アルギニンとホフマイスターシリーズ：タンパク質凝集抑制におけるイオンイオン相互作用の役割

L-アルジニン塩酸塩は非常に重要な凝集抑制因子であり、その作用メカニズムを解明することに関して多くの注意が払われています。しかし、対イオンがホフマイスターシリーズに従って大きな影響を与えている可能性が高いにもかかわらず、塩化物以外の他の塩の形に対してはほとんど考慮されていません。ここでは、アルギニンの凝集抑制挙動において対イオンが果たす役割の詳細な分析を報告します。経験的ホフマイスターシリーズと一致して、モデルタンパク質（α-キモトリプシノゲン）上の他のアルギニン塩形態の凝集抑制能力が次の順序に従うことがわかりました：H（2）PO（4）（ - ）> SO（4）（2- ）> citreate（2-）>酢酸（ - ）≈f（ - ）≈cl（ - ）> br（ - ）> i（ - ）≈scn（ - ）。機械的に、優先的な相互作用と浸透圧性係数測定は、分子動力学シミュレーションに加えて、魅力的なイオンイオン相互作用、特にアルギン分子間の魅力的な相互作用が、観察された挙動において支配的な役割を果たすことを示しています。さらに、リン酸二水素、硫酸塩、クエン酸塩は、アルギニンのグアニジニウム基と強い魅力的な相互作用を持っているようであり、複数のアルギニン分子をクラスターに橋渡しすることにより、これらの塩型の優れた凝集抑制能力に寄与するようです。これらの結果は、アルギニンがタンパク質の安定性にどのように影響するかを理解するだけでなく、Hofmeisterシリーズの背後にあるメカニズムを解明するのにも役立ちます。これは、他のアルギニン塩の使用と、おそらく新しい賦形剤の発達を通じてバイオ医薬品の安定化を改善するのに役立つはずです。

L-Arginine hydrochloride is a very important aggregation suppressor for which there has been much attention given regarding elucidating its mechanism of action. Little consideration, however, has been given toward other salt forms besides chloride, even though the counterion likely imparts a large influence per the Hofmeister Series. Here, we report an in depth analysis of the role the counterion plays in the aggregation suppression behavior of arginine. Consistent with the empirical Hofmeister series, we found that the aggregation suppression ability of other arginine salt forms on a model protein (α-chymotrypsinogen) follows the order: H(2)PO(4)(-) > SO(4)(2-) > citrate(2-) > acetate(-) ≈ F(-) ≈ Cl(-) > Br(-) > I(-) ≈ SCN(-). Mechanistically, preferential interaction and osmotic virial coefficient measurements, in addition to molecular dynamics simulations, indicate that attractive ion-ion interactions, particularly attractive interactions between arginine molecules, play a dominate role in the observed behavior. Furthermore, it appears that dihydrogen phosphate, sulfate, and citrate have strong attractive interactions with the guanidinium group of arginine, which seems to contribute to the superior aggregation suppression ability of those salt forms by bridging together multiple arginine molecules into clusters. These results not only further our understanding of how arginine influences protein stability, they also help to elucidate the mechanism behind the Hofmeister Series. This should help to improve biopharmaceutical stabilization through the use of other arginine salts and possibly, the development of novel excipients.