蛋白质溶解性计算器 - 免费pH和温度工具

蛋白质溶解度计算器可估算在给定 pH、温度和离子强度下，蛋白质在溶剂中保持溶解的最高浓度。它将基础化学计算转换为一个数值，即每毫升溶剂中蛋白质的毫克数。

蛋白质溶解度在生物化学、药物制剂和食品科学中都很重要。无法保持溶解的蛋白质会形成聚集体或沉淀，从而可能破坏实验，或使药物无法注射。

如何计算蛋白质溶解度

溶解度取决于五个因素：蛋白质的等电点（其净电荷为零时的 pH）、熔点（开始解折叠时的温度）、溶剂的介电常数（衡量其分离带电粒子能力的指标）、溶液的 pH，以及离子强度（衡量溶液中溶解盐含量的指标）。

计算器以每种蛋白质在一组参考条件下于水中的已知溶解度为起点：25 °C、pH 7.0，以及离子强度 0.15 M（大致相当于血液中的盐水平）。随后，它将该参考值乘以四个比值，每个比值对应一个发生变化的条件。

蛋白质溶解度公式

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

• $S_{ref}$ 表示蛋白质在参考条件下于水中的已知溶解度，单位为 mg/mL。
• $f_{pH}(pH) = 1 + 9\left(1 - e^{-|pH - pI|}\right)$，其中 $pI$ 为蛋白质的等电点。等电点处的溶解度最低；随着 pH 偏离等电点，溶解度升高，并在偏离几个 pH 单位后趋于平稳。
• $f_{ionic}(I) = 10^{\left(\frac{0.8\sqrt{I}}{1 + 1.5\sqrt{I}} - I\right)}$，其中 $I$ 为以摩尔/升表示的离子强度。在低盐浓度下，该项会略微提高溶解度（盐溶效应）。在高盐浓度下，它会降低溶解度（盐析效应）。
• $f_{temp}(T) = e^{0.01(T-25)} \times \dfrac{1}{1 + e^{(T - T_m)/3}}$，其中 $T_m$ 为蛋白质的熔点，单位为 °C。溶解度会随温度缓慢升高；当温度接近 $T_m$ 且蛋白质开始解折叠后，溶解度会急剧下降。
• $f_{solvent}(\varepsilon) = 10^{-2000\left(\frac{1}{\varepsilon^2} - \frac{1}{78.4^2}\right)}$，其中 $\varepsilon$ 为溶剂的介电常数。水的介电常数为 78.4，因此该项在水中等于 1。与水相比电荷分离能力较弱的溶剂（如乙醇）会降低溶解度。

计算器使用的参考值

溶解度类别

示例：磷酸盐缓冲液中的白蛋白

求 25 °C、pH 7.4、离子强度 0.15 M 条件下白蛋白在磷酸盐缓冲液中的溶解度。

白蛋白的参考值为 $pI = 4.7$、$S_{ref} = 500$ mg/mL 和 $T_m = 63°C$。磷酸盐缓冲液的介电常数为 76.0。

1. pH 项：$f_{pH}(7.4) = 1 + 9(1 - e^{-2.7}) = 9.3952$。$f_{pH}(7.0) = 1 + 9(1 - e^{-2.3}) = 9.0977$。比值：$9.3952 / 9.0977 = 1.0327$。
2. 离子项：离子强度（0.15 M）等于参考值，因此比值为 1。
3. 温度项：温度（25 °C）等于参考值，因此比值为 1。
4. 溶剂项：$f_{solvent}(76.0) = 10^{-2000(1/76.0^2 - 1/78.4^2)} = 0.9531$。

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

计算器给出的结果为 492.12 mg/mL，属于“高度可溶”类别。

示例：低温下甘油中的溶菌酶

求 4 °C、pH 5.0、离子强度 0.1 M 条件下溶菌酶在甘油溶液中的溶解度。这些条件类似于酶的低温储存条件。

溶菌酶的参考值为 $pI = 11.35$、$S_{ref} = 250$ mg/mL 和 $T_m = 72°C$。甘油的介电常数为 42.5。

1. pH 项：pH 从 7.0 变为 5.0 时（两者都远低于 11.35 的等电点），pH 项仅略有变化。比值：$9.9843 / 9.8838 = 1.0102$。
2. 离子项：离子强度从 0.15 M 降至 0.1 M，通过盐溶效应使溶解度略微提高。比值：$1.1793 / 1.1117 = 1.0607$。
3. 温度项：从 25 °C 冷却至远低于熔点的 4 °C 会使该项降低。比值：US$0.8106。
4. 溶剂项：$f_{solvent}(42.5) = 10^{-2000(1/42.5^2 - 1/78.4^2)} = 0.1652$。

