ترسيب بروتيني

ان انحلالية البروتين في الحواجز المائية تعتمد على توزيع المواد الرطبة(المائية) وبقايا حوامض امينية هيدروفوبية على سطح البروتين. تحدث البقايا الهيدروفوبية غالبا في نواة البروتين الكروي لكن بعضها تتواجد في جزء صغير على السطح. البروتينات التي تحتوي على أحماض أمينية هيدروفوبية عالية على السطح لها قابلية ذوبان منخفضة في المذيبات المائية.بحيث ان البقايا المشحونة والقطبية الموجودة على السطح تتفاعل مع المجموعات الايونية في المذيب وتؤدي إلى زيادة قابلية للذوبان.ان معرفة تكوين الأحماض الامينية للبروتين تساعد في تحديد طريقة مثالية لترسيب المذيب.

تتشكل الشحنات الكهروستاتيكية عندما يتعلق البروتين بحل كهرلي. هذه الشحنات المتنافرة بين البروتينات تمنع التجمع وتسهل الذوبان. الايون المذيب يهاجر نحو البقايا الموجودة على سطح البروتين مشكلا مصفوفة جامدة لهذا الايون تعلق على سطح البروتين.فطبقة الإذابة المجاورة والتي تكون اقل جمودا تتألف من لمحة متناقصة لتركيزهذا الايون بمقابل زيادة لتركيز الايونات المشتركة.في الواقع ان احتمالة دخول البروتين في التفاعلات الايونية بعضها البعض ستنخفض.والبروتينات اقل عرضة عرضة لتتشكل ضمن مجموعات فجزيئات الماء لها اثر مماثل حيث ان الماء يشكل طبقة اذابة حول رواسب السطح المائي للبروتين والماء يوجد الانحدار نحو تركيز البروتين وفقا لأعلى تركيز على سطح البروتين وشبكة المياه هذه لها تأثير التثبيط على قوة التجاذب بين البروتينات.

• 
  Ionic Solvation Layer
• 
  Hydration Layer

قوة النتافر أو التجاذب موجودة بين البروتينات من خلال استمراية وحث ثنائيات الأقطاب. على سبيل المثال الرواسب الأساسية الموجودة على البروتين يمكن ان يكون لها تفاعلا كهروستيكيا مع الرواسب الحمضية على بروتين اخر. مع ذلك فان ذوبان الايونات في محلول كهرلي أو في الماء يؤدي إلى انخفاض قوة الجذب لدى البروتينات ويمكن تعزيز تراكم البروتين والترسيب من خلال خفض طبقة الماء حول البروتين.ان الغرض من إضافة الكواشف إلى عملية ترسيب البروتين هو الحد من طبقة المياه.

• 
  Hydration Layer

يحدث تشكل رواسب البروتين في عملية متدرجة. فإضافة عامل الترسيب والخلط المطرد يزعزعان المحلول البروتيني. حيث ان الخلط يؤدي إلى ان تتعارض المادة المترسبة مع المنتج المقصود. فعملية خلط الجزيئات تحتاج إلى وقت كاف لكي توزع الجزيئات عبر الدوامات المائعة.خلال مرحلة التنوي التالية يتم إنشاء جزيئات ذات الحجم غيرالمرئي بالمجهر ونمو هذه الجسيمات يتم تحت سيطرة الانتشار البراوني.ثم تتنامى الجسيمات لتصل إلى حجم (0.1 ميكروميتر إلى 10 ميكروميتر للحقول العالية والمنخفضة على التوالي). ومع إضافة ناشر من جزيئات البروتين الفردية تستمر في النمو عن طريق الاصطدام مع بعضها أو عن طريق الالتصاق والتلبد.وهذه المرحلة تحدث بشكل أبطأ. خلال الخطوة النهائية تشيخ الجزيئات في حقل القص، ورواسب الجزيئات تتصادم وتلتصق. حتى يتم التوصل إلى استقرار متوسط حجم الجسيمات والتي تعتمد على البروتينات الفردية. القوة الميكانيكية لجزيئات البروتين ترتبط مع المنتج بمعدل متوسط خلال وقت الشيخوخة والذي يعرف بعدد كامب. الشيخوخة تساعد الجزيئات على مقاومة قوى القص المتصادمة في المضخات ومناطق تغذية أجهزة الطرد المركزي دون تخفيض الحجم.

ان التمليح الخارجي هو الأسلوب الأكثر انتشارا لترسيب البروتين الهدف. فإضافة الملح المحايد مثل كبريتات الأمونيوم يعمل على ضغط طبقة الانذياب ويزيد من التفاعلات البروتينية.كما يتم زيادة تركيزالمحلول الملحي لتصبح كتلة المياه مرتبطة أكثر مع الايونات ونتيجة لذلك فان كميات المياه المتاحة للمشاركة في طبقة الانذياب البروتيني تكون قليلة.فقد يظهر البروتين التفاعلات الهايدروفوبية والمحلول المترسب بشكل كلي.

