ホフマイスターシリーズ

ホフマイスターシリーズとは、水中に溶解したイオンが水分子の構造にどのような影響を与えるか、その能力の順に並べた序列のことです。この序列は、タンパク質の溶解度に対するイオンの効果を研究していたドイツの化学者フランツ・ホフマイスターによって1888年に初めて提唱されました。

この系列は、水の構造を強化する効果が高いイオンから、逆に水の構造を乱す効果（カオトロピック効果）が高いイオンへと続きます。水の構造を強化するイオンは、水分子同士の水素結合ネットワークを密にする傾向があり、「構造形成性イオン」と呼ばれます。一方、水の構造を乱すイオンは、このネットワークを破壊し、水の自由度を増大させる傾向があり、「構造破壊性イオン」または「カオトロピックイオン」と呼ばれます。

具体的には、陰イオンでは、クエン酸イオン、酒石酸イオン、硫酸イオンなどが構造形成性が高く、塩化物イオン、臭化物イオン、硝酸イオン、ヨウ化物イオン、チオシアン酸イオンなどへと順に構造破壊性が高まります。陽イオンでは、陰イオンほど序列の幅は大きくありませんが、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、ルビジウムイオン、セシウムイオンといった一価イオンや、マグネシウムイオン、カルシウムイオン、ストロンチウムイオン、バリウムイオンといった二価イオンにも同様の序列が見られます。

ホフマイスターシリーズが発現する正確なメカニズムは完全には解明されていませんが、イオンと水分子、そしてイオンと溶質分子（特にタンパク質）との間の複雑な相互作用が関与していると考えられています。

系列の始めの方に位置する、水の構造形成性の高いイオンは、溶液の表面張力を上昇させ、非極性分子が水に溶けにくくする傾向があります。また、水の乱雑性を減少させることで、疎水効果（水中で非極性分子が集まる力）を強めます。これにより、タンパク質などが凝集しやすくなる、いわゆる「塩析」の効果をもたらします。

一方、系列の後ろの方に位置する、カオトロピックなイオン（例：ヨウ化物イオン、チオシアン酸イオン）や尿素などの物質は、むしろ水の乱雑性を増加させます。これにより、タンパク質内部の疎水性相互作用が弱められ、折りたたまれた立体構造がほどけて変性する傾向があります。しかし、同時に変性したタンパク質が凝集するために必要な疎水性相互作用も失われた環境になるため、通常は沈殿しにくくなります。

このカオトロピック効果は応用されており、例えば尿素はタンパク質の等電点電気泳動において変性剤として利用されます。また、チオシアン酸グアニジンなどは、細胞から穏やかな条件で核酸を分離する際に、タンパク質を変性させて可溶化するために用いられます。ホフマイスターシリーズは、化学、生化学、材料科学など、様々な分野で重要な概念となっています。

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