电泳概述及分类

药物分离与纯化技术课程电泳概述及分类2023/5/132电泳技术一、概述二、电泳分类三、凝胶电泳大纲1.电泳:带电颗粒在电场的作用下，向着与其电性相反的电极移动，称为电泳。正极负极带负电粒子带正电粒子一、概述

2.电泳的发展历史1809年俄国物理学家Рейсе首次发现电泳现象。他在湿粘土中插上带玻璃管的正负两个电极，加电压后发现正极玻璃管中原有的水层变混浊，即带负电荷的粘土颗粒向正极移动，这就是电泳现象。1937年瑞典Uppsala大学的Tiselius对电泳仪器作了改进，创造了Tiselius电泳仪，建立了研究蛋白质的移动界面电泳方法。Tiselius在电泳技术方面做出的开拓性贡献而获得了1948年的诺贝尔化学奖。

1948年Wieland和Fischer重新发展了以滤纸作为支持介质的电泳方法，对氨基酸的分离进行研究。1959年Raymond和Weintraub利用人工合成的凝胶作为支持介质，创建了聚丙烯酰胺凝胶电泳，极大地提高了电泳技术的分辨率，开创了近代电泳的新时代。20世纪80年代发展起来的新的毛细管电泳技术，是化学和生化分析鉴定技术的重要新发展，己受到人们的充分重视。3.迁移率及其影响因素3.1迁移率:是指带电颗粒在单位电场下泳动的速度。

3.2迁移率的影响因素

内在因素

外在因素

3.2.1影响迁移率的内在因素所带静电荷的多少——迁移率与表面电荷成正比。大小和形状——直径小而接近于球形，则在电场中泳动速度快。DNA构象——一般迁移速率超螺旋环状>线状DNA>单链开环。质粒DNA的构象3.2.2影响迁移率的外界因素电场强度

溶液的pH值

溶液的离子强度

温度的影响

支持物的影响

电渗

①电场强度电场强度是指单位长度（每一厘米）支持物体上的电位降，它对泳动速度起着十分重要的作用。当电压在500V以下，电场强度在2-10v/cm时为常压电泳。电压在500V以上，电场强度在20-200V/cm时为高压电泳。一般，电场强度越高，带电颗粒移动速度越快。

②溶液的pH值

溶液的pH决定被分离物质的解离程度和质点的带电性质及所带净电荷量。溶液的pH离pl越远，质点所带净电荷越多，电泳迁移率越大。因此在电泳时，应根据样品性质，选择合适的pH值缓冲液。③溶液的离子强度电泳液中的离子增加会使电泳迁移率降低，原因是带电的离子会吸引相反符号的离子聚集在其周围，相成一个与运动粒子符号相反的离子氛（ionicatmosphere），它使该离子向相反的方向运动，从而降低了该粒子的迁移率。④温度的影响电泳过程中由于通电产生焦耳热，热对电泳有很大的影响。温度每升高1℃，迁移率约增加2.4%。为降低热效应对电泳的影响，可控制电压或电流，或在电泳系统中安装冷却散热装置

⑤支持物的影响

对支持物的要求一般是均匀和吸附力小，否则电场强度不均匀，影响区带的分离，实验结果及扫描图谱无法重复。⑥电渗

电场作用下液体对于固体支持物的相对移动称为电渗（electro-osmosis）。其产生的原因是固体支持物多孔，且带有可解离的化学基团，因此常吸附溶液中的正离子或负离子，使溶液相对带负电或正电。应尽可能选择低电渗作用的支持物以减少电渗的影响。二、电泳的分类Tise-leas式微量电泳显微电泳等电聚焦电泳等速电泳密度梯度电泳电泳自由电泳（无支持体）区带电泳（有支持体）滤纸电泳（常压及高压）薄层电泳（薄膜及薄板）凝胶电泳（琼脂、琼脂糖、淀粉胶、聚丙烯酰胺凝胶）凝胶电泳：由琼脂、琼脂糖、淀粉胶及聚丙烯酰胺等物质作支持物的电泳。特点：1.可以制成非常均匀的凝胶，带电质点在凝胶的孔中泳动。2.电泳操作方法简便，电泳速度快3.分辨率高，重复性好，电泳图谱清晰。4.适用于生化，免疫等定性定量测定

