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生化实验讲义(理论部分)四--电泳技术(2)

时间:2005-12-31 22:42来源:Internet 作者:admin 阅读:

4.6 琼脂糖凝胶电泳
  琼脂糖是从琼脂中提纯出来的,主要是由D-半乳糖和3,6脱水L-半乳糖连接而成的一种线性多糖。琼脂糖凝胶的制作是将干的琼脂糖悬浮于缓冲液中,通常使用的浓度是1%-3%,加热煮沸至溶液变为澄清,注入模板后室温下冷却凝聚即成琼脂糖凝胶。琼脂糖之间以分子内和分子间氢键形成较为稳定的交联结构,这种交联的结构使琼脂糖凝胶有较好的抗对流性质。琼脂糖凝胶的孔径可以通过琼脂糖的最初浓度来控制,低浓度的琼脂糖形成较大的孔径,而高浓度的琼脂糖形成较小的孔径。尽管琼脂糖本身没有电荷,但一些糖基可能会被羧基、甲氧基特别是硫酸根不同程度的取代,使得琼脂糖凝胶表面带有一定的电荷,引起电泳过程中发生电渗以及样品和凝胶间的静电相互作用,影响分离效果。市售的琼脂糖有不同的提纯等级,主要以硫酸根的含量为指标,硫酸根的含量越少,提纯等级越高。
  琼脂糖凝胶可以用于蛋白质和核酸的电泳支持介质,尤其适合于核酸的提纯、分析。如浓度为1%的琼脂糖凝胶的孔径对于蛋白质来说是比较大的,对蛋白质的阻碍作用较小,这时蛋白质分子大小对电泳迁移率的影响相对较小,所以适用于一些忽略蛋白质大小而只根据蛋白质天然电荷来进行分离的电泳技术,如免疫电泳、平板等电聚焦电泳等。琼脂糖也适合于DNA、RNA分子的分离、分析,由于DNA、RNA分子通常较大,所以在分离过程中会存在一定的摩擦阻碍作用,这时分子的大小会对电泳迁移率产生明显影响。例如对于双链DNA,电泳迁移率的大小主要与DNA分子大小有关,而与碱基排列及组成无关。另外,一些低熔点的琼脂糖(62 ~ 65 C)可以在65 C时熔化,因此其中的样品如DNA可以重新溶解到溶液中而回收。
  由于琼脂糖凝胶的弹性较差,难以从小管中取出,所以一般琼脂糖凝胶不适合于管状电泳,管状电泳通常采用聚丙烯酰胺凝胶。琼脂糖凝胶通常是形成水平式板状凝胶,用于等电聚焦、免疫电泳等蛋白质电泳,以及DNA、RNA的分析。垂直式电泳应用得相对较少。
4.7 聚丙烯酰胺凝胶电泳
  聚丙烯酰胺凝胶电泳简称为PAGE(Polyacrylamide gel electrophoresis),是以聚丙烯酰胺凝胶作为支持介质。聚丙烯酰胺凝胶是由单体的丙烯酰胺(CH2=CHCONH2 Acrylamide)和甲叉双丙烯酰胺(CH2(NHCOHC=CH2) 2 N,N’-methylenebisacrylamide)聚合而成,这一聚合过程需要有自由基催化完成。常用的催化聚合方法有两种:化学聚合和光聚合。化学聚合通常是加入催化剂过硫酸铵(AP)以及加速剂四甲基乙二胺(TEMED),四甲基乙二胺催化过硫酸铵产生自由基。
  聚丙烯酰胺凝胶的孔径可以通过改变丙烯酰胺和甲叉双丙烯酰胺的浓度来控制,丙烯酰胺的浓度可以在3%-30%之间。低浓度的凝胶具有较大的孔径,如3%的聚丙烯酰胺凝胶对蛋白质没有明显的阻碍作用,可用于平板等电聚焦或SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳的浓缩胶,也可以用于分离DNA;高浓度凝胶具有较小的孔径,对蛋白质有分子筛的作用,可以用于根据蛋白质的分子量进行分离的电泳中,如10%-20%的凝胶常用于SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳的分离胶。
