Salting out: effetto idrofobico, serie di Hofmeister

Il salting out è basato sull’interazione tra un elettrolita e un non elettrolita in cui il non elettrolita può risultare essere meno solubile ad alta concentrazione di sali ovvero in soluzioni ad alta forza ionica essendo la forza ionica I definita come:
I = ½ Σ m_iz_i²
dove m_i è la concentrazione di uno ione e zⁱ la sua carica.

La ridotta solubilità di determinate molecole, come ad esempio le proteine, in soluzioni ad alta forza ionica può essere utilizzata come metodo di purificazione: l’effetto del salting out, infatti, produce la precipitazione di macromolecole biologiche come appunto le proteine. A seconda del sale usato e della sua concentrazione si può ipotizzare una precipitazione selettiva, tuttavia l’effetto del salting out costituisce solo una purificazione iniziale  in quanto non è selettivo per una singola proteina.

La conformazione di macromolecole biologiche quali le proteine è controllata dalle interazioni tra gruppi idrofobi e gruppi idrofili. Essi  giocano un ruolo fondamentale per la loro struttura e per la loro stabilità della proteina.

Effetto idrofobico e salting out

Nell’ambito di tali interazioni risulta particolarmente interessante l’effetto idrofobico che è considerato responsabile del folding delle proteine globulari in cui i residui con catene laterali idrofobiche si ripiegano verso l’interno della proteina lasciando esposti al solvente in superficie residui polari. Nel caso delle proteine gli amminoacidi cariche fanno sì che avvenga il salting out.

Gli amminoacidi carichi e polari come glutammato, lisina e tirosina si contornano di molecole di acqua e in soluzioni ad elevata forza ionica le molecole di acqua circondano sia gli ioni che le proteine. A una determinata forza ionica le molecole di acqua non sono più in grado di supportare sia gli ioni che le proteine. Si ha la conseguente precipitazione del soluto meno solubile ovvero delle proteine o di macromolecole organiche.

L’effetto del salting out viene quindi sfruttato per separare classi di proteine che abbiano, ad esempio, differenze di grandezza e carica.
Una metodologia per controllare la precipitazione consiste nell’utilizzare determinati elettroliti a certe concentrazioni. La capacità di un sale di indurre una precipitazione selettiva dipende infatti dalle interazioni tra il soluto e il solvente.

Serie di Hofmeister

Il chimico Franz Hofmeister, pioniere nello studio delle proteine e sui sali che ne influenzano la solubilità e la stabilità conformazionale, scoprì una serie di sali che mostrano effetti sulla solubilità e sulla struttura secondaria e terziaria delle proteine.  L’ordine dei cationi e degli anioni a provocare l’effetto del salting out va sotto il nome di serie di Hofmeister.

I cationi mostrano l’andamento seguente a provocare il salting out:
NH₄⁺ > K⁺ > Na⁺ > Li⁺ > Mg²⁺ > Ca²⁺

Mentre l’ordine in cui si trovano gli anioni è:
F^– ≈ SO₄^2- > HPO₄^2- > CH₃COO^– > Cl^– > NO₃^– > Br^– > ClO₃^– > I^– > ClO₄^– > SCN^–

Gli anioni, più che i cationi, mostrano il maggiore effetto sulla precipitazione delle proteine; uno dei sali maggiormente usato è il solfato di ammonio (NH₄)₂SO₄ in cui sia lo ione ammonio che lo ione solfato compaiono al primo posto nella serie di Hofmeister.

I primi membri della serie aumentano la tensione superficiale del solvente e diminuiscono la solubilità delle molecole apolari.
Gli elettroliti tuttavia interagiscono in modo diretto con le proteine e possono provocare effetti denaturanti come avviene ad esempio con lo ioduro e il tiocianato.