Cromatografia a scambio ionico

Nel processo di scambio ionico, gli ioni che sono legati alla matrice insolubile e chimicamente inerti vengono rimpiazzati reversibilmente dagli ioni presenti nella soluzione:
R+A- + B-     R+B- + A-
R+ rappresenta uno scambiatore di anioni che può legare sia A- che B-, gli anioni in soluzione. Gli scambiatori cationici hanno un comportamento simile, ma hanno cariche negative e legano reversibilmente cationi. I polianioni ed i policationi si legano quindi rispettivamente a scambiatori di anioni e a scambiatori di cationi. Le proteine e altri polielettroliti (polimeri poliionici) che contengono gruppi carichi, sia positivamente che negativamente, si possono legare a scambiatori di cationi o a scambiatori di anioni a seconda della loro carica netta. L'affinità con cui un dato polielettrolita si lega ad uno scambiatore ionico dipende dalle sue caratteristiche e dalle concentrazioni di altri ioni in soluzione che possono competere con i siti di legame del polielettrolita allo scambiatore. L'affinità di legame del polielettrolita che ha gruppi acidi e basici dipende anche dal pH in quanto la carica di questi gruppi varia con il pH. In questo modo, le proteine che non si legano in queste condizioni allo scambiatore, possono essere allontanata lavando lo scambiatore con il tampone in cui era stata disciolta la miscela di proteine. La proteina da purificare può essere staccata successivamente dallo scambiatore ionico con un tampone avente un pH o una concentrazione salina che riduca l'affinità di legame di questa proteina per lo scambiatore. L'efficienza di questo metodo di purificazione può essere aumentata se lo scambiatore ionico insolubile viene posto in una colonna. Proteine diverse si legano allo scambiatore ionico con affinità diversa. Quando la colonna viene lavata, un processo chiamato eluzione, le proteine con un'affinità relativamente bassa per lo scambiatore ionico si muovono lungo la colonna più velocemente delle proteine che si legano allo scambiatore ionico con un'affinità più elevata. Questo avviene perché l'avanzare di una data proteina lungo la colonna viene ostacolata rispetto al passaggio del solvente dalle interazioni che si generano tra la molecola proteica e lo scambiatore di ioni. Più alta è l'affinità di legame di una proteina per lo scambiatore ionico, più essa viene ritardata sulla colonna. Comunque i processi di purificazione possono essere migliorati se le proteina vengono staccate dalla colonna con il metodo della eluzione con gradienti. In questo modo, la concentrazione salina o il pH della soluzione che attraversa la colonna viene continuamente variata e le diverse proteine che sono legate allo scambiatore ionico vengono eluite sequenzialmente. Questo procedimento porta a separazioni delle proteine migliori di quelle che si possono ottenere con altri metodi più semplici. Gli scambiatori di ioni sono costituiti da gruppi carichi legati covalentemente ad una matrice di supporto. La natura chimica dei gruppi carichi determina il tipo di ioni che si legano allo scambiatore e la forza con cui questi ioni si legano. Dalle proprietà chimiche e meccaniche della matrice dipendono invece il flusso attraverso il supporto, l'accessibilità degli ioni e la stabilità dello scambiatore. In genere vengono utilizzati come matrice di supporto degli scambiatori ionici tre tipi di materiali: (1) resina come il polistirene, (2) cellulosa quelli più usati, e (3) poliacrilamide.