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1、1,电泳技术,1,2,Contents,电泳的原理,影响电泳分离的主要因素,常用的电泳介绍,2,3,1.简介及发展过程,电泳可以定义为带电的胶体粒子或大分子在外加直流电场中向带相反电荷的电极做定向移动的现象。 带正电荷的粒子向负极移动，带负电荷的粒子向正极移动。 电泳分离则是利用荷电溶质在电场中泳动速度的差别来进行分离的一种方法。,电泳技术：,3,4,最早发现于1808年。俄国物理学家Pehce于1809年在湿黏土中插上带玻璃管的正负极两个电极，加压后发现正极玻璃管中原有的水层变浑浊，即带负电荷的黏土颗粒向正极移动，这就是电泳现象。在1937年由瑞典科学家A.tiselius利用U形玻管进行血
2、清蛋白电泳，以界面折光率差别分离蛋白。1948年 Wieland等发明以滤纸作为支持物，使电泳技术大为简化。 电泳作为一种生化分离手段已广泛应用于生物大分子的分离、纯化、分析、制备以及用于测定它们的分子量、等电点等。已成为生命科学、医学、制药学、食品、生物工程、环境工程等领域常用的实验手段。,4,5,2.电泳的原理,5,带有电荷生物分子在电场作用下发生移动;由于混合物各组分所带电荷性质，数量以及 分子量各不同，在同一电场作用下，各组 分的泳动方向和速度也各有差异;在一定时间内，他们移动距离不同，从而可 达到分离鉴定的目的。,6,6,1.蛋白质的电荷来源,从电泳的角度来看，蛋白质分子最主要的特性
3、就是它的带电行为：等电点（pI）：在某一条件的PH下，蛋白质所带的正负电荷数相等。即净电荷为零。当体系：pHpI，蛋白质分子会解离出 而带负电，向阳极移动；当体系：pHpI，蛋白质分子会结合 而带正电，向阴极移动；,特定蛋白质的等电点取决于它的氨基酸组成，是一个物理化学常数。对于不同的蛋白质，其等电点范围很宽，在一定的PH下，不同蛋白质分子所带电荷的电性和电量不同，由此可进行蛋白质的分离和分析。,pHpI,7,7,2.迁移率,在一定的PH条件下，蛋白质分子会解离而带电，带电的性质和电荷密度取决于蛋白质分子的性质和溶液的PH。不同的带点颗粒在同一电场的运动速度不同，可以用迁移率来表示。迁移率（m
4、，mobility）即带电颗粒在单位电场强度下的泳动速度： m-迁移率， ; v-迁移速度，cm/s; E-电场强度,V/cm; d- 迁移距离,cm； t-电泳时间，s； U-电压，V； l-凝胶长度，cm。,8,8,当球形分子在电场中以恒定速率移动时，所受的动力和阻力平衡，即： （Stoke定律）,Q-被分离分子所带净电荷； -介质黏度；r-分子半径。于是有：,即：蛋白质的迁移率与带电颗粒的分子大小、介质的黏度、颗粒所带的电荷有关。一般来说，所带净电荷越多，颗粒越小，越接近球形，则在电场中迁移速率越快，反之越慢。,9,9,对于两种蛋白质来讲，物质A和B：当使用同一介质分离两种物质时：物质A
5、在电场中移动的距离: dA =mA Et 某物质B在电场中移动的距离：dB =mB Et 两物质移动距离差为： d=(dA- dB)=(mA-mB) Et 若mA = mB 则d=0 两种物质不能分离 若mA mB 则d0 两种物质能分离结论：不同蛋白质的m不同，蛋白质就能够分离开来，蛋白质电泳正是根据此原理对不同物质进行分离的。,10,3.影响电泳分离的主要因素,10,11,1.蛋白质的性质,蛋白质分子的氨基酸组成决定其在某个PH条件下的电性和电量，进而决定了它的电泳速度；蛋白质分子的形状和大小也影响它的电泳速度。,2.电场强度,电场强度(Electric field intensity)是
6、指每厘米的电位降。 电场强度对电泳速度起着正比作用，越大则带电颗粒迁移越快，电泳时间越短（高压电泳）；反之迁移慢，电泳时间长（常压电泳）。,12,3.溶液的性质（1）溶液的PH 决定带点颗粒的电性和电量，对于氨基酸或蛋白质等两性电解质来说，溶液的pH值离其等电点越远，其净电荷量就越大，迁移速度加快。因此需选择合适的pH，使欲分离的各种蛋白质所带电荷的电性相同但是电量有较大的差异，以利于分离。（2）溶液的离子强度 离子强度越低，欲分离组分的迁移速度越快；但离子强度太低则缓冲能力太小。合适的离子强度范围在0.02-0.2mol/L之间。（3）溶液的黏度 电泳迁移率与溶液的黏度成反比，所以黏度不能过
