カオトロピック剤

カオトロピック剤は、水溶液中の分子で、水分子間の水素結合ネットワークを破壊できる（つまり、カオトロピック活性を発揮する）ものです。これは、疎水効果を弱めることにより、溶液中の他の分子、主に高分子（タンパク質、核酸）の天然状態の安定性に影響を与えます。たとえば、カオトロピック剤は、水分子によって形成されたタンパク質の構造の秩序量を、バルクと疎水性アミノ酸の周りの水和殻の両方で低下させ、タンパク質の変性を引き起こす可能性があります。

逆に、アンチカオトロピック剤（コスモトロピック）は水溶液中の分子であり、溶液内の疎水効果を高めます。^[1]硫酸アンモニウムなどのアンチカオトロピック塩は、不純な混合物から物質を沈殿させるために使用できます。これは、タンパク質の精製プロセスで使用され、溶液から不要なタンパク質を除去します。

概要

カオトロピック剤は、タンパク質や核酸（DNAやRNAなど）などの高分子の構造を破壊し、変性させる物質です。カオトロピック溶質は、水素結合、ファンデルワールス力、疎水効果などの非共有結合力によって媒介される分子間相互作用を妨げることで、システムのエントロピーを増加させます。高分子の構造と機能はこれらの力の総合的な効果に依存しているため（タンパク質の折り畳みを参照）、生物系におけるカオトロピック溶質の増加は高分子を変性させ、酵素活性を低下させ、細胞にストレスを誘発します（つまり、細胞はストレス保護物質を合成する必要があります）。

タンパク質の三次フォールディングは、タンパク質配列全体にわたるアミノ酸からの疎水力に依存しています。カオトロピック溶質は、タンパク質に隣接する水分子の無秩序化により、疎水性領域の正味の疎水効果を低下させます。これにより、溶液中の疎水性領域が可溶化され、タンパク質が変性します。これは、脂質二重層の疎水性領域にも直接適用できます。カオトロピック溶質の臨界濃度に達すると（二重層の疎水性領域で）、膜の完全性が損なわれ、細胞が溶解します。^[2]

溶液中で解離するカオトロピック塩は、異なるメカニズムでカオトロピック効果を発揮します。エタノールなどのカオトロピック化合物は、上記のように非共有結合性の分子内力を妨害しますが、塩は電荷を遮蔽し、塩橋の安定化を防ぐことでカオトロピック特性を発揮します。水素結合は非極性媒体で強くなるため、溶媒の化学的極性を高める塩は、水素結合を不安定化させることもできます。メカニズム的には、イオンを効果的に溶媒和させるのに十分な水分子がないため、塩と水素結合種の間にイオン-双極子相互作用が生じ、通常の水素結合よりも有利になります。^[3]

^ Moelbert, S; Normand, B; De Los Rios, P (2004). 「コスモトロープとカオトロープ: 優先排除、結合、凝集体安定性のモデリング」.生物物理化学. 112 (1): 45–57. arXiv : cond-mat/0305204 . doi :10.1016/j.bpc.2004.06.012. PMID 15501575. S2CID 9870865.
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