background image

 

 

ZAKŁAD BIOCHEMII 

UMCS 

BIOCHEMIA II 

I rok II stopnia 

Biochemia 

 

 

ELEKTROFOREZA BIAŁEK W ŻELU POLIAKRYLAMIDOWYM 

 

Wstęp 

 

Elektroforezę  można  najogólniej  określić  jako  ruch  fazy  rozproszonej  względem  fazy  rozpraszającej 

zachodzący pod wpływem przyłożonej zewnętrznie różnicy potencjałów. 

Istotę  elektroforezy  stanowi  wędrówka  w  polu  elektrycznym  cząsteczek  posiadających  ładunek  elektryczny 

(dodatni  lub  ujemny)  i  proces  rozdzielania  tych  cząsteczek  na  skutek  różnicy  szybkości  ich  wędrowania  w 

roztworze  (elektroforeza  swobodna)  lub  w  nośnikach  (tzn.  w  roztworach  wypełniających  kręte  kapilary 

nośników).  Nośnikami  mogą  być  takie  substancje,  jak  np.  bibuła,  agar,  skrobia,  żel  agarozowy,  żel 

poliakrylamidowy. 

Jedną z najczęściej stosowanych obecnie metod elektroforetycznych jest elektroforeza żelowa. Pozwala 

ona  na  uzyskanie  lepszych  wyników  rozdziału  mieszaniny  związków  niż  stosowana  dawniej  elektroforeza 

bibułowa.  Środowisko  żelowe  w  przeciwieństwie  do  bibuły  nie  przejawia  własności  adsorpcyjnych  i 

charakteryzuje  się  większą  zdolnością  rozdzielczą,  gdyż  cząsteczki  wędrujące  w  polu  elektrycznym  z  różną 

szybkością zależną od ich ładunku, podlegają w żelu "przesiewaniu molekularnemu". Rolę "sita" spełniają pory 

w sieci żelu, których wielkość zależy od rodzaju i sposobu przygotowania żelu. 

Najbardziej  selektywną  i  bardzo  czułą  metodą  analitycznego  rozdziału  mieszanin  białkowych  jest 

elektroforeza w żelu poliakrylamidowym (PAGE - polyacrylamide gel electrophoresis). Stosowana jest ona min. 

jako  dogodne  kryterium  czystości  enzymów.  Rozdział  ten  może  jednak  ulegać  zaburzeniom,  jeżeli  w 

mieszaninie poddawanej elektroforezie istnieją tendencje do tworzenia kompleksów między cząsteczkami tych 

samych  lub  różnych  białek.  Stosowanie  środków  denaturujących  (jak  mocznik  lub  chlorowodorek  guanidyny) 

bądź  detergentów  zapobiega  agregacji.  Powszechnie  stosowana  jest  elektroforeza  w  obecności 

dodecylosiarczanu sodu (SDS) - anionowego detergentu, który wiążąc się z białkami wiązaniami jonowymi jak 

też poprzez oddziaływania hydrofobowe, rozszczepia ich kompleksy (SDS-PAGE). SDS nadając białkom silny 

ładunek  ujemny  powoduje,  że  wszystkie  wędrują  do  anody,  z  szybkością  zależną  od  wielkości  cząsteczek. 

Elektroforeza w warunkach denaturujących i w obecności SDS jest stosowana do badania homogennosci białek, 

oznaczania ich masy cząsteczkowej i liczby podjednostek w białkach oligomerycznych. 

Żel  poliakrylamidowy  powstaje  w  procesie  kopolimeryzacji  akrylamidu  (H

2

C=CH-CO-NH

2

)  z  N,N’-

metyleno-bis-akrylamidem  [(H

2

C=CH-CO-NH)

2

CH

2

]  w  obecności  odpowiednich  katalizatorów.  Zwykle  do 

polimeryzacji stosuje się nadsiarczan amonu (NH

4

)

2

S

2

O

8

 i TEMED (N,N,N',N'-tetrametyloetylenodiaminę). 

Inhibitorem  reakcji  polimeryzacji  jest  tlen  cząsteczkowy  obecny  w  powietrzu,  dlatego  roztwory  żelu 

należy  odpowietrzyć  przed  polimeryzacją,  a  po  uformowaniu  warstwy  żelu  na  jego  powierzchnię  nawarstwić 

wodę (lub n-butanol nasycony wodą). 

Wielkość porów żelu zależy przede wszystkim od stężenia akrylamidu, ale także od proporcji akrylamid 

:  bisakrylamid  i  ustala  się  ją  w  zależności  od  masy  cząsteczkowej  badanych  białek.  Najczęściej  stosuje  się 

stężenie 7-10%, przy którym można uzyskać dobre wyniki w przypadku białek o masie cząsteczkowej 20 – 150 

background image

 

 

kDa. Do elektroforezy białek o mniejszej cząsteczce stosuje się żel o wyższym stężeniu akrylamidu, np. 15-20%, 

a w przypadku bardzo dużych - o niższym stężeniu akrylamidu, nie niższym jednak niż 3,5%. 

