Olbaltumvielu šķīdības kalkulators - Bezmaksas pH un temperatūras rīks

Olbaltumvielu šķīdības kalkulators aprēķina lielāko olbaltumvielu koncentrāciju, kas pie noteikta pH, temperatūras un jonu stipruma paliek izšķīdusi šķīdinātājā. Tas pārveido ķīmijas pamatprincipus vienā skaitlī — olbaltumvielu miligramos uz šķīdinātāja mililitru.

Olbaltumvielu šķīdībai ir nozīme bioķīmijā, zāļu formulēšanā un pārtikas zinātnē. Olbaltumviela, kas nepaliek izšķīdusi, veido agregātus vai izgulsnējas, un tas var sabojāt eksperimentu vai padarīt zāles neiespējamas injicēt.

Kā aprēķināt olbaltumvielu šķīdību

Šķīdība ir atkarīga no pieciem faktoriem: olbaltumvielas izoelektriskā punkta (pH, pie kura tās kopējais lādiņš ir nulle), kušanas temperatūras (temperatūras, pie kuras tā sāk atlocīties), šķīdinātāja dielektriskās caurlaidības (mēra, cik labi tas atdala lādētas daļiņas), šķīduma pH un jonu stipruma (mēra, cik daudz izšķīduša sāls tajā ir).

Kalkulators sāk ar katras olbaltumvielas zināmo šķīdību ūdenī pie atsauces apstākļiem: 25 °C, pH 7,0 un jonu stipruma 0,15 M (aptuveni tāda sāls koncentrācija kā asinīs). Pēc tam tas šo atsauces vērtību reizina ar četrām attiecībām — pa vienai katram mainītajam apstāklim.

Olbaltumvielu šķīdības formula

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

• $S_{ref}$ ir olbaltumvielas zināmā šķīdība ūdenī pie atsauces apstākļiem, mg/ml.
• $f_{pH}(pH) = 1 + 9\left(1 - e^{-|pH - pI|}\right)$, kur $pI$ ir olbaltumvielas izoelektriskais punkts. Šķīdība ir vismazākā izoelektriskajā punktā un palielinās, pH attālinoties no tā, bet pēc dažām pH vienībām izlīdzinās.
• $f_{ionic}(I) = 10^{\left(\frac{0.8\sqrt{I}}{1 + 1.5\sqrt{I}} - I\right)}$, kur $I$ ir jonu stiprums molos uz litru. Pie zema sāls daudzuma šis loceklis nedaudz palielina šķīdību („izsālīšana šķīdumā”). Pie liela sāls daudzuma tas šķīdību samazina („izsālīšana no šķīduma”).
• $f_{temp}(T) = e^{0.01(T-25)} \times \dfrac{1}{1 + e^{(T - T_m)/3}}$, kur $T_m$ ir olbaltumvielas kušanas temperatūra °C. Šķīdība līdz ar temperatūru nedaudz palielinās, bet pēc tam strauji samazinās, kad temperatūra tuvojas $T_m$ un olbaltumviela sāk atlocīties.
• $f_{solvent}(\varepsilon) = 10^{-2000\left(\frac{1}{\varepsilon^2} - \frac{1}{78.4^2}\right)}$, kur $\varepsilon$ ir šķīdinātāja dielektriskā caurlaidība. Ūdens dielektriskā caurlaidība ir 78,4, tādēļ ūdenī šis loceklis ir 1. Šķīdinātāji, kas lādiņus atdala mazāk efektīvi nekā ūdens, piemēram, etanols, samazina šķīdību.

Kalkulatorā izmantotās atsauces vērtības

Šķīdības kategorijas

Piemērs: albumīns fosfāta buferšķīdumā

Aprēķiniet albumīna šķīdību fosfāta buferšķīdumā pie 25 °C, pH 7,4 un jonu stipruma 0,15 M.

Albumīna atsauces vērtības ir $pI = 4.7$, $S_{ref} = 500$ mg/ml un $T_m = 63°C$. Fosfāta buferšķīduma dielektriskā caurlaidība ir 76,0.

1. pH loceklis: $f_{pH}(7.4) = 1 + 9(1 - e^{-2.7}) = 9.3952$. $f_{pH}(7.0) = 1 + 9(1 - e^{-2.3}) = 9.0977$. Attiecība: $9.3952 / 9.0977 = 1.0327$.
2. Jonu loceklis: jonu stiprums (0,15 M) ir vienāds ar atsauces vērtību, tādēļ attiecība ir 1.
3. Temperatūras loceklis: temperatūra (25 °C) ir vienāda ar atsauces vērtību, tādēļ attiecība ir 1.
4. Šķīdinātāja loceklis: $f_{solvent}(76.0) = 10^{-2000(1/76.0^2 - 1/78.4^2)} = 0.9531$.

