La precipitazione delle proteine è un metodo utilizzato per estrarre e purificare le proteine contenute in una soluzione. Molecole grandi e complesse, le proteine hanno generalmente parti che hanno una carica elettrica negativa e parti che hanno una carica positiva, così come parti idrofile e idrofobe. C’è una tendenza per le proteine in soluzione ad aggregarsi e precipitare a causa dell’attrazione tra le parti caricate negativamente e positivamente delle molecole e l’attrazione reciproca delle parti idrofobiche. A contrastare questa tendenza, tuttavia, è il fatto che in una soluzione acquosa le molecole d’acqua, che sono polari, tenderanno a disporsi attorno alle molecole proteiche a causa dell’attrazione elettrostatica tra parti dell’acqua di carica opposta e molecole proteiche. Ciò fa sì che le molecole proteiche vengano mantenute separate e rimangano in soluzione, ma esistono vari metodi per ottenere la precipitazione delle proteine.
Il metodo più comunemente usato per la precipitazione delle proteine consiste nell’aggiungere una soluzione di un sale, una tecnica spesso definita “salatura”. Il sale più utilizzato è il solfato di ammonio. L’interazione degli ioni del sale con le molecole d’acqua rimuove la barriera d’acqua tra le molecole proteiche, consentendo alle parti idrofobe della proteina di entrare in contatto. Ciò si traduce nelle molecole proteiche che si aggregano insieme e precipitano fuori dalla soluzione. Come regola generale, maggiore è il peso molecolare della proteina, minore è la concentrazione di sale necessaria per provocare la precipitazione, quindi è possibile separare una miscela di proteine diverse in soluzione aumentando gradualmente la concentrazione di sale, in modo che proteine diverse precipitano in fasi diverse, un processo noto come precipitazione frazionata.
La solubilità di una proteina in un mezzo acquoso può essere ridotta introducendo un solvente organico. Ciò ha l’effetto di ridurre la costante dielettrica, che in questo contesto può essere considerata una misura della polarità di un solvente. Una riduzione della polarità significa che c’è una minore tendenza delle molecole di solvente a raggrupparsi attorno a quelle della proteina, così che c’è meno barriera d’acqua tra le molecole di proteine e una maggiore tendenza alla precipitazione delle proteine. Molti solventi organici interagiscono con le parti idrofobe delle molecole proteiche, provocandone la denaturazione; tuttavia, alcuni, come l’etanolo e il dimetilsolfossido (DMSO), non lo fanno.
Sebbene le proteine possano avere parti caricate negativamente e positivamente, spesso, in soluzione, avranno una carica complessiva positiva o negativa che varia in base al pH, e le manterrà separate per repulsione elettrostatica. In condizioni acide, con un pH basso, le proteine tendono ad avere una carica complessivamente positiva, mentre a pH alto, la carica è negativa. Le proteine hanno un punto intermedio in cui non c’è carica complessiva: questo è noto come punto isoelettrico e per la maggior parte delle proteine si trova nell’intervallo di pH 4-6. Il punto isoelettrico per una proteina disciolta può essere raggiunto aggiungendo un acido, solitamente acido cloridrico o solforico, per ridurre il pH al livello appropriato, consentendo il raggruppamento e la precipitazione delle molecole proteiche. Uno svantaggio di questo metodo è che gli acidi tendono a denaturare la proteina, ma è spesso usato per rimuovere le proteine indesiderate.
Altri metodi di precipitazione delle proteine includono polimeri idrofili non ionici e ioni metallici. I primi riducono la quantità di acqua disponibile per formare una barriera tra le molecole proteiche, consentendo loro di aggregarsi e precipitare. Gli ioni metallici caricati positivamente possono legarsi con parti caricate negativamente della molecola proteica, riducendo la tendenza della proteina ad attirare uno strato di molecole d’acqua attorno ad essa, consentendo nuovamente alle molecole proteiche di interagire tra loro e precipitare fuori dalla soluzione. Gli ioni metallici sono efficaci anche in soluzioni molto diluite.