Кіріспе

Полиакриламид гель электрофорезы (PAGE) – биохимияда, сот химиясында, генетикада, молекулалық биологияда және биотехнологияда кеңінен қолданылатын әдіс. Электрофоретикалық жылдамдық молекуланың ұзындығы, конформациясы және зарядына байланысты. Полиакриламид гель электрофорезы – РНҚ үлгілерін талдау үшін қуатты құрал. Полиакриламид гелі электрофорезден кейін денатурацияланғанда, ол РНҚ түрлерінің құрамы туралы ақпарат береді. Акрилонитрилдің гидратациялануы нитрил гидратаза ферменті арқылы акриламид молекулаларын (|C3H5NO) түзетуге әкеледі. Акриламид мономеры су қосылғанға дейін ұнтақ күйде болады. Акриламид адамның жүйке жүйесіне зиянды, сондықтан онымен жұмыс істегенде барлық қауіпсіздік шараларын сақтау қажет. Акриламид суда жақсы ериді және еркін радикалдардың бастаушыларын қосу арқылы полимерленіп полиакриламид түзеді. Әрбір белокпен жүрілген қашықтықтың гельдің ұзындығына қатынасын (Rf) есептеу арқылы белоктардың салыстырмалы молекулалық салмағы туралы қорытынды жасауға болады, мұнда гельдің ұзындығы іздеуші бояу сияқты кішкентай молекуламен жүрілген қашықтықпен анықталады. Нуклеин қышқылдары үшін мочевина ең көп қолданылатын денатурациялаушы зат. Белоктар үшін натрий додецилсульфаты (SDS) – аниондық жуғыш зат, ол денатурацияланған белоктың әр екі аминқышқылына екі теріс заряд (әрбір SDS молекуласынан) беру үшін белок үлгілеріне жағылады. Процедуралық тұрғыдан алғанда, табиғи (Native) және SDS PAGE-ті бірге қолдану арқылы белоктың әр түрлі суббірліктерін тазарту және бөлуге болады. Табиғи PAGE белоктың олигомерлік түрін сақтайды және гельде белсенділік деңгейін көрсететін жолақты көрсетеді. SDS PAGE олигомерлік түрін мономерлерге бөліп, олардың молекулалық салмағын көрсететін жолақтарды көрсетеді. Бұл жолақтар белоктың тазалығын анықтау және бағалау үшін қолданылуы мүмкін. SDS-тен басқа, белоктарды дитиотреитол (DTT) немесе 2-меркаптоэтанол (бета-меркаптоэтанол/BME) сияқты тотығуға қарсы заттың қатысуында қысқа уақытқа қайнау температурасына дейін қыздыруға болады, бұл дисульфидтік байланыстарды азайтып белоктарды одан әрі денатурациялайды, осылайша үшіншілік белок құрылымының кейбір түрлерін жеңіп, төртіншілік белок құрылымын (олигомерлік суббірліктер) бұзады. Бұл азайту SDS PAGE деп аталады. Ерітіндіге іздеуші бояу қосуға болады. Бұл бояу әдетте электрофоретикалық жүгіру кезінде гель арқылы ерітіндінің қозғалысын бақылауға мүмкіндік беретін, зертенедін заттарға қарағанда электрофоретикалық жылдамдығы жоғары болады.

Акриламид гельдерін дайындау

Гельдер әдетте акриламидтен, бисакриламидтен, қажетті жағдайда денатурациялаушы заттан (SDS немесе мочевина) және pH-ы реттелген буферден тұрады. Полимерлену кезінде ауа көпіршіктерінің пайда болуын болдырмау үшін ерітінді вакуумда газсыздандырылуы мүмкін. Сонымен қатар, бутанолды ажырату геліне (белоктар үшін) құйғаннан кейін қосуға болады, себебі бутанол көпіршіктерді жояды және бетін тегістейді. Полимерлендіруді бастау үшін еркін радикалдардың көзі және аммоний персульфаты және TEMED сияқты тұрақтандырғыш қосылады. Полимерлену реакциясы қосылған бисакриламидтің арқасында гельді құрайды, ол екі акриламид молекуласы арасында байланыстарды қалыптастыра алады. Бисакриламид пен акриламидтің арақатынасы арнайы мақсаттар үшін өзгертілуі мүмкін, бірақ әдетте 35 бөліктен 1 бөлігін құрайды. Гельдің акриламид концентрациясы да өзгертілуі мүмкін, әдетте 5%-дан 25%-ға дейін. Төмен пайыздық гельдер өте жоғары молекулалық салмақты молекулаларды ажыратуға жақсырақ, ал кішкентай белоктарды ажырату үшін акриламидтің жоғарырақ пайыздық мөлшері қажет. Полиакриламид гельдерінің орташа тесік диаметрі акриламидтердің жалпы концентрациясымен (%T, T = акриламид пен бисакриламидтің жалпы концентрациясы) және байланыстыратын бисакриламидтің концентрациясымен (%C, C = бисакриламид концентрациясы) анықталады. Тесік өлшемі %T-ге кері пропорционалды түрде кемиді. %C жағынан, 5% концентрация ең кішкентай тесіктерді жасайды, себебі бисакриламидтің тесік өлшеміне әсері 5%-та төбесі бар парабола тәрізді болады. Гельдер әдетте гель құю құрылғысындағы екі шыны пластина арасында полимерлендіріледі, үлгілерді салу үшін жоғары жағына тіс қосылады. Гель полимерленгеннен кейін тіс алынып тасталады және гель электрофорезге дайын болады.

