Interplay of pH and Binding of Multivalent Metal Ions: Charge Inversion and Reentrant Condensation in Protein Solutions

反离子 化学 金属 化学物理 离子 反离子冷凝 球状蛋白 表面电荷 水溶液中的金属离子 冷凝 电荷密度 水解 无机化学 盐(化学) 结晶学 物理化学 有机化学 热力学 物理 量子力学
作者
Felix Roosen‐Runge,Benjamin S. Heck,Fajun Zhang,Oliver Kohlbacher,Frank Schreiber
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:117 (18): 5777-5787 被引量:129
标识
DOI:10.1021/jp401874t
摘要

Tuning of protein surface charge is a fundamental mechanism in biological systems. Protein charge is regulated in a physiological context by pH and interaction with counterions. We report on charge inversion and the related reentrant condensation in solutions of globular proteins with different multivalent metal cations. In particular, we focus on the changes in phase behavior and charge regulation due to pH effects caused by hydrolysis of metal ions. For several proteins and metal salts, charge inversion as measured by electrophoretic light scattering is found to be a universal phenomenon, the extent of which is dependent on the specific protein-salt combination. Reentrant phase diagrams show a much narrower phase-separated regime for acidic salts such as AlCl3 and FeCl3 compared to neutral salts such as YCl3 or LaCl3. The differences between acidic and neutral salts can be explained by the interplay of pH effects and binding of the multivalent counterions. The experimental findings are reproduced with good agreement by an analytical model for protein charging taking into account ion condensation, metal ion hydrolysis, and interaction with charged amino acid side chains on the protein surface. Finally, the relationship of charge inversion and reentrant condensation is discussed, suggesting that pH variation in combination with multivalent cations provides control over both attractive and repulsive interactions between proteins.
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