影响电泳的主要因素、电泳方法的分类和应用
电泳技术,是指在电场作用下,带电颗粒在由于所带的电荷不同以及分子大小差异而有不同的迁移行为从而彼此分离开来的一种实验技术。
许多生物分子都带有电荷,其电荷的多少取决于分子结构及所在介质的pH值和组成。由于混合物中各种组分所带电荷性质、电荷数量以及相对分子质量的不同,在同一电场的作用下,各组分泳动的方向和速率也各异。因此,在一定时间内各组分移动的距离也不同,从而达到分离鉴定各组分的目的。
一、影响电泳的主要因素:
若将带静电荷Q的离子置于电场中,它的受力简单分析如下:
电荷引力: F引=EQ
根据Stokes公式,运动中的颗粒在溶液中受到阻力: F阻=6πrην
平衡时,有F引=F阻,即 EQ=6πrην
整理后得: ν=EQ/(6πrη)
式中:E——电场强度;r——球形粒子的半径;η——溶液的粘度系数;ν——带电粒子运动速度。
由上式可知,相同带电颗粒在不同强度的电场里泳动速度是不同的。 为了便于比较,常用迁移率代替泳动速度表示粒子的泳动情况。迁移率为带电粒子在单位电场强度下的泳动速度。若以m表示迁移率:上式两边同时除以电场强度E,则得:m=Q/(6πrη)
由于蛋白质、氨基酸等的电离α受溶液pH值影响,所以常用迁移率m和当时条件下电离度α的乘积即有效迁移率U表示泳动情况: U=mα
代入m得: U=αQ/(6πrη)
从上式可以看出,影响分子带电量Q及电离度α的因素如溶液的pH、影响溶液粘度系数的因素如温度、分子的半径r等,都会影响有效迁移率。因此,电泳应尽可能在恒温条件下进行,并选用一定pH的缓冲液。所选用的pH以能扩大各种被分离组分所带电荷量的差异为好,以利于各种成分的分离。
除以上因素影响电泳结果外,还有离子强度、电渗现象也对电泳构成影响。一般*合适的离子强度在0.02~0.20mol/L之间。离子强度过小会降低溶质的溶解度,离子强度过大会降低被分离组分的泳动速度并增加电泳过程中的发热量,使区带扩散变形。如果电泳不是在溶液中而是在支持介质中进行,还要注意选用无电渗或低电渗物质作支持物。所谓电渗是指在电场中,液体对于固体支持物的相对移动。电渗液流往往破坏电泳中已形成的区带,使其扩散变形。
综上所述可知,电泳受粒子本身大小、形状、所带电量、溶液粘度、温度、pH值、电渗及离子强度等多种因素的影响。当电泳结果欠佳时,应检查或重新设计实验条件以便改进。
二、电泳方法的分类:
(一) 按支持物的物理性状不同,区带电泳可分为:
1) 滤纸及其他纤维(如醋酸纤维、玻璃纤维、聚氯乙烯纤维)薄膜电位;
2) 粉末电泳,如纤维素粉、淀粉、玻璃粉电泳;
3) 凝胶电泳,如琼脂、琼脂糖、硅胶、淀粉胶、聚丙烯酰胺凝胶等;
4) 丝线电泳,如尼龙丝、人造丝电泳。
(二) 按支持物的装置形式不同,区带电泳可分为:
1) 平板式电泳,支持物水平放置,是*常用的电泳方式;
2) 垂直板式电泳,聚丙烯酰胺凝胶常做成垂直板式电泳;
3) 垂直柱式电泳,聚丙烯酰胺凝胶盘状电泳即属于此类;
4) 连续液动电泳,首先应用于纸电泳,将滤纸垂直竖立,两边各放一电极,溶液自顶端向下流,与电泳方向垂直。后来有用淀粉、纤维素粉、玻璃粉等代替滤纸来分离血 清蛋白质,分离量*大。
(三) 按pH的连续性不同,区带电泳可分为:
1) 连续pH电泳,即在整个电泳过程中pH保持不变,常用的纸电泳、醋酸纤维薄膜电泳等属于此类;
2) 非连续性pH电泳,缓冲液和电泳支持物间有不同的pH,如聚丙烯酰胺凝胶盘状电泳分离血清蛋白质时常用这种形式。 它的优点是易在不同pH区之间形成高的电位梯度区,使蛋白质移动加速并压缩为一极狭窄的区带而达到浓缩的作用。
三、电泳技术的应用:
电泳技术主要用于分离各种有机物(如氨基酸、多肽、蛋白质、脂类、核苷酸、核酸等)和无机盐;也可用于分析某种物质纯度,还可用于分子量的测定。电泳技术与其他分离技术(如层析法)结合,可用于蛋白质结构的分析,“指纹法”就是电泳法与层析法的结合产物。用**原理测试电泳结果,提高了对蛋白质的鉴别能力。电泳与酶学技术结合发现了同工酶,对于酶的催化和调节功能有了深入的了解。所以电泳技术是医学科学中的重要研究技术。
(一) 纸电泳和醋酸纤维薄膜电泳:
纸电泳用于血清蛋白质分离已有相当长的历史,在实验室和临床检验中都曾经广泛应用。自从1957年Kohn首先将醋酸纤维薄膜用作电泳支持物以来,纸电泳已被醋酸纤维薄膜电泳所取代。因为后者具有比纸电泳电渗小、分离速率快、分离清晰、血清用量少以及操作简单等优点。
(二) 琼脂糖凝胶电泳:
琼脂经处理去除其中的果胶成分即为琼脂糖。由于琼脂糖中硫酸根含量较琼脂为少,电渗影响减弱,因而使分离效果显著提高。例如血清脂蛋白用琼脂凝胶电泳只能分出两条区带(α-脂蛋白、β-脂蛋白),而琼脂糖凝胶电泳可将血清脂蛋白分出三条区带(α-脂蛋白、前β-脂蛋白和β-脂蛋白)。所以琼脂糖为较理想的凝胶电泳的一种材料。
血清中的脂类物质与载脂蛋白结合成水溶性的脂蛋白形式存在,各种脂蛋白中所含的载脂蛋白种类和数量不同、脂蛋白颗粒大小不同等因素,使它们在电场中的移动速率各异,因而可以通过电泳达到分离。
(三) 聚丙烯酰胺凝胶电泳:
聚丙烯酰胺凝胶是一种人工合成的凝胶,具有机械强度好、弹性大、透明、化学稳定性高、无电渗作用、设备简单、样品量小(1~100ug)、分辨率高等优点,并可通过控制单体浓度或单体与交联剂的比例,聚合成不同孔径大小的凝胶,可用于蛋白质、核酸等分子大小不同的物质的分离、定性和定量分析。还可结合解离剂十二烷基硫酸钠(SDS),以测定蛋白质亚基的相对分子质量。