 1.1117 = 1.0607$.
3. Terme de température : le refroidissement de 25 °C à 4 °C, bien en dessous du point de fusion, diminue le terme. Rapport : 0,8106 $US$.
4. Terme du solvant : $f_{solvent}(42.5) = 10^{-2000(1/42.5^2 - 1/78.4^2)} = 0.1652$.

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

Le calculateur indique 35,88 mg/mL, ce qui correspond à la catégorie « soluble ». C’est la faible constante diélectrique du glycérol, et non la basse température, qui fait baisser le résultat par rapport à la valeur de référence.

Comment utiliser le calculateur de solubilité des protéines

1. Choisir une protéine dans la liste : albumine, insuline, lysozyme, hémoglobine, myoglobine, collagène, caséine ou fibrinogène.
2. Choisir un solvant : eau, tampon phosphate, tampon Tris, glycérol, DMSO, méthanol, éthanol ou acétone.
3. Saisir la température en °C (de 0 à 100), le pH (de 0 à 14) et la force ionique en molaire (de 0 à 2).
4. Lire la solubilité calculée en mg/mL et sa catégorie. Une barre sous le résultat indique la valeur sur une échelle de 0 à 100 mg/mL et se remplit complètement à 100 mg/mL ou plus.

Facteurs qui influencent la solubilité des protéines

pH et point isoélectrique. Chaque protéine possède un point isoélectrique, c’est-à-dire le pH auquel sa surface ne porte aucune charge électrique nette. À ce pH, les molécules de protéines ne se repoussent pas ; elles s’agglutinent donc et sortent plus facilement de la solution. Éloigner le pH du point isoélectrique, dans un sens ou dans l’autre, confère une charge nette à la protéine. Les molécules chargées se repoussent, ce qui les maintient séparées et dissoutes.

Force ionique. Les ions salins dissous entourent les groupes chargés à la surface d’une protéine. À des concentrations faibles à modérées, ces ions masquent les charges qui attireraient autrement deux molécules de protéines l’une vers l’autre, ce qui augmente la solubilité. Ce phénomène est appelé salting-in. À forte concentration saline, les ions entrent en concurrence avec la protéine pour les molécules d’eau et retirent la couche d’eau qui maintient la protéine dissoute. Ce phénomène est appelé salting-out ; il constitue la base d’une méthode courante de purification qui utilise le sulfate d’ammonium pour précipiter les protéines d’un mélange.

Température. Réchauffer une solution augmente généralement la solubilité, jusqu’à un certain point. Lorsque la température approche de la température de dénaturation d’une protéine, celle-ci commence à se déplier. Le dépliement expose des régions hydrophobes (qui repoussent l’eau) de la protéine, normalement cachées à l’intérieur de sa structure repliée. Ces régions exposées adhèrent les unes aux autres, ce qui provoque une agrégation ; la solubilité diminue donc fortement au voisinage de la température de dénaturation et au-delà.

Solvant. La constante diélectrique d’un solvant mesure son efficacité à réduire l’attraction électrique entre des particules chargées. L’eau possède une constante diélectrique élevée et sépare bien les charges, ce qui explique que la plupart des protéines se dissolvent mieux dans l’eau que dans des solvants organiques comme l’éthanol ou l’acétone. Les solvants à faible constante diélectrique permettent aux charges opposées de différentes molécules de protéines de s’attirer plus fortement, ce qui favorise l’agrégation.

Limites

Le calculateur utilise un modèle simplifié fondé sur un petit ensemble de protéines de référence et de solvants courants. Il ne tient pas compte de la pureté des protéines, des additifs tels que les détergents ou les stabilisants, ni des composants inhabituels des tampons. Les résultats sont des estimations destinées à planifier des expériences, et non un substitut à la mesure directe de la solubilité en laboratoire.

Foire aux questions

Qu’est-ce que la solubilité d’une protéine ? La solubilité d’une protéine est la concentration maximale d’une protéine qui reste entièrement dissoute dans un solvant, sans former d’agrégats ou de précipité visibles.

Pourquoi une protéine est-elle la moins soluble à son point isoélectrique ? Au point isoélectrique, la protéine ne porte aucune charge électrique nette ; les molécules de protéines ne se repoussent donc plus électriquement. Sans cette répulsion, elles ont davantage tendance à s’agréger et à sortir de la solution.

Quelle est la différence entre le salting-in et le salting-out ? Le salting-in se produit à faible concentration saline, lorsque les ions dissous masquent les groupes chargés des protéines et augmentent leur solubilité. Le salting-out se produit à forte concentration saline, lorsque les ions retirent l’eau de la surface des protéines et diminuent leur solubilité.

Une température plus élevée augmente-t-elle toujours la solubilité ? Non. La solubilité tend à augmenter avec la température jusqu’à un certain point seulement. Lorsque la température approche de la température de dénaturation d’une protéine, celle-ci commence à se déplier, ce qui provoque généralement une agrégation et une forte baisse de la solubilité.

Pourquoi les protéines se dissolvent-elles moins dans l’éthanol ou l’acétone que dans l’eau ? L’eau possède une constante diélectrique élevée, ce qui signifie qu’elle réduit très efficacement l’attraction électrique entre les parties chargées des molécules de protéines. L’éthanol et l’acétone ont des constantes diélectriques plus faibles ; les groupes chargés de différentes molécules de protéines s’attirent donc plus fortement dans ces solvants, ce qui favorise l’agrégation.

Quelle est la précision de ce calculateur ? Il fournit une estimation fondée sur un modèle physique et un petit ensemble de protéines et de solvants de référence. Il est utile pour réduire le nombre de conditions à tester, mais seule une mesure expérimentale permet de confirmer la solubilité d’un échantillon de protéine donné.

Lectures complémentaires

• Arakawa, T., & 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., & Pace, C. N. (2008). Measuring and increasing protein solubility. Journal of Pharmaceutical Sciences, 97(10), 4155–4166.
• Cohn, E. J., & Edsall, J. T. (1943). Proteins, Amino Acids and Peptides as Ions and Dipolar Ions. Reinhold Publishing.