  选择T和C的经验公式是:
            C = 6.5-0.3T
   此式可用于计算T为5%~20%时的凝胶组成。C值并不很严格,在大多数情况下,可变化的范围约为 1%,当C保持恒定时,凝胶的有效孔径随着T的增加而减小,当T保持恒定,C为4%时,有效孔径最小,C大于或小于4%时,有效孔径均变大,C大于5%时凝胶变脆,不宜使用,实验中最常用的C是2.6%和3%。
配成30%的丙烯酰胺水溶液在4℃下能保存1个月,在贮存期间丙烯酰胺会水解为丙烯酸而增加电泳时的电内渗现象并减慢电泳的迁移率。丙烯酰胺和甲叉双丙烯酰胺是一种对中枢神经系统有毒的试剂,操作时要避免直接接触皮肤,但它们聚合后则无毒。
  未加SDS的天然聚丙烯酰胺凝胶电泳可以使生物大分子在电泳过程中保持其天然的形状和电荷,它们的分离是依据其电泳迁移率的不同和凝胶的分子筛作用,因而可以得到较高的分辨率,尤其是在电泳分离后仍能保持蛋白质和酶等生物大分子的生物活性,对于生物大分子的鉴定有重要意义,其方法是在凝胶上进行两份相同样品的电泳,电泳后将凝胶切成两半,一半用于活性染色,对某个特定的生物大分子进行鉴定,另一半用于所有样品的染色,以分析样品中各种生物大分子的种类和含量。
  由于聚丙烯酰胺凝胶有突出的优点,因而四十年来得到广泛的应用,目前尚无更好的支持介质能够取代它。其主要的优点有:①可以随意控制胶浓度“T”和交联度“C”,从而得到不同的有效孔径,用于分离不同分子量的生物大分子。②能把分子筛作用和电荷效应结合在同一方法中,达到更高的灵敏度:10-9 ~10-12 mol/L。③由于聚丙烯酰胺凝胶是由-C-C-键结合的酰胺多聚物,侧链只有不活泼的酰胺基-CO-NH2 ,没有带电的其他离子基团,化学惰性好,电泳时不会产生“电渗”。④由于可以制得高纯度的单体原料,因而电泳分离的重复性好。⑤透明度好,便于照相和复印。机械强度好,有弹性,不易碎,便于操作和保存。⑥无紫外吸收,不染色就可以用于紫外波长的凝胶扫描作定量分析。⑦还可以用作固定化酶的惰性载体。
  聚丙烯酰胺凝胶分离蛋白质最初是在玻璃管中进行的,玻璃管通常直径为7 mm,长10 cm,将凝胶装入到多个管中进行电泳,又称为柱状电泳。目前仍有应用,尤其用于二维电泳中的第一维电泳。但由于各个玻璃管的不同以及装胶时的差异使每管的分离条件会有所差异,所以对各管样品进行比较时可能会出现较大误差。后来发展起来的垂直平板电泳一次最多可以容纳20个样品,电泳过程中样品所处的条件比较一致,样品间可以进行更好的比较,重复性也更好,所以垂直平板电泳目前应用的更为广泛,常用于蛋白质及DNA序列分析过程中DNA片段的分离、鉴定。
  水平平板电泳近年来也有很快的发展,与垂直平板电泳相比也有其独特的优点:①由于凝胶可以直接铺在冷却板上,容易使凝胶冷却,因而可以加高电压以提高分辨率。②电泳速度快,通常只要1小时左右,而园盘电泳和垂直平板电泳一般需要3~4小时。③因为可以使用薄胶,加样少,染色快,从而提高了灵敏度,而且容易保存,只要用甘油浸泡后自然干燥即可长期保存不会龟裂。④便于适用各种电泳方式,用途广泛,尤其是可以使用90年代才发展起来的只有水平电泳系统才能使用的新的半干技术,即用浸有少量缓冲液的半干的胶条代替通常所用的大量电极缓冲液,大大节约了试剂,简化了操作,提高了电泳速度。