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

计算器给出的结果为 35.88 mg/mL，属于“可溶”类别。使结果从参考值下降的原因是甘油的低介电常数，而不是低温。

如何使用蛋白质溶解度计算器

1. 从列表中选择一种蛋白质：白蛋白、胰岛素、溶菌酶、血红蛋白、肌红蛋白、胶原蛋白、酪蛋白或纤维蛋白原。
2. 选择一种溶剂：水、磷酸盐缓冲液、Tris 缓冲液、甘油、DMSO、甲醇、乙醇或丙酮。
3. 输入温度（单位为 °C，范围为 0 至 100）、pH（范围为 0 至 14）以及以摩尔浓度表示的离子强度（范围为 0 至 2）。
4. 读取以 mg/mL 表示的计算溶解度及其类别。结果下方有一条指示条，在 0 至 100 mg/mL 的刻度上显示该数值，达到 100 mg/mL 或更高时会完全填满。

影响蛋白质溶解度的因素

pH 和等电点。 每种蛋白质都有一个等电点，即其表面不带净电荷时的 pH。在该 pH 下，蛋白质分子之间不会相互排斥，因此更容易聚集并从溶液中析出。无论向哪个方向使 pH 偏离等电点，都会使蛋白质带上净电荷。带电分子相互排斥，使其彼此分开并保持溶解。

离子强度。 溶解的盐离子会包围蛋白质表面的带电基团。在低到中等浓度下，这些离子会屏蔽原本会吸引两个蛋白质分子相互靠近的电荷，从而提高溶解度。这称为盐溶效应。在高盐浓度下，离子会与蛋白质争夺水分子，剥去维持蛋白质溶解状态的水化层。这称为盐析效应，也是利用硫酸铵使蛋白质从混合物中沉淀出来这一常用纯化方法的基础。

温度。 加热溶液通常会提高溶解度，但只在一定范围内如此。当温度接近蛋白质的熔点时，蛋白质开始解折叠。解折叠会暴露蛋白质中通常隐藏在折叠结构内部的疏水部分（排斥水的部分）。这些暴露部分会相互黏附并导致聚集，因此在熔点附近及以上，溶解度会急剧下降。

溶剂。 溶剂的介电常数衡量其削弱带电粒子之间静电吸引力的能力。水具有较高的介电常数，能够很好地分离电荷，因此大多数蛋白质在水中的溶解度高于在乙醇或丙酮等有机溶剂中的溶解度。低介电常数的溶剂会使不同蛋白质分子上的相反电荷相互吸引得更强，从而促进聚集。

局限性

该计算器采用基于少量参考蛋白质和标准溶剂的简化模型。它不考虑蛋白质纯度、去垢剂或稳定剂等添加剂，也不考虑特殊的缓冲液成分。结果仅用于规划实验的估算，不能替代在实验室中直接测量溶解度。

常见问题

什么是蛋白质溶解度？ 蛋白质溶解度是指蛋白质在溶剂中保持完全溶解、且不形成可见聚集体或沉淀时的最高浓度。

为什么蛋白质在等电点处的溶解度最低？ 在等电点处，蛋白质不带净电荷，因此蛋白质分子之间不再发生静电排斥。没有这种排斥力，它们更容易相互黏附并从溶液中析出。

盐溶和盐析有什么区别？ 盐溶发生在低盐浓度下，此时溶解的离子会屏蔽蛋白质带电基团之间的相互作用，从而提高溶解度。盐析发生在高盐浓度下，此时离子会从蛋白质表面夺走水分，导致溶解度降低。

温度越高，溶解度总是越高吗？ 不是。溶解度通常只会在一定范围内随温度升高而增加。当温度接近蛋白质的熔点时，蛋白质开始解折叠，通常会导致聚集，溶解度也会急剧下降。

为什么蛋白质在乙醇或丙酮中的溶解度低于在水中的溶解度？ 水的介电常数较高，能够非常有效地削弱蛋白质分子带电部分之间的静电吸引力。乙醇和丙酮的介电常数较低，因此在这些溶剂中，不同蛋白质分子上的带电基团会更强烈地相互吸引，更容易发生聚集。

该计算器的准确度如何？ 它基于物理模型以及少量参考蛋白质和溶剂给出估算值。它有助于缩小待测试条件的范围，但实验测量仍是确认特定蛋白质样品溶解度的唯一方法。

延伸阅读

• 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。