Rozdział  białek  przebiega  wewnątrz  słupka  żelu  zamkniętego  w  rurce  szklanej  („elektroforeza 

rurkowa”) lub w cienkiej warstwie (elektroforeza płytowa). Żel może być jednorodny lub złożony z dwu warstw 

o różnej gęstości i pH, przez które kolejno przechodzi rozdzielany materiał. W tym ostatnim przypadku, warstwa 

lub słupek żelu składa się z dolnej części "rozdzielającej" i umieszczonej ponad nią części "zagęszczającej", w 

której próbka ulega zagęszczeniu przed wniknięciem do warstwy separującej. 

W zależności od wartości punktu izoelektrycznego (pI) nakładanych białek stosuje się żel rozdzielający 

o różnym pH (3,0-9,0), zaś pH żelu zagęszczającego wynosi zwykle 6,0-7,0. Stężenie akrylamidu w tej ostatniej 

warstwie żelu wynosi 2-5%. Elektroforezę białek o  niskim  pI  przeprowadza  się  w  środowisku  alkalicznym 

(tzw. elektroforeza anodowa), zaś białek o wysokim pI - w środowisku kwaśnym (tzw. elektroforeza katodowa). 

Próbkę  nakłada  się  albo  w  roztworze  zawierającym  monomery  akrylamidowe,  które  polimeryzują 

tworząc trzecią warstwę żelu zamykającą badany materiał, albo też roztworze sacharozy lub glicerolu (5-25%). 

Ilość białka, jaką się zwykle stosuje, wynosi 10-100 µg/żel. 

Białka  rozdzielone  podczas  elektroforezy  uwidacznia  się  w  żelu  przez  wybarwianie  czernią  amidową 

(Amido  Black),  błękitem  Coomassie  (Coomassie  Brilliant  Blue  R250)  lub  jonami  srebra.  Niektóre  białka 

enzymatyczne można również uwidocznić w żelu wykorzystując ich aktywność katalityczną. W tym celu stosuje 

się po elektroforezie barwienie substratowe. W najprostszym przypadku, kiedy enzym przekształca bezbarwny 

substrat w barwny produkt, stosuje się inkubację żelu w roztworze substratu zawierającym bufor o odpowiednim 

pH oraz dodatkowe potrzebne składniki (np. donory lub akceptory elektronów, koenzymy). Substrat dyfunduje 

w głąb żelu i w miejscu, gdzie znajduje się enzym zostaje przekształcony w barwny produkt. 

Taką metodą uwidacznia się m. in. lakazę, stosując do barwienia po elektroforezie roztwór gwajakolu. Wymaga 

to jednak przeprowadzenia procesu elektroforetycznego w warunkach pozwalających na zachowanie aktywności 

badanych  enzymów  (elektroforeza  natywna).  Nie  można  więc  stosować  środków  denaturujących,  a  proces 

rozdziału należy przeprowadzać w niskiej temperaturze. 

 

 

Wykonanie ćwiczenia: 

 

Elektroforezę  białek  przeprowadzamy  w  nieciągłym  systemie  buforowym.  Jako  bufor  elektrodowy 

stosuje  się  bufor:  0,025  M  Tris,  0,192  M  glicyna,  o  pH  8,3.  Żel  składa  się  z  dwóch  warstw:  warstwy  żelu 

rozdzielającego (10%) oraz warstwy żelu zagęszczającego (3%). 

Do przygotowania żelu rozdzielającego (10%) należy użyć: 

 

1 000 mg akrylamidu (UWAGA! NEUROTOKSYNA) 

 

33 mg bisakrylamidu 

 

14 mg nadsiarczanu amonu 

dopełnić do 10 ml 0,375 M buforem Tris-HCl, pH 8,8. 

Składniki  rozpuścić,  odpowietrzyć  i  bezpośrednio  przed  naniesieniem  między  płytki  aparatu  do 

eletroforezy pionowej (PAGER MINI) dodać 7µl TEMED-u. 

Uformować  warstwę żelu rozdzielającego i nawarstwić  wodą destylowaną  w celu odcięcia powietrza. 

background image

 

 

Pozostawić do polimeryzacji (ok. 0,5 - 1 godz.). 

Po  spolimeryzowaniu  żelu  rozdzielającego,  usunąć  wodę  i  wprowadzić  roztwór  żelu  zagęszczającego 

(3%)  przygotowanego  według  podanego  poniżej  przepisu.  Następnie  umieścić  w  nim  grzebień  formujący 

studzienki na próbki, w taki sposób, aby pęcherzyki powietrza nie dostały się pod ząbki grzebienia. 

Przygotowanie żelu zagęszczającego (3%): 

 

150 mg akrylamidu (UWAGA! NEUROTOKSYNA) 

 

10 mg bisakrylamidu 

 

7 mg nadsiarczanu amonu 

dopełnić do 5 ml 0,125 M buforu Tris-HCI, pH 6,8. 