  聚合后的聚丙烯酰胺凝胶的强度、弹性、透明度、粘度和孔径大小均取决于两个重要参数T和C,T是丙烯酰胺和甲叉双丙烯酰胺两个单体的总百分浓度。C是与T有关的交联百分浓度。
4.8 SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)
  SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳是最常用的定性分析蛋白质的电泳方法,特别是用于蛋白质纯度检测和测定蛋白质分子量。
  SDS-PAGE 是在要走电泳的样品中加入含有SDS和-巯基乙醇的样品处理液,SDS即十二烷基磺酸钠(CH3-(CH2)10-CH2OSO3- Na+),是一种阴离子表面活性剂即去污剂,它可以断开分子内和分子间的氢键,破坏蛋白质分子的二级和三级结构,强还原剂-巯基乙醇可以断开半胱氨酸残基之间的二硫键,破坏蛋白质的四级结构。电泳样品加入样品处理液后,要在沸水浴中煮3~5 min,使SDS与蛋白质充分结合,以使蛋白质完全变性和解聚,并形成棒状结构。SDS与蛋白质结合后使蛋白质-SDS复合物上带有大量的负电荷,平均每两个氨基酸残基结合一个SDS分子,这时各种蛋白质分子本身的电荷完全被SDS掩盖。这样就消除了各种蛋白质本身电荷上的差异。样品处理液中通常还加入溴酚蓝染料,用于控制电泳过程。另外样品处理液中也可加入适量的蔗糖或甘油以增大溶液密度,使加样时样品溶液可以沉入样品凹槽底部。
  制备凝胶时首先要根据待分离样品的情况选择适当的分离胶浓度,例如通常使用的15%的聚丙烯酰胺凝胶的分离范围是104~105,即分子量小于104的蛋白质可以不受孔径的阻碍而通过凝胶,而分子量大于105的蛋白质则难以通过凝胶孔径,这两种情况的蛋白质都不能得到分离。所以如果要分离较大的蛋白质,需要使用低浓度如10%或7.5%的凝胶(孔径较大);而对于分离较小的蛋白质,使用的较高浓度凝胶(孔径较小)可以得到更好的分离效果。分离胶聚合后,通常在上面加上一层浓缩胶(约1 cm),并在浓缩上插入样品梳,形成上样凹槽。浓缩胶是低浓度的聚丙烯酰胺凝胶,由于浓缩胶具有较大的孔径(丙烯酰胺浓度通常为3~5%),各种蛋白质都可以不受凝胶孔径阻碍而自由通过。浓缩胶通常pH值较低(通常pH = 6.8),用于样品进入分离胶前将样品浓缩成很窄的区带。浓缩胶聚合后取出样品梳,上样后即可通电开始电泳。
  聚丙烯酰胺凝胶电泳和SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳有两种系统,即只有分离胶的连续系统和有浓缩胶与分离胶的不连续系统,不连续系统中最典型、国内外均广泛使用的是著名的Ornstein-Davis高pH碱性不连续系统,其浓缩胶丙烯酰胺浓度为4%,pH = 6.8,分离胶的丙烯酰胺浓度为12.5%,pH = 8.8。电极缓冲液的pH = 8.3,用Tris、SDS和甘氨酸配制。配胶的缓冲液用Tris、SDS和HCl配制。
  样品在电泳过程中首先通过浓缩胶,在进入分离胶前由于等速电泳现象而被浓缩。这是由于在电泳缓冲液中主要存在三种阴离子,Cl-、甘氨酸阴离子以及蛋白质-SDS复合物,在浓缩胶的pH值下,甘氨酸只有少量的电离,所以其电泳迁移率最小,而Cl-的电泳迁移率最大。在电场的作用下,Cl-最初的迁移速度最快,这样在Cl-后面形成低离子浓度区域,即低电导区,而低电导区会产生较高的电场强度,因此Cl-后面的离子在较高的电场强度作用下会加速移动。达到稳定状态后,Cl-和甘氨酸之间形成稳定移动的界面。而蛋白质-SDS复合物由于相对量较少,聚集在甘氨酸和Cl-的界面附近而被浓缩成很窄的区带(可以被浓缩三百倍),所以在浓缩胶中Cl-是快离子(前导离子),甘氨酸是慢离子(尾随离子)。