7、大或过小。,13,4.其他因素（1）电渗现象 在电场中液体（通常指水）对固体支持物的相对移动。 电渗是由于电泳支持介质上含有带电基团，从而吸附流动相向正极或负极移动。电泳时，带电颗粒的迁移速度是颗粒本身的迁移速度与由于电渗携带颗粒的移动速度之矢量和。为消除电渗现象，可选择无电渗的电泳介质。（2）电泳的支持介质 要求介质均匀，对样品吸附力小。吸附会延缓电泳分离。（3）温度 电泳过程中会产热，造成样品的扩散及烧胶。因此需控制电压或电流，或安装冷却系统。,14,电泳,电泳分类,15,01,02,03,聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）,SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）,等电聚焦（IEF）,
8、常用的几种电泳介绍,04,双向电泳（2D）,16,1.聚丙烯酰胺凝胶电泳,聚丙烯酰胺凝胶电泳是蛋白质分离与分析中最常用的电泳方法，包括常规聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）和SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）。,聚丙烯酰胺凝胶电泳 (polyacrylamide gel electrophoresis，简称PAGE)是以聚丙烯酰胺凝胶作为支持介质的一种电泳方法。聚丙烯酰胺凝胶是由丙烯酰胺单体(acrylamide)和交联剂N,N-甲叉双丙烯酰胺(N,N-methylene-bisacylamide)在催化剂作用下合成的。,17,PAGE,电泳原理 在凝胶中存在凝胶层、缓冲液、pH值及电
9、场强度的不连续性。,大孔径，样品在其中浓缩，在与分离胶的界面上形成薄层，只具有电荷效应。,小孔径，具有电荷效应和分子筛效应，达到分离的目的。,18,1.电荷效应 pI不同，在恒定缓冲系统中不同蛋白质间同性净电荷的差异。2.分子筛效应 蛋白质分子的大小和形状的差异；蛋白质通过一定的分离胶时，受阻滞程度不同而表现出不同的迁移率。3.样品的浓缩效应 在不连续的凝胶电泳中，样品首先经过大孔径的浓缩胶被浓缩，再经过小孔径的分离胶进行分离。浓缩胶与分离胶之间不仅存在凝胶孔径的不连续性，还存在缓冲液系统的不连续性。,19,凝胶电泳的分类,按被分离的蛋白质电性阳极电泳：为通常使用的电泳方式，pH8.0-9.0
10、，多数蛋白质带负电，向正极迁移。阴极电泳：仅用于分离碱性蛋白质，pH4.0左右，蛋白质带正电，向阴极迁移按电泳系统的连续性连续电泳：系统中缓冲液pH和凝胶浓度保持不变。无浓缩效应。不连续电泳：体系中缓冲液离子组成、pH以及凝胶浓度的不连续性，有浓缩效应，分辨率高。,20,影响分离结果的因素,1.缓冲系统的选择缓冲系统中pH的选择 由于蛋白质分离时需保持溶解状态，且蛋白质的分离要依据其电荷密度，因此pH的选择很重要，一方面要使蛋白质的电荷密度差别大有利于分离，另一方面要使蛋白质荷电多且带同性电荷以加速分离。近半数蛋白质的等电点在pH=4.0-6.5，因此常使用pH=8.0-9.5缓冲体系的阳极电
11、泳。对于碱性蛋白质可采用pH=3.0的KOH-醋酸缓冲系统。缓冲系统中离子强度的选择 离子强度低，蛋白质迁移速度快，但电泳带较宽；离子强度高，蛋白质迁移速度慢，电泳带窄细，但由于高导电性而产生大量热，易导致蛋白质变性及烧胶。另外，还要使缓冲系统有一定的pH缓冲能力。一般离子强度应为0.01-0.1mol/L,常用的是0.05mol/L,21,2.凝胶浓度 凝胶的分子筛效应与电泳分辨率、电泳速度密切相关，而凝胶的孔径大小决定于凝胶浓度，因此凝胶浓度的选择很重要。 一般可根据样品中蛋白质的分子量范围选择合适的凝胶浓度。,蛋白质分子量范围与聚丙烯酰胺凝胶浓度的关系,22,检测及处理,4,电泳,3,加