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

Kalkulators uzrāda 492,12 mg/ml, kas atbilst kategorijai „ļoti labi šķīstoša”.

Piemērs: lizocīms glicerīnā zemā temperatūrā

Aprēķiniet lizocīma šķīdību glicerīna šķīdumā pie 4 °C, pH 5,0 un jonu stipruma 0,1 M. Šie apstākļi ir līdzīgi fermenta uzglabāšanai aukstumā.

Lizocīma atsauces vērtības ir $pI = 11.35$, $S_{ref} = 250$ mg/ml un $T_m = 72°C$. Glicerīna dielektriskā caurlaidība ir 42,5.

1. pH loceklis: pāreja no pH 7,0 uz pH 5,0 (abi ir daudz zem lizocīma pI 11,35) pH locekli maina tikai nedaudz. Attiecība: $9.9843 / 9.8838 = 1.0102$.
2. Jonu loceklis: jonu stipruma samazināšana no 0,15 M līdz 0,1 M nedaudz palielina šķīdību izsālīšanas šķīdumā efekta dēļ. Attiecība: $1.1793 / 1.1117 = 1.0607$.
3. Temperatūras loceklis: atdzesēšana no 25 °C līdz 4 °C, kas ir krietni zem kušanas temperatūras, samazina locekļa vērtību. Attiecība: 0,8106 $$.
4. Šķīdinātāja loceklis: $f_{solvent}(42.5) = 10^{-2000(1/42.5^2 - 1/78.4^2)} = 0.1652$.

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

Kalkulators uzrāda 35,88 mg/ml, kas atbilst kategorijai „šķīstoša”. Rezultātu no atsauces vērtības samazina glicerīna zemā dielektriskā caurlaidība, nevis zemā temperatūra.

Kā izmantot olbaltumvielu šķīdības kalkulatoru

1. Izvēlieties olbaltumvielu no saraksta: albumīnu, insulīnu, lizocīmu, hemoglobīnu, mioglobīnu, kolagēnu, kazeīnu vai fibrinogēnu.
2. Izvēlieties šķīdinātāju: ūdeni, fosfāta buferšķīdumu, Trisa buferšķīdumu, glicerīnu, DMSO, metanolu, etanolu vai acetonu.
3. Ievadiet temperatūru °C (no 0 līdz 100), pH (no 0 līdz 14) un molāro jonu stiprumu (no 0 līdz 2).
4. Nolasiet aprēķināto šķīdību mg/ml un tās kategoriju. Josla zem rezultāta parāda vērtību skalā no 0 līdz 100 mg/ml un pilnībā aizpildās pie 100 mg/ml vai lielākas vērtības.

Kas ietekmē olbaltumvielu šķīdību

pH un izoelektriskais punkts. Katrai olbaltumvielai ir izoelektriskais punkts — pH, pie kura tās virsmai nav kopējā elektriskā lādiņa. Šajā pH olbaltumvielu molekulas viena otru neatgrūž, tādēļ tās vieglāk salīp un izkrīt no šķīduma. Mainot pH prom no izoelektriskā punkta jebkurā virzienā, olbaltumviela iegūst kopējo lādiņu. Lādētas molekulas viena otru atgrūž, tādējādi tās paliek atdalītas un izšķīdušas.

Jonu stiprums. Izšķīduši sāls joni apņem olbaltumvielas lādētās virsmas grupas. Zemā vai vidējā koncentrācijā šie joni ekranē lādiņus, kas citādi pievilktu kopā divas olbaltumvielu molekulas, tādējādi palielinot šķīdību. To sauc par izsālīšanu šķīdumā. Pie lielas sāls koncentrācijas joni konkurē ar olbaltumvielu par ūdens molekulām, noņemot ūdens slāni, kas uztur olbaltumvielu izšķīdušu. To sauc par izsālīšanu no šķīduma, un šī parādība ir pamatā izplatītai attīrīšanas metodei, kurā olbaltumvielu izgulsnēšanai no maisījuma izmanto amonija sulfātu.

Temperatūra. Šķīduma sildīšana parasti palielina šķīdību līdz noteiktam punktam. Kad temperatūra tuvojas olbaltumvielas kušanas temperatūrai, olbaltumviela sāk atlocīties. Atlocīšanās atsedz hidrofobas (ūdeni atgrūdošas) olbaltumvielas daļas, kas parasti ir paslēptas tās salocītajā struktūrā. Šīs atsegtās daļas pieķeras cita citai, izraisot agregāciju, tādēļ šķīdība kušanas temperatūras tuvumā un virs tās strauji samazinās.