  当甘氨酸到达分离胶后,由于分离胶的pH值(通常pH = 8.8)较大,甘氨酸离解度加大,电泳迁移速度变大超过蛋白质-SDS复合物,甘氨酸和Cl-的界面很快超过蛋白质-SDS复合物。这时蛋白质-SDS复合物在分离胶中以本身的电泳迁移速度进行电泳,向正极移动。由于蛋白质-SDS复合物在单位长度上带有相等的电荷,所以它们以相等的迁移速度从浓缩胶进入分离胶,进入分离胶后,由于聚丙烯酰胺的分子筛作用,小分子的蛋白质可以容易的通过凝胶孔径,阻力小,迁移速度快;大分子蛋白质则受到较大的阻力而被滞后,这样蛋白质在电泳过程中就会根据其各自分子量的大小而被分离。溴酚蓝指示剂是一个较小的分子,可以自由通过凝胶孔径,所以它显示着电泳的前沿位置。当指示剂到达凝胶底部时,停止电泳,从平板中取出凝胶。在适当的染色液中(如通常使用的考马斯亮蓝)染色几个小时,而后过夜脱色。脱色液去除凝胶中未与蛋白结合的背底染料,这时就可以清晰地观察到凝胶中被染色的蛋白质区带。通常凝胶制备需要1~1.5小时,电泳在25~30mA下通常需要3小时,染色2~3小时,过夜脱色。通常使用的垂直平板电泳可以同时进行多个样品的电泳。
  Ornstein和Davis设计的高pH碱性不连续系统,有其独特的特点:① 浓缩胶的pH(6.8)小于慢离子甘氨酸的pKa(9.8)3个pH左右,所以 α≈ 0.001,即在浓缩胶中甘氨酸只有0.1%离解,因此在电场中迁移很慢,是慢离子。② 快离子Cl-由于几乎全部离解,电泳迁移率最大,不受pH变化的影响。③ 分离胶的pH(8.8)小于慢离子的pKa 一个pH左右,α≈ 0.1,所以在分离胶中甘氨酸离解加大,电泳迁移率加大,就赶到蛋白质带的前面。
  此外还可以总结出该系统的特点有:④ 电极缓冲液中共轭碱Tris的pKa小于分离胶的pH约1个pH,使其缓冲能力大。⑤电极缓冲液的pH为8.3,相近于Tris的pKa(8.1),以便获得最大的缓冲能力。
  SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳还可以用于未知蛋白分子量的测定,在同一凝胶上对一系列已知分子量的标准蛋白及未知蛋白进行电泳,测定各个的标准蛋白的电泳距离(或迁移率),并对各自分子量的对数(log Mr)作图,即得到标准曲线。测定未知蛋白质的电泳距离(或迁移率),通过标准曲线就可以求出未知蛋白的分子量。
  SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳经常应用于提纯过程中纯度的检测,纯化的蛋白质通常在SDS电泳上应只有一条带,但如果蛋白质是由不同的亚基组成的,它在电泳中可能会形成分别对应于各个亚基的几条带。SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳具有较高的灵敏度,一般只需要不到微克量级的蛋白质,而且通过电泳还可以同时得到关于分子量的情况,这些信息对于了解未知蛋白及设计提纯过程都是非常重要的。

(责任编辑:泉水)
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