ان النقطة الكهرساوية (pI) هي الرقم الهيدروجيني للذوبان عندما تصبح الشحنة الأولية الصافية للبروتين صفرا. المحلول الهيدروجيني المذكور اعلاه على سطح البروتين هو في الغالب سلبي الشحنة وبالتالي الجزيئات المشحونة ستظهر القوى المتنافرة.وبالمثل في المحلول الهيدروجيني المذكور تحت (pI) فالسطح البروتيني في الغالب يكون ايجابي الشحنة ومن ثم يحدث تنافر بين البروتينات ومع ذلك في (pI) تلتغي الشحنات السالبة والموجبة ويتم خفض القوى الكهربائية المتنافرة وتسود قوى التشتت. حيث تؤدي القوى المشتتة إلى التجمع والترسيب. ان ال (pI) لمعظم البروتينات في نطاق درجة 4-6. تستخدم الأحماض المعدنية مثل حمض الهيدروكلوريك وحمض الكبريتيك كمرسبات. ان أكبر اضرار نقطة الترسيب الكهرساوي هو المسخ النهائي المسبب بواسطة الأحماض المعدنية.لهذا السبب غالبا ما يتم استخدام نقطة الترسيب الكهرساوي لترسيب البروتينات الملوثة بدلا من البروتين المقصود. ان عملية ترسيب الكازين أثناء صناعة الجبن أو أثناء إنتاج كازينات الصوديوم هي عملية ترسيب كهرساوي.

ان إضافة المذيبات الممتزجة مثل الايثانول أو الميثانول إلى المحلول يمكن ان يؤدي بالبروتين ان يترسب في المحلول والطبقة المذابة الموجودة حول البروتين سوف تنخفض في المذيبات العضوية وتدريجيا تغير مكان الماء من سطح البروتين وتضعها في الطبقات الاماهه حول جزيئات المذيب العضوي. مع اصغر طبقات الاماهه يمكن للبروتين ان يجتمع عن طريق الجذب الكهربائي وقوى الاستقطاب. وأهم عامل يجب التركيز عليه هو عامل الحرارة التي ينبغي ان تكون اقل من 0 درجة مئوية لتجنب التمسخ ليتركز البروتين ودرجة الحموضة في المحلول. المذيبات العضوية القابلة للامتزاج تخفض ثابت العزل الكهربائي للماء والذي في الواقع يعمل على السماح لاثنين من البروتينات بالاقتراب من بعضها. عند نقطة الترسيب الكهرساوي تعطى العلاقة بين العزل الكهربائي الثابت وذوبان البروتين عن طريق:

${\displaystyle \log S=k/e^{2}+\log S^{0}\,}$

S⁰== قيمة استقراء لS و e ==هو ثابت العزل الكهربائي للخليط k=الثبات العائد على العزل الكهربائي للماء.

معادلة كوهن لتجزئة بروتين البلازما تعتمد على الترسيب مع مذيب الايثانول لعزل بروتينات البلازما الفردية. ان التطبيق السريري لاستخدام الميثانول كعامل لترسيب البروتين يكون في تقدير البيليروبين.

البوليمرات مثل ديكستران وغليكولٌ بولي إيِثيلين كثيرا ما تستخدم لترسيب البروتين لان قابلية الاشتعال لديها منخفضة واقل احتمالا لتغيير المواد الحيوية للترسيب الكهرساوي. هذه البوليمرات الموجودة في المحلول تجذب جزيئات الماء بعيدا عن طبقة الإذابة المتواجدة حول البروتين. وهذا يعزز من تفاعلات البروتين ويعزز الترسيب. لحالة معينة من غليكولٌ بولي إيِثيلين يمكن للترسيب ان يمثل عن طريق المعادلة التالية:

${\displaystyle \ln(S)+pS=X-aC\,}$

C== تركيز البوليمر, P = تفاعل معامل البروتين, a ==عامل تفاعل البروتينات والبوليمرات

${\displaystyle x=(\mu _{i}-\mu _{i}^{0})RT}$

μ=الجهد الكيميائي للعنصر الأول, R =ثابت الغازات العام وT=درجة الحرارة المطلقة.

يمكن ان تشكل الجينات وكَرْبُوكْسِي ميثيل سلولوز وحامض البولياكريليك وحامض التانيك والفوسفات شبكات ممتدة بين جزيئات البروتين في المحلول. ففعالية هذا المحلول الكهربائي ذو الوزن الجزيئي المرتفع تعتمد على الرقم الهيدروجيني للمحلول حيث يتم استخدام هذا المحلول الايوني بشكل اقل في القيم الهيدروجينية منها في النقطة الكهرساوية. المحلول الكهربائي ذو الوزن الجزيئي المرتفع الكاتيوني للقيم الهيدروجينية المذكورة سابقا هو pI. من المهم الإشارة إلى أن وجود فائض من محلول كهربائي ذو وزن جزيئي مرتفع يؤدي إلى حث الإذابة مرة أخرى في المحلول. مثال على تلبد هذا المحلول المذكور هو ازالة بقعة من البروتين لنبتة البيرة باستخدام الطحلب الأيرلندي.

يمكن استخدام الأملاح المعدنية ذات التركيز المنخفض لقذف انزيمات الأحماض النووية من المحاليل. وايونات المعادن متعددة التكافؤ الأكثر استعمالا هي: Ca2+, Mg2+, Mn2+ or Fe2+.

هناك العديد من المفاعلات الصناعية الصلبة يمكن استخدامها لترسيب كميات كبيرة من البروتينات مثل بوليميراز الدنا المترابط في المحلول.

• Zellner, et al. Quantitative validation of different protein precipitation methods in proteome analysis of blood platelets. ELECTROPHORESIS 2005 Jun;26(12):2481-9.
• Harrison et al., Bioseparations Science and Engineering. Oxford University Press. New York, NY 2003.
• Shuler et al., Bioprocess Engineering: Basic Concepts (2nd Edition). Prentice Hall International. 2001
• Ladisch. Bioseparations Engineering. John Wiley & Sons, Inc. New York, NY 2001.
• Lydersen. Bioprocess Engineering. John Wiley & Sons, Inc. New York, NY 1994.
• Belter, Paul A. Bioseparations: downstream processing for biotechnology. John Wiley & Sons, Inc. New York, NY 1988.

• بوابة تقانة حيوية