La précipitation des protéines est une méthode utilisée pour extraire et purifier les protéines contenues dans une solution. Grandes molécules complexes, les protéines ont généralement des parties qui ont une charge électrique négative et des parties qui ont une charge positive, ainsi que des parties hydrophiles et hydrophobes. Les protéines en solution ont tendance à s’agglomérer et à précipiter en raison de l’attraction entre les parties chargées négativement et positivement des molécules et de l’attraction mutuelle des parties hydrophobes. Cependant, contrecarrer cette tendance est le fait que dans une solution aqueuse, les molécules d’eau, qui sont polaires, auront tendance à s’organiser autour des molécules de protéines en raison de l’attraction électrostatique entre les parties de charges opposées des molécules d’eau et de protéines. Il en résulte que les molécules de protéines sont maintenues séparées et restent en solution, mais il existe diverses méthodes pour réaliser la précipitation des protéines.
La méthode de précipitation des protéines la plus couramment utilisée consiste à ajouter une solution d’un sel, une technique souvent appelée relargage. Le sel le plus fréquemment utilisé est le sulfate d’ammonium. L’interaction des ions sels avec les molécules d’eau supprime la barrière d’eau entre les molécules de protéines, permettant aux parties hydrophobes de la protéine d’entrer en contact. Il en résulte que les molécules de protéines s’agrègent ensemble et précipitent hors de la solution. En règle générale, plus le poids moléculaire de la protéine est élevé, plus la concentration en sel nécessaire pour provoquer la précipitation est faible, il est donc possible de séparer un mélange de différentes protéines en solution en augmentant progressivement la concentration en sel, de sorte que différentes protéines précipitent à différentes étapes, un processus connu sous le nom de précipitation fractionnée.
La solubilité d’une protéine dans un milieu aqueux peut être réduite en introduisant un solvant organique. Ceci a pour effet de réduire la constante diélectrique, qui dans ce contexte peut être considérée comme une mesure de la polarité d’un solvant. Une réduction de la polarité signifie que les molécules de solvant ont moins tendance à se regrouper autour de celles de la protéine, de sorte qu’il y a moins de barrière d’eau entre les molécules de protéine et une plus grande tendance à la précipitation des protéines. De nombreux solvants organiques interagissent avec les parties hydrophobes des molécules de protéines, provoquant une dénaturation ; cependant, certains, tels que l’éthanol et le diméthylsulfoxyde (DMSO), ne le font pas.
Bien que les protéines puissent avoir des parties chargées négativement et positivement, souvent, en solution, elles auront une charge globale positive ou négative qui varie en fonction du pH et les maintient séparées par répulsion électrostatique. Dans des conditions acides, avec un pH bas, les protéines ont tendance à avoir une charge globale positive, tandis qu’à pH élevé, la charge est négative. Les protéines ont un point intermédiaire auquel il n’y a pas de charge globale – c’est ce qu’on appelle le point isoélectrique et pour la plupart des protéines, il se situe dans la plage de pH 4-6. Le point isoélectrique d’une protéine dissoute peut être atteint en ajoutant un acide, généralement de l’acide chlorhydrique ou sulfurique, pour réduire le pH au niveau approprié, permettant le regroupement et la précipitation des molécules de protéine. Un inconvénient de cette méthode est que les acides ont tendance à dénaturer la protéine, mais elle est souvent utilisée pour éliminer les protéines indésirables.
D’autres méthodes de précipitation de protéines comprennent des polymères hydrophiles non ioniques et des ions métalliques. Les premiers réduisent la quantité d’eau disponible pour former une barrière entre les molécules de protéines, leur permettant de s’agglomérer et de précipiter. Les ions métalliques chargés positivement peuvent se lier aux parties chargées négativement de la molécule de protéine, réduisant la tendance de la protéine à attirer une couche de molécules d’eau autour d’elle, permettant à nouveau aux molécules de protéine d’interagir les unes avec les autres et de précipiter hors de la solution. Les ions métalliques sont efficaces même dans des solutions très diluées.