La serie de Hofmeister o serie liotrópica es una clasificación de iones en orden de sus propiedades liotróficas , que es la capacidad de salar o de formar sales en las proteínas. [1] [2] Los efectos de estos cambios fueron elaborados por primera vez por Franz Hofmeister , quien estudió los efectos de los cationes y aniones en la solubilidad de las proteínas . [3]
Los iones altamente cargados interactúan fuertemente con el agua, rompiendo enlaces de hidrógeno e induciendo una estructuración electrostática del agua cercana, [4] y por eso se les llama "creadores de estructura" o " cosmotropos ". [5] Por el contrario, los iones débiles pueden alterar la estructura del agua, y por eso se les llama "rompedores de estructura" o " caotropos ". [5] El orden de la tendencia de los iones a crear o destruir la estructura del agua es la base de la serie de Hofmeister.
Hofmeister descubrió una serie de sales que tienen efectos consistentes sobre la solubilidad de las proteínas y, como se descubrió más tarde, sobre la estabilidad de sus estructuras secundarias y terciarias . Los aniones parecen tener un efecto mayor que los cationes , [6] y suelen ordenarse de la siguiente manera: [5]
Esta es una lista parcial, ya que se han estudiado muchas más sales.
El orden de los cationes suele indicarse como: [5]
Cuando los cationes y aniones cosmotrópicos con carga opuesta están juntos en solución, se atraen entre sí, en lugar de al agua, y lo mismo puede decirse de los cationes y aniones caotrópicos. [5] Por lo tanto, las asociaciones preferenciales de iones con carga opuesta se pueden ordenar como:
La combinación de aniones cosmotrópicos con cationes cosmotrópicos reduce el efecto cosmotrópico de estos iones porque se aparean entre sí con demasiada fuerza como para estructurar el agua. [5] Los aniones cosmotrópicos no se aparean fácilmente con cationes caotrópicos. La combinación de aniones cosmotrópicos con cationes caotrópicos es la mejor combinación de iones para estabilizar las proteínas. [4]
El mecanismo de la serie de Hofmeister no está del todo claro, pero no parece resultar de cambios en la estructura general del agua, sino que pueden ser más importantes interacciones más específicas entre iones y proteínas y entre iones y moléculas de agua que entran en contacto directo con las proteínas. [7] Los estudios de simulación han demostrado que la variación en la energía de solvatación entre los iones y las moléculas de agua circundantes subyace al mecanismo de la serie de Hofmeister. [8] [9] Una investigación química cuántica sugiere un origen electrostático para la serie de Hofmeister. [10] Este trabajo proporciona densidades de carga radial centradas en el sitio de los átomos interactuantes de los iones (para aproximarse a la energía potencial electrostática de interacción), y estas parecen correlacionarse cuantitativamente con muchas series de Hofmeister informadas para propiedades de electrolitos, velocidades de reacción y estabilidad macromolecular (como la solubilidad de polímeros y las actividades de virus y enzimas).
Los primeros miembros de la serie aumentan la tensión superficial del disolvente y disminuyen la solubilidad de las moléculas no polares (" salación hacia afuera "); en efecto, fortalecen la interacción hidrofóbica . Por el contrario, las sales posteriores en la serie aumentan la solubilidad de las moléculas no polares (" salación hacia adentro ") y disminuyen el orden en agua; en efecto, debilitan el efecto hidrofóbico . [11] [12]
El efecto de "salación" se explota comúnmente en la purificación de proteínas mediante el uso de precipitación con sulfato de amonio . [13] Sin embargo, estas sales también interactúan directamente con las proteínas (que están cargadas y tienen fuertes momentos dipolares) e incluso pueden unirse específicamente (por ejemplo, la unión de fosfato y sulfato a la ribonucleasa A ).
Los iones que tienen un fuerte efecto de "salación", como el I − y el SCN −, son desnaturalizantes potentes, porque se salan en el grupo peptídico y, por lo tanto, interactúan mucho más fuertemente con la forma desplegada de una proteína que con su forma nativa. En consecuencia, desplazan el equilibrio químico de la reacción de desplegamiento hacia la proteína desplegada. [14]
La desnaturalización de proteínas por una solución acuosa que contiene muchos tipos de iones es más complicada ya que todos los iones pueden actuar, de acuerdo con su actividad de Hofmeister, es decir, un número fraccionario que especifica la posición del ion en la serie (dada anteriormente) en términos de su eficiencia relativa en la desnaturalización de una proteína de referencia.
En altas concentraciones de sal, la agregación de proteínas de lisozima obedece a la serie de Hofmeister observada originalmente por Hofmeister en la década de 1870, pero en bajas concentraciones de sal , las interacciones electrostáticas en lugar de las fuerzas de dispersión de iones afectan la estabilidad de la proteína, lo que da como resultado que la serie se invierta. [15] [5] Sin embargo, en altas concentraciones de sal, la solubilidad de las proteínas cae bruscamente y las proteínas pueden precipitarse, lo que se conoce como " salificación ". [16]
La unión de iones a los grupos superficiales carbolílicos de las macromoléculas puede seguir la serie de Hofmeister o la serie de Hofmeister inversa dependiendo del pH . [17]
El concepto de ionicidad de Hofmeister I h ha sido invocado por Dharma-wardana et al. [18], donde se propone definir I h como una suma sobre todas las especies iónicas, del producto de la concentración iónica (fracción molar) y un número fraccionario que especifica la "fuerza de Hofmeister" del ion en la desnaturalización de una proteína de referencia dada. El concepto de ionicidad (como una medida de la fuerza de Hofmeister) utilizado aquí tiene que distinguirse de la fuerza iónica tal como se utiliza en electroquímica, y también de su uso en la teoría de semiconductores sólidos. [19]
La estabilidad de la unión de iones metálicos a proteínas , que afecta las propiedades de las proteínas que contienen cofactores metálicos en solución , se refleja en la serie de Irving-Williams . [20]