Šķīdinātājs. Šķīdinātāja dielektriskā caurlaidība raksturo, cik efektīvi tas vājina elektrisko pievilkšanos starp lādētām daļiņām. Ūdenim ir augsta dielektriskā caurlaidība, un tas labi atdala lādiņus, tādēļ lielākā daļa olbaltumvielu ūdenī šķīst labāk nekā organiskajos šķīdinātājos, piemēram, etanolā vai acetonā. Šķīdinātāji ar zemu dielektrisko caurlaidību ļauj pretējiem lādiņiem uz dažādām olbaltumvielu molekulām pievilkties spēcīgāk, veicinot agregāciju.

Ierobežojumi

Kalkulators izmanto vienkāršotu modeli, kas balstīts uz nelielu atsauces olbaltumvielu un standarta šķīdinātāju kopu. Tas neņem vērā olbaltumvielas tīrību, piedevas, piemēram, mazgāšanas līdzekļus vai stabilizatorus, kā arī neparastus buferšķīduma komponentus. Rezultāti ir aplēses eksperimentu plānošanai, nevis aizstājējs šķīdības tiešai mērīšanai laboratorijā.

Biežāk uzdotie jautājumi

Kas ir olbaltumvielu šķīdība? Olbaltumvielu šķīdība ir maksimālā olbaltumvielas koncentrācija, kas šķīdinātājā paliek pilnībā izšķīdusi, neveidojot redzamus agregātus vai nogulsnes.

Kāpēc olbaltumviela izoelektriskajā punktā šķīst vismazāk? Izoelektriskajā punktā olbaltumvielai nav kopējā elektriskā lādiņa, tādēļ olbaltumvielu molekulas vairs elektriski viena otru neatgrūž. Bez šīs atgrūšanās tām ir lielāka iespēja salipt un izkrist no šķīduma.

Kāda ir atšķirība starp izsālīšanu šķīdumā un izsālīšanu no šķīduma? Izsālīšana šķīdumā notiek pie zemas sāls koncentrācijas, kad izšķīdušie joni ekranē olbaltumvielas lādētās grupas citu no citas un palielina šķīdību. Izsālīšana no šķīduma notiek pie lielas sāls koncentrācijas, kad joni noņem ūdeni no olbaltumvielas virsmas un samazina šķīdību.

Vai augstāka temperatūra vienmēr palielina šķīdību? Nē. Šķīdībai ir tendence palielināties līdz ar temperatūru tikai līdz noteiktam punktam. Kad temperatūra tuvojas olbaltumvielas kušanas temperatūrai, olbaltumviela sāk atlocīties, kas parasti izraisa agregāciju un strauju šķīdības samazināšanos.

Kāpēc olbaltumvielas etanolā vai acetonā šķīst sliktāk nekā ūdenī? Ūdenim ir augsta dielektriskā caurlaidība, kas nozīmē, ka tas ļoti efektīvi vājina elektrisko pievilkšanos starp olbaltumvielu molekulu lādētajām daļām. Etanolam un acetonam ir zemāka dielektriskā caurlaidība, tādēļ lādētās grupas uz dažādām olbaltumvielu molekulām šajos šķīdinātājos pievelkas spēcīgāk, palielinot agregācijas iespējamību.

Cik precīzs ir šis kalkulators? Tas sniedz aplēsi, kas balstīta uz fizikālu modeli un nelielu atsauces olbaltumvielu un šķīdinātāju kopu. Tas ir noderīgs testējamo apstākļu loka sašaurināšanai, bet šķīdību konkrētam olbaltumvielas paraugam var apstiprināt tikai eksperimentāls mērījums.

Papildu literatūra

• Arakawa, T., & Timasheff, S. N. (1984). Olbaltumvielu izsālīšanas šķīdumā un no šķīduma mehānisms ar divvērtīgo katjonu sāļiem. Biochemistry, 23(25), 5912–5923.
• Trevino, S. R., Scholtz, J. M., & Pace, C. N. (2008). Olbaltumvielu šķīdības mērīšana un palielināšana. Journal of Pharmaceutical Sciences, 97(10), 4155–4166.
• Cohn, E. J., & Edsall, J. T. (1943). Olbaltumvielas, aminoskābes un peptīdi kā joni un dipolāri joni. Reinhold Publishing.