Электрофорез

PAGE-де үлгілердің сипатына және тәжірибелік мақсатына байланысты әртүрлі буферлік жүйелер қолданылады. Анодта және катодта қолданылатын буферлер бірдей немесе әртүрлі болуы мүмкін. Гель арқылы электр өрісі қолданылады, нәтижесінде теріс зарядталған ақуыздар немесе нуклеин қышқылдары гель арқылы теріс электродтан (өйткені бұл гальваникалық емес, электролиттік жасуша) және оң электродқа (анодқа) қарай жылжуға мәжбүр болады. Олардың мөлшеріне байланысты әрбір биомолекула гель матрицасы арқылы әртүрлі жылдамдықпен қозғалады: кішкентай молекулалар гельдегі тесіктер арқылы оңай өтеді, ал үлкендеріне бұл қиынға түседі. Гель әдетте бірнеше сағат бойы жұмыс істейді, бірақ бұл гельге қолданылатын кернеуге байланысты; жоғары кернеуде жылжу жылдамырақ жүреді, бірақ мұндай нәтижелер көбінесе төменгі кернеуде алынған нәтижелерге қарағанда дәл болмайды. Белгіленген уақыттан кейін биомолекулалар өз мөлшеріне сәйкес әртүрлі қашықтықтарға жылжуға үлгереді. Кішкентай биомолекулалар гельдің төменгі жағына қарай көбірек жылжыса, үлкендері бастапқы нүктеге жақын қалады. Сондықтан биомолекулаларды шамамен мөлшері бойынша бөлуге болады, бұл денатурациялық жағдайларда негізінен молекулалық салмаққа, ал табиғи жағдайларда жоғары реттік конформацияға байланысты. Гельдің жылдамдығы 1 В/см кернеу градиентімен жүргізілген жылжу жылдамдығы ретінде анықталады және өлшем бірлігі – см²/сек/В. Талдау мақсатында биомолекулалардың салыстырмалы жылдамдығы, Rf (молекуланың гельде жүрген қашықтығының трассировкалық бояудың жалпы қашықтығына қатынасы) молекуланың молекулалық салмағына (немесе кейде молекулалық салмақтың логарифміне, немесе одан да гөрі молекулалық радиусқа, Mr) қатысты кестеленеді. Мұндай әдеттегі сызықтық кестелер биомолекулалық өлшемдерді сандық бағалау үшін кеңінен қолданылатын стандарттық маркерлерді немесе калибрлеу қисықтарын көрсетеді.

Қосымша өңдеу

Электрофорезден кейін гель боялуы мүмкін (ақуыздар үшін, көбінесе Coomassie көк R 250 немесе авторадиография арқылы; нуклеин қышқылдары үшін этидий бромид, немесе екеуі үшін де күміс бояу), бұл бөлінген ақуыздарды көруге мүмкіндік береді немесе одан әрі өңделеді (мысалы, Вестерн блот). Бояудан кейін әртүрлі биомолекулалар гель ішінде анық жолақтар түрінде көрінеді. Гельді калибрлеу және белгісіз биомолекулалардың шамамен молекулалық массасын анықтау үшін белгілі молекулалық салмағы бар молекулалық масса маркерлері жеке жолақта қолданылады, бұл маркерге қатысты қашықтық бойынша салыстыру арқылы жүзеге асырылады. Ақуыздар үшін SDS-PAGE жоғары сенімділігі мен қарапайымдығының арқасында тазалықты бағау үшін көбінесе бірінші таңдау болып табылады. SDS-тің болуы және денатурациялау кезеңі ақуыздардың шамамен мөлшері бойынша бөлінуін қамтамасыз етеді, бірақ кейбір ақуыздардың қалыптан тыс қозғалысы болуы мүмкін. Әртүрлі ақуыздар әртүрлі боялуы мүмкін, бұл бояу арқылы сандық анықтауға кедергі келтіреді. PAGE сонымен қатар ақуыздарды тазарту үшін дайындық әдісі ретінде де қолданылуы мүмкін. Мысалы, дайындық түпнұсқалық PAGE күрделі биологиялық матрицалардағы түпнұсқалық металлопротеиндерді бөлуге арналған әдіс болып табылады.