三、凝胶电泳1琼脂糖凝胶电泳1.1实验原理琼脂糖凝胶电泳是分子生物学研究中常用的技术，可用于分离，鉴定和纯化DNA或RNA片段。不同大小、不同形状和不同构象的DNA分子在相同的电泳条件下，有不同的迁移率，所以可通过电泳使其分离。1.2琼脂糖简介天然琼脂（agar）是一种多聚糖，主要由琼脂糖（agarose，约占80%）及琼脂胶（agaropectin）组成。琼脂糖是由半乳糖及其衍生物构成的中性物质，不带电荷，而琼脂胶是一种含硫酸根和羧基的强酸性多糖，由于这些基团带有电荷，在电场作用下能产生较强的电渗现象，加之硫酸根可与某些蛋白质作用而影响电泳速度及分离效果。因此，目前多用琼脂糖为电泳支持物进行平板电泳。

分离不同大小DNA片段的

合适琼脂糖凝胶浓度1.3电泳缓冲液

TAE：乙酸盐缓冲液TBE：硼酸盐缓冲液TPE：磷酸盐缓冲液1.4实验步骤1.制作胶模：用胶带将洗净、干燥的水平板的边缘封住，并插入梳子，形成一个胶模并水平放置。2.熔胶：按水平板的长×宽×0.5cm胶厚，量取0.5×TBE，并按0.7％的浓度称取agarose琼脂糖，在微波炉或电炉上加热至全熔。3.制备凝胶板等凝胶温度降至大约50－60℃以下时，加入1mg/L溴化乙锭（EB）至终浓度为0.5ug/mL；摇匀并轻快地倒入水平板中，并除掉气泡。在凝胶电泳中，一般加入溴化乙锭（EB）--ethidiumbromide染色，此时，核酸分子在紫外光下发出荧光，肉眼能看到约50ngDNA所形成的条带。溴化乙锭4.凝固后，将梳子轻轻拔出。去掉胶带，将水平板放入加有0.5×TBE电泳缓冲液的电泳槽中，并且使电泳缓冲液高出凝胶约1mm。5.点样——在核酸样品中加入适量上样Buffer，混匀后点样。6.电泳

——盖好电泳槽盖子，选择适当的电泳电压（≤5V/cm）开始电泳。7.当色素接近胶的先端，停止电泳，样品在紫外灯下观察、成像。EB是强诱变剂，操作时应带手套，并注意安全。制备凝胶时，倒胶的温度不可太低，否则凝固不均匀；速度也不可太快，否则容易出现气泡。1.5实验注意事项聚丙烯酰胺凝胶单体丙烯酰胺(Acr)和交联剂N,N-甲叉双丙烯酰胺(Bis)在加速剂N，N，N，N—四甲基乙二胺(TEMED)和催化剂过硫酸铵(AP)或核黄素的作用下聚合交联成三维网状结构的凝胶，以此凝胶为支持物的电泳称为聚丙烯酰胺凝胶电泳(polyacrylamidegelelectrophoresis，简称PAGE)。2.聚丙烯酰胺凝胶电泳聚丙烯酰胺凝胶有下列特性：(1)在一定浓度时，凝胶透明，有弹性，机械性能好；(2)化学性能稳定，与被分离物不起化学反应，在很多溶剂中不溶；(3)对pH和温度变化较稳定；(4)几乎无吸附和电渗作用，只要Acr纯度高，操作条件一致，则样品分离重复性好；(5)样品不易扩散，且用量少，其灵敏度可达10-6g(6)凝胶孔径可调节，根据被分离物的分子量选择合适的浓度，通过改变单体及交联剂的浓度调节凝胶的孔径；(7)分辨率高，尤其在不连续凝胶电泳中，集浓缩、分子筛和电荷效应为一体。因而较醋酸纤维薄膜电泳、琼脂糖电泳等有更高的分辨率。凝胶浓度(T)的选择与被分离物质分子量密切相关。表：