Po rozpuszczeniu składników, roztwór żelu odpowietrzyć i dodać 7 µl TEMED-u Czas polimeryzacji 

tego żelu wynosi min. 30 min. 

 

Rozdział elektroforetyczny 

Po  spolimeryzowaniu  żelu  zagęszczającego  należy  wlać  bufor  elektrodowy  do  obu  ("górnego"  i 

"dolnego")  zbiorników  aparatu  i  ostrożnie  wyjąć  grzebień  formujący,  uważając  by  nie  oderwać  części  żelu 

rozdzielających poszczególne studzienki. Przy napełnianiu zbiorników buforem elektrodowym zwrócić uwagę, 

by drut elektrody był całkowicie zanurzony w buforze. 

Próbki  białka  (preparat  lakazy),  zagęszczone  2%  sacharozą  lub  20%  gliceryną  i  zabarwione  0,03% 

błękitem bromofenolowym nanieść do odpowiednich studzienek  w objętości: 5 µl, 10 µ1, 15 µl, 20 µl, 25 µl. 

Aparat  do  elektroforezy  połączyć  przewodami  z  zasilaczem  i  rozpocząć  proces  rozdziału  -  początkowo  przy 

napięciu 100 V (żel zagęszczający), a po wniknięciu próbek do warstwy żelu rozdzielającego zwiększyć napięcie 

do 150 V. 

Zasilacz  odłączyć,  gdy  czoło  barwnika  znajdzie  się  w  odległości  ok.  5  mm  od  końca  żelu.  Wylać  bufor, 

otworzyć aparat, przeciąć żel wzdłuż na 2 części i odpowiednio wybarwić. 

 

Barwienie białek metodą srebrową (Fast Protocol Zakład Bioch. Univ. Iowa (2001)): 

1)  Zanurzyć żel na 30 minut w kąpieli „fiksującej” zawierającej: 

  40ml metanolu 

  13,5ml formaldehydu 

  46,5ml H

2

O (MilliQ) 

2)  Zanurzyć żel na 1 minutę w 0,02% Na

2

S

2

O

3

 

3)  Barwienie: 

 

Zanurzyć żel na 10 minut w 0,1% azotanie srebra (0,lg/100 ml) UWAGA: roztwór nietrwały sporządzić 

tuż przed barwieniem! 

 

Spłukać wodą (MilliQ) 

4)  Rozwijanie: 

 

Zanurzyć żel w kąpieli rozwijającej zawierającej: 

  3% Na

2

CO

3

 

  50 µl formaldehydu 

  2 ml 0,02% Na

2

S

2

O

3

 

background image

 

 

 

Reakcję zatrzymać dodatkiem kwasu cytrynowego in substancia 

 

Przenieść do wody MilliQ. 

 

Barwienie substratowe: 

Żel umieścić w kąpieli zawierającej 1 ml gwajakolu w 100 ml 0,1M buforu Mc Ilvaine’a pH 5,3 

Obserwować pojawiające się prążki. 

 

 

Zaliczenie ćwiczenia: 

 

 

Zamieścić w zeszycie opis ćwiczenia. Przerysować do zeszytu wybarwiony elektroferogram (uwzględniając 

obie metody ujawniania rozdzielonych substancji).  

 

 

background image

 

 

Odczynniki i sprzęt: 

 

 

aparat do elektroforezy i przewody przyłączające zasilacz 

 

pompa olejowa rotacyjna 

 

kolbki ssawkowe 100 ml - 2 szt. 

 

korki do kolbek ssawkowych 

 

cylinder 25 ml - 2 szt; 

 

strzykawki 2 ml i 10 ml z igłami 

 

pojemniki do barwienia 

 

mini-strzykawka do nawarstwiania próbek 

 

kolbka lub zlewka 100 ml 

 

bufor elektrodowy: 0,025 M Tris, 0,192 M glicyną, pH 8,3 

 

akrylamid - stosować rękawiczki 1-razowe i maseczkę 

 

N,N’-metyleno-bis-akrylamid 

 

nadsiarczan amonu 

 

TEMED 

 

Bufor żelu rozdzielającego: 0,375 M bufor Tris-HCI, pH 8,8 

 

Bufor żelu zagęszczającego: 0,125 M bufor Tris-HCI, pH 6,8 

 

Barwienie białka: UWAGA: wszystkie roztwory odczynników w wodzie milliQ! 

  metanol, 

  formaldehyd 

  0,02% Na

2

S

2

O

3

 (0,02g/100 ml) 

  azotan srebra 

  3% Na

2

CO

3

  kwas cytrynowy 

  woda milliQ 

 

Barwienie substratowe: 

  gwajakol 1g/100ml etanolu 

  0,1M bufor Mc Ilvaine’a pH 5,3 

 

 

Piśmiennictwo: 

 

1.  Kłyszejko-Stefanowicz  L.  (red.),  2005,  Ćwiczenia  z  biochemii.  Wydawnictwo  Naukowe  PWN, 

Warszawa