12、样,制胶,1,2,具体操作步骤,任何一种凝胶电泳都要经历四个过程。,考马斯亮蓝染色银染色荧光染料扫描、记录结果,凝胶贮液分离胶浓缩胶,制备样品蛋白质标样加样,23,应用,可测定蛋白质的分子量，对蛋白质组分进行分离、分析、纯化、定性、定量以及少量的制备。对于常规PAGE，由于电泳后蛋白质还保持其生物活性，因此尤其适用于分离各种欲保持天然活性的蛋白质，如酶、抗原、抗体、激素等。,24,2.SDS-PAGE,在电泳体系中加入了十二烷基硫酸钠（SDS）和强还原剂。其中SDS作为阴离子去垢剂会破坏蛋白质的氢键和疏水相互作用，导致蛋白质构象改变，而巯基乙醇等可以打开蛋白质分子内的二硫键，使其分解为亚基，因
13、此电泳过程中蛋白质的生物活性丧失或减弱，但电泳后可恢复或部分恢复活性。,它可用于多肽相对分子质量的分析，其特点是SDS会使蛋白质分离并与之结合形成蛋白-SDS胶束，所带的负电荷大大超过了蛋白质原有的电荷，因此消除了电荷差异对结果的影响。,原理,25,26,蛋白质-SDS复合物在溶液中的形状像一个长椭圆棒，无形状差别，棒的长度与蛋白质亚基分子量有关，所以在SDS-PAGE中蛋白质分子仅存在分子大小的差异，于是可利用分子量差异将各种蛋白质分开，因此SDS-PAGE常用于测定蛋白质亚基的分子量和纯度鉴定。,27,影响分离结果的因素,1.缓冲系统的选择 对于SDSPAGE，由于SDS对蛋白质的助溶作用
14、以及负电荷的包裹作用，蛋白质的分离仅依据于亚基的分子大小，因此缓冲液的选择极为简单。只要有利于分离并保持蛋白质的稳定以及不与SDS发生相互作用即可。2.凝胶浓度 凝胶浓度决定孔径大小，而凝胶孔径影响电泳效果。特别是对于SDSPAGE，由于电泳分离只取决于SDS蛋白质亚基胶束的大小，因此凝胶浓度的选择尤为重要。应根据样品中蛋白质的分子量范围选择合适的凝胶浓度。,蛋白质分子量范围与SDS-聚丙烯酰胺凝胶浓度的关系,28,蛋白质分子量的测定,电泳迁移率与相对分子质量的对数呈线性关系： lgMr = -bmR + K,29,应用,可测定蛋白质的分子量，对蛋白质组分进行分离、分析、纯化、定性、定量以及少
15、量的制备。相对于光散射、色谱、超离心、渗透法等。SDS-PAGE是测定蛋白质亚基分子量的一种简单、经济、快捷、高分辨的好方法。,30,3.等电聚焦,等电聚焦（IEF）是根据蛋白质分子等电点的不同，在一个连续的、稳定的线性pH梯度中电泳，从而对蛋白质进行分离和分析的技术。由于它具有聚焦效应（浓缩效应），是目前分辨率最高的技术。,根据建立pH梯度不同：载体两性电解质：将载体两性电解质溶解在电泳介质溶液中制胶，形成聚丙烯酰胺或琼脂糖凝胶电泳，然后将凝胶引入电场中等电聚焦。载体两性电解质在凝胶中迁移形成pH梯度，而样品则聚焦在其等电点处。分辨率为0.01pH单位，上样量不可过高。固相pH电解质：将弱酸
16、、弱碱两性基团直接引入丙烯酰胺中，在凝胶聚合时就形成pH梯度，因此pH梯度固定。分辨率达0.001pH单位，上样量可更大。,31,等电聚焦原理,32,应用,可测定蛋白质的等电点，对蛋白质组分进行分离、分析、纯化、定性、定量以及制备。,33,4.双向电泳（2D）,双向电泳是将样品电泳后，在它的垂直方向再进行第二次电泳。目前的双向电泳大都是第一向为等电聚焦，第二向为梯度SDS-PAGE。这样经过电荷和质量的两次分离后，就可以得到蛋白质等电点和分子量的信息，电泳结果不是带，而是点。这是目前电泳技术中分辨率最高，可以得到蛋白质信息最多的技术。,34,双向电泳,35,应用,双向电泳不仅能同时测定蛋白质的等电点、分子量，更重要的是它还可用于了解蛋白质混合物的组成及变化，如不同细胞、亚细胞中的蛋白质组成及含量差异，从而在病理研究、组织培养以及生物进化等领域中的应用越来越多。,36,小结 本章介绍了四种主要的电泳方法：区带电泳、移界电泳、等电聚焦、等速电泳，讨论了每种方法的应用实例，如SDS-PAGE和等。为解释蛋白和生物大分子在电场中的移动，我们采用源于胶体化学的固体颗粒模型。此模型采用双电层、zeta电势的定义以及表面结合离子层的概念。电渗现象和粘滞力会阻碍大分子的分离。稀溶液数学模型可用来确定分离时间以及区带电泳、等电聚焦和等速电泳中的带宽。,37,Thank You!,37,