分子量范围与凝胶浓度的关系分子量范围 适用的凝胶浓度/(%)

蛋白质

104 20-30 1-4×104 15-201-5×104-1×105 10-15 1×105 5-10

5×105 2-5

核酸(RNA) 104 15–20 104–105 5-10 105-2×106 2-2.6 按凝胶装置分为盘状电泳（图1）及板状电泳（图2）盘状电泳通常是不连续系统，利用缓冲液离子成分、pH、凝胶孔径进行电泳，带电颗粒电泳时具有电荷效应、分子筛效应、

浓缩效应。聚丙烯酰胺凝胶电泳分类图1聚丙烯酰胺凝胶圆盘电泳示意图

(A为正面,B为剖面)

(1)样品胶pH6.7(2)浓缩胶pH6.7

(3)分离胶pH8.9(4)电极缓冲液pH8.3

图2夹心垂直板电泳槽示意图图3凝胶模示意图

1.导线接头2.下贮槽3.凹形橡胶框4.样品槽模板5.固定螺丝6.上贮槽7.冷凝系统

PAGE根据其有无浓缩效应，分为连续系统和不连续系统两大类，连续系统电泳体系中缓冲液pH值及凝胶浓度相同，带电颗粒在电场作用下，主要靠电荷和分子筛效应。不连续系统中由于缓冲液离子成分，pH，凝胶浓度及电位梯度的不连续性，带电颗粒在电场中泳动不仅有电荷效应，分子筛效应，还具有浓缩效应，因而其分离条带清晰度及分辨率均较前者佳。不连续体系由电极缓冲液、浓缩胶及分离胶所组成。浓缩胶是由AP催化聚合而成的大孔胶，凝胶缓冲液为pH6.7的Tris-HC1。分离胶是由AP催化聚合而成的小孔胶，凝胶缓冲液为pH8.9Tris-HC1。电极缓冲液是pH8.3Tris-甘氨酸缓冲液。2种孔径的凝胶、2种缓冲体系、3种pH值使不连续体系形成了凝胶孔径、pH值、缓冲液离子成分的不连续性，这是样品浓缩的主要因素。

缓冲液离子成分、PH的不连续性：电极缓冲液通常为pH8.3Tris-甘氨酸缓冲液，样品及凝胶中缓冲液为pH6.7Tris-HCL缓冲液。电极缓冲液的pH=8.3，甘氨酸的电离小，有效迁移率小，称为慢离子；浓缩胶中的氯离子完全电离，有效迁移率大，称为快离子；蛋白质在浓缩胶中介于二者之间。电泳开始后，氯离子跑得最快，留下一段低电导区，产生高电位梯度（电位与电导率成反比），使甘氨酸离子追赶氯离子，蛋白质夹在中间而被压缩。1cm厚样品层可以压缩0.25μm的厚度。浓缩效应