Химиялық ингредиенттер мен олардың рөлі

Полиакриламид гелі (PAG) 1964 жылы тіндерді кесу үшін қолданылатын мүмкіндіктерді ұсынатын кіріктіру ортасы ретінде белгілі болды, ал 1959 жылы екі тәуелсіз топ PAG-ді электрофорезде қолданды. Ол электрофорез үшін қажетті бірнеше қасиеттерге ие, осының арқасында әмбебап орта болып табылады. Бұл синтетикалық, термотұрақты, мөлдір, берік, химиялық тұрғыдан салыстырмалы түрде инертті гель, және оны әртүрлі орташа тесік өлшемдерімен дайындауға болады. Гельдің тесік өлшемі және гель тесіктері өлшемінің қайталануы үш фактормен анықталады: акриламидтің жалпы мөлшері (%T) (T = акриламид және бисакриламид мономерінің жалпы концентрациясы), кросс-линкердің мөлшері (%C) (C = бисакриламид концентрациясы) және акриламидтің полимерлену уақыты (қ. QPNC PAGE). Тесік өлшемі %T-ның артуымен кемиді; кросс-байланыс жасағанда, 5%C ең кішкентай тесік өлшемін береді. %C-ның 5%-дан артуы немесе азаюы тесік өлшемін ұлғайтады, себебі тесік өлшемі %C-ға қатысты параболалық функция болып табылады, оның төбесі 5%C-де орналасқан. Бұл гельдің ішіндегі полимер талшықтарының біртекті емес жиналуына байланысты болуы мүмкін. Бұл гельдік материал жоғары кернеу градиентіне төтеп бере алады, әртүрлі бояу және дебояу процедураларына ыңғайлы, және бөлінген фракцияларды алу үшін қорытылуы немесе авторадиография және тұрақты тіркеу үшін кептірілуі мүмкін.

Құралымдары

Полиакриламид гельдері үйілетін және бөлінетін гельдерден тұрады. Жинақтау гельдері бөлінетін гельге қарағанда жоғары кеуектілікке ие, бұл белоктардың шоғырланған аймақта жылжуына мүмкіндік береді. Сонымен қатар, жинақтау гельдерінің pH-ы 6.8 шамасында болады, себебі бейтарап глицин молекулалары белоктың жылдам жылға қабілеттілігін арттырады. Бөлінетін гельдердің pH-ы 8.8 шамасында, онда аниондық глицин белоктардың жылға қабілеттілігін баяулатады. Бөлінетін гельдер белоктарды бөлуге мүмкіндік береді және салыстырмалы түрде төмен кеуектілікке ие. Мұнда белоктар мөлшері (SDS PAGE) және мөлшер/заряды (Native PAGE) бойынша бөлінеді. Химиялық буфер гельдің ішінде де, электрофорез буферінде де pH-ты қажетті деңгейде тұрақтандырады. Буфердің таңдалуы буферлік қарсы иондардың электрофоретикалық жылдамдығына және осылайша гельдің ажыратымдылығына әсер етеді. Буфер реакцияға түспеуі керек және көптеген белоктарды өзгертуге немесе олармен реакцияға түсуге болмайды. Қолданылуына қарай катодтық және анодтық буферлер ретінде әртүрлі буферлер қолданылуы мүмкін. Бір гельде бірнеше pH деңгейлері қолданылуы мүмкін, мысалы, DISC электрофорезінде. PAGE-дегі кең таралған буферлерге Tris, Bis Tris немесе имидазол жатады. Қарсы ион буферлік ионның ішкі зарядын теңестіреді және электрофорез кезінде электр өрісінің күшіне де әсер етеді. SDS PAGE катод буферлерінде жоғары зарядталған және жылдам иондар жиі кездеспейді, бірақ олар гельдің өзіне енгізілуі мүмкін, онда олар белоктан бұрын жылжып өтеді. DISC SDS PAGE сияқты қолданыстарда, гель ішіндегі pH мәні ажыратымдылықты жақсарту үшін жүгіру кезінде қарсы иондардың орташа зарядын өзгерту үшін өзгеруі мүмкін. Көбінесе қолданылатын қарсы иондар - глицин және трицин. Глицин ілеспе ион немесе баяу ион ретінде қолданылады, өйткені оның pKa 9.69-ға тең, ал глицинаттың жылдамдығы тиімді жылдамдықты pH диапазонындағы ең баяу белгілі теріс зарядты белоктардың жылдамдығынан төменге орнатуға мүмкіндік береді. Бұл диапазонның ең төмен pH шамамен 8.0-ға тең. Акриламид (|C3H5NO; молекулалық салмағы: 71.08) суда еріген кезде, акриламидтің баяу, спонтанды автополимерленуі жүреді, молекулалар бастан-басқа қосылып, ұзын тізбекті полимерлерді құрайды. Бос радикал тудыратын жүйе полимерленуді айтарлықтай жылдамдатады. Мұндай реакция винилді қосылу полимерленуі деп аталады. Бұл полимерлік тізбектердің ерітіндісі тұтқыр болады, бірақ гельді құрамайды, себебі тізбектер бір-бірінің үстінен ғана сығады. Гельдің пайда болуы үшін әртүрлі тізбектерді байланыстыру қажет. Акриламид канцерогенді, нейротоксин және репродуктивті токсин. Сондықтан акриламидті автополимерлену мен гидролизді азайту үшін салқын, қараңғы және құрғақ жерде сақтау қажет. Бисакриламид (N,N′ метиленбисакриламид) (|C7H10N2O2; молекулалық салмағы: 154.17) полиакриламид гельдерінде ең көп қолданылатын байланыстырушы агент. Химиялық тұрғыдан оны реакцияға қатыспайтын ұштарында біріктірілген екі акриламид молекуласы деп қарастыруға болады. Бисакриламид екі полиакриламид тізбегін бір-бірімен байланыстыра алады, осылайша гель пайда болады. Натрий додецил сульфаты (SDS) (|C12H25NaO4S; молекулалық салмағы: 288.38) (тек денатурациялық белок гельдерінде қолданылады) табиғи белоктарды жеке полипептидтерге денатурациялау үшін қолданылатын күшті жуғыш агент. Бұл денатурациялау, реконструктивті денатурациялау деп аталады, ол белоктың толық сызықтыққа айналуымен емес, кездейсоқ орам мен α спиральді екінші құрылымдардың комбинациясына конформациялық өзгеріс арқылы жүзеге асырылады. Этидий бромиді интеркаляция процесі арқылы нуклеин қышқылының тізбектерін байланыстырады. EtBr гель қоспасына қосу арқылы қолданылады. Гельді өткізгеннен кейін, гельді фотоқұжаттама жүйесі арқылы қарауға болады. Кәрени және Галлиас күміс бояуды гельдегі ақуыздың іздік мөлшерін анықтау үшін сезімтал әдіс ретінде енгізді. Бұл әдіс басқа да биологиялық макромолекулаларды зерттеуге қолданылды. Түстің қарқындылығына көптеген факторлар әсер етеді және әрбір белоктың өзіндік боялу сипаттамалары бар; таза шыны ыдыстар, таза реагенттер және ең таза су - сәтті бояудың кілті. Күміс бояу 14 ғасырда шыны бетін бояу үшін жасалды. Бұл мақсатта ол 16 ғасырдан бері кеңінен қолданылып келеді. Ертедегі күміс бояулардың түсі ашық сарыдан қызылға дейін ауысқан. Камилло Гольги жүйке жүйесін зерттеу үшін күміс бояуды жетілдірді. Гольджи әдісі шектеулі сандағы жасушаларды кездейсоқ түрде толық бояйды. Авторадиография, гель электрофорезінен кейін белок жолақтарын анықтау үшін де қолданылады, радиоактивті изотоптарды белоктарды белгілеу үшін пайдаланады, олар X-сәулелік пленканы қолдану арқылы анықталады. Вестерн блоттинг - акриламид гелінде бөлінген белоктарды электрофорез арқылы тұрақты, манипуляцияға қолайлы мембранаға (мысалы, нитроцеллюлоза, нейлон немесе PVDF мембранасы) көшіру процесі. Содан кейін көшірілген белоктарды көру үшін иммунохимиялық әдістерді қолдануға, сондай-ақ қызығушылық тудыратын белоктың салыстырмалы өсімдерін немесе азаюын дәл анықтауға болады.