图4电泳过程示意图

A为电泳前3层凝胶排列顺序，3层胶中均有快离子，慢离子

B显示电泳开始后，蛋白质样品夹在快、慢离子之间被浓缩成极窄的区带。C显示蛋白质样品分离成数个区带。

图5不连续系统浓缩效应示意图

分子筛效应：分子量或分子大小和形状不同的蛋白质通过一定孔径分离胶时，受阻滞的程度不同而表现出不同的迁移率，这就是分子筛效应。当样品进入分离胶，凝胶孔径变小，分子量小，阻力小，移动快；分子量大，阻力大，移动慢。电荷效应：电荷量不同，迁移率不同。SDS－聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS）：蛋白质在聚丙烯酰胺凝胶电泳时，它的迁移率取决于它所带净电荷以及分子的大小和形状等因素。如果在丙烯酰胺凝胶系统中加入阴离子去污剂十二烷基磺酸钠(sodiumdodecylsulfate,简称SDS)，则蛋白质分子的电泳迁移率主要取决于它的分子量，而与所带电荷和形状无关。因此可以利用SDS测定蛋白质分子量。实验步骤1.安装夹心式垂直板电泳槽(1)装上贮槽和固定螺丝销钉，仰放在桌面上。(2)将长、短玻璃板分别插到凵形硅橡框的凹形槽中，注意勿用手接触灌胶面的玻璃。(3)将已插好玻璃板的凝胶模平放在上贮槽上，短玻璃板应面对上贮槽。(4)将下贮槽的销孔对准已装好螺丝销钉的上贮槽，双手以对角线的方式旋紧螺丝帽。(5)竖直电泳槽，在长玻璃板下端与硅胶模框交界的缝隙内加入已融化的1%琼脂(糖)。其目的是封住空隙，凝固后的琼脂(糖)中应避免有气泡。3.制备凝胶板 将混合后的分离胶溶液，用细长头的滴管加至长、短玻璃板间的窄缝内，加胶高度距样品模板梳齿下缘约1cm。用1mL注射器在凝胶表面沿短玻璃板边缘轻轻加一层重蒸水(约3–4mm)，用于隔绝空气，使胶面平整。约30-60min凝胶完全聚合，则可看到水与凝固的胶面有折射率不同的界线。 将上、下贮槽的蒸馏水倒去，将混合均匀后的浓缩胶溶液，用细长头的滴管加到长、短玻璃板的窄缝内(即分离胶上方)，距短玻璃上缘0.5cm处，轻轻加入样品槽模板.在上、下贮槽中加入蒸馏水，但不能超过短玻璃板上缘。静置电泳槽，10min左右，上胶即可聚合，再放置10-20min，加入电极缓冲液，使液面没过短玻璃板约0.5cm，轻轻取出样品槽模板，即可加样。4.样品的处理及加样

将样品按0.5–1mg/mL加样品溶解液，溶解后，将其转移到带塞的小离心管中，轻轻盖上盖子(不要塞紧，以免加热时迸出)，在100℃沸水浴中加热3min，取出冷却后加样。 用微量进样器取25l上述混合液，通过缓冲液，小心地将样品加到凝胶凹形样品槽底部。5.电泳 将电泳仪的正极与下槽连接，负极与上槽连接，接通冷却水，打开电泳仪开关，开始时电流为10mA，待样品进入分离胶后，将电流调至20-30mA，当溴酚蓝染料距硅胶框1cm时，停止电泳，关闭电源及冷却水。6.染色与脱色 电泳结束后，取下凝胶模，卸下硅胶框，用不锈钢药铲或镊子撬开短玻璃板，从凝胶板上切下一角作为加样标记，在两侧溴酚蓝染料区带中心，插入细铜丝作为前沿标记。加入染色液染色1-2h，再用脱色液脱色，直至蛋白质区带清晰，即可计算相对迁移率。电泳后的凝胶经考马斯亮蓝染色、脱色后的凝胶照片

7.结果处理量出加样端距细铜丝间的距离(cm)以及各蛋白质样品区带中心与加样端的距离(cm)，按下式计算相对迁移率mR:相对迁移率mR=

蛋白质样品距加样端迁移距离(cm)溴酚蓝区带中心距加样端距离(cm)注意事项

（1）丙烯酰胺和甲叉双丙烯酰胺是神经毒性试剂，对皮肤有刺激作用，注意避免直接接触。（2）安装电泳槽时要注意均匀用力旋紧固定螺丝，避免缓冲液渗漏。（3）用琼脂(糖)封底及灌胶时不能有气泡，以免电泳时影响电流的通过。（4）样品中应含一定浓度的蔗糖溶液，目的是用以防止样品因对流而被稀释。

（5）加样时样品不能超出凹形样品槽。加样槽中不能有气泡，如有气泡，可用注射器针头挑除。SDS电泳常见问题分析1.配胶缓冲液系统对电泳的影响？

在SDS－PAGE不连续电泳中，制胶缓冲液使用的是Tris－HCL缓冲系统，浓缩胶是pH6.7，分离胶pH8.9；而电泳缓冲液使用的Tris－甘氨酸缓冲系统。在浓缩胶中，其pH环境呈弱酸性，因此甘氨酸解离很少，其在电场的作用下，泳动效率低；而CL离子却很高，两者之间形成导电性较低的区带，蛋白分子就介于二者之间泳动。由于导电性与电场强度成反比，这一区带便形成了较高的电压剃度，压着蛋白质分子聚集到一起，浓缩为一狭窄的区带。当样品进入分离胶后，由于胶中pH的增加，呈碱性，甘氨酸大量解离，泳动速率增加，直接紧随氯离子之后，同时由于分离胶孔径的缩小，在电场的作用下，蛋白分子根据其固有的带电性和分子大小进行分离。

所以，pH对整个反应体系的影响是至关重要的，实验中在排除其他因素之后仍不能很好解决问题的情况，应首要考虑该因素。

2.样品如何处理？

根据样品分离目的不同，主要有三种处理方法：还原SDS处理、非还原SDS处理、带有烷基化作用的还原SDS处理。

1）还原SDS处理：在上样buffer中加入SDS和DTT（或Beta巯基乙醇）后，蛋白质构象被解离，电荷被中和，形成SDS与蛋白相结合的分子，在电泳中，只根据分子量来分离。一般电泳均按这种方式处理，样品稀释适当浓度，加入上样Buffer，离心，沸水煮5min，再离心加样。

2）带有烷基化作用的还原SDS处理：碘乙酸胺的烷基化作用可以很好的并经久牢固的保护SH基团，得到较窄的谱带；另碘乙酸胺可捕集过量的DTT，而防止银染时的纹理现象。100ul样品缓冲液中10ul20％的碘乙酸胺，并在室温保温30min。

3）非还原SDS处理：生理体液、血清、尿素等样品，一般只用1％SDS沸水中煮3min，未加还原剂，因而蛋白折叠未被破坏，不可作为测定分子量来使用。

3.SDS电泳凝胶中各主要成分的作用？

聚丙烯酰胺的作用：丙烯酰胺与为蛋白质电泳提供载体，其凝固的好坏直接关系到电泳成功与否，与促凝剂及环境密切相关；

制胶缓冲液：浓缩胶选择pH6.7，分离胶选择pH8.9，选择tris－HCL系统，TEMED与AP：AP提供自由基，TEMED是催化剂，催化自由基引起的聚合反应进行；十二烷基硫酸钠（SDS）：阳离子去污剂，作用有四：去蛋白质电荷、解离蛋白质之间的氢键、取消蛋白分子内的疏水作用、去多肽折叠。

4.提高SDS电泳分辨率的途径？

聚丙烯酰胺的充分聚合，可提高凝胶的分辨率。建议做法：待凝胶在室温凝固后，可在室温下放置一段时间使用。忌即配即用或4度冰箱放置，前者易导致凝固不充分，后者可导致SDS结晶。一般凝胶可在室温下保存4天，SDS可水解聚丙烯酰胺。

一般常用的有氨基黑、考马斯亮蓝、银染色三种染料，不同染料又各自不同的染色方法，具体可参照郭尧君编著的《蛋白质电泳技术手册》P82-103。

5.“微笑”（两边翘起中间凹下）形带原因？

主要是由于凝胶的中间部分凝固不均匀所致，多出现于较厚的凝胶中。

处理办法：待其充分凝固再作后续实验。

6.“皱眉”（两边向下中间鼓起）形带原因？

主要出现在蛋白质垂直电泳槽中，一般是两板之间的底部间隙气泡未排除干净。

处理办法：可在两板间加入适量缓冲液，以排除气泡。7.为什么带出现拖尾现象？

主要是样品融解效果不佳或分离胶浓度过大引起的。

处理办法：加样前离心；选择适当的样品缓冲液，加适量样品促溶剂；电泳缓冲液时间过长，重新配制；降低凝胶浓度。

8.为什么带出现纹理现象？

主要是样品不溶性颗粒引起的。

处理办法：加样前离心；加适量样品促溶剂。

9.什么是“鬼带”，如何处理？

“鬼带”就是在跑大分子构象复杂的蛋白质分子时，常会出现在泳道顶端（有时在浓缩胶中）的一些大分子未知条带或加样孔底部有沉淀，主要由于还原剂在加热的过程中被