聚丙烯酰胺凝胶平板等电聚焦电泳测定蛋白质等电点

一、目的：
学习聚丙烯酰胺凝胶平板等电聚焦电泳测定蛋白质等电点的原理及方法。
二、原理：
等电点聚焦（isoelectric focusing, IEF）或简称电聚焦（electrofocusing），也曾称等电点分离聚焦电泳等。它是60年代中期出现的技术，克服了一般电泳易扩散的缺点。近年来，等电点聚焦电泳又有了新的进展，可以分辨等电点只差0.001pH单位的生物分子。由于它的分辨力高、重复性好、样品容量大、操作简便、迅速，在生物化学、分类学、分子生物学及临床医学研究等诸方面，都得到广泛应用。
等电点聚焦电泳产生pH梯度的方法有两种：一是用两种不同的pH缓冲液相互扩散，在混合区形成pH梯度，此为人工pH梯度。这种pH梯度不稳定，常用于制备电泳；另一种是利用载体两性电解质在电场作用下形成自然pH梯度。本实验就是利用载体两性电解质形成的自然pH梯度进行蛋白质样品等电焦聚电泳的。
理想的载体两性电解质应该在其本身的等电点处有足够的缓冲能力和良好的导电性，且分子量要小，组成与被分析样品有所区别，对分析样品无变性作用或发生化学反应。常用的载体两性电解质是一系列脂肪族多氨基和多羧基类的混合物，即是一系列的异构物和同系物，分子量在300—1000之间，各组分的等电点(pI)既有差异又相接近，pI的范围在2.5—11之间。合成载体两性电解质的原料是丙烯酸和多乙烯多胺，合成反应如下：

R1和R2为氢或带有氨基的脂肪基。这一反应的特点是生成众多的异构物和同系物的混合物，而不是均一的化合物。混合物中各成分的含量、等电点的分布，取决于原材料的性质、比例和合成条件。目前常用的载体两性电解质的商品有：Ampholine（LKB公司）、Pharmlyte（Pharmacia公司）、Serralyty（Serva公司），近来已有国产商品了。不同厂家合成的方法不同，电泳的条件也略有不同。目前，载体两性电解质商品在使用时还存在一些问题，如样品中的盐浓度对pH梯度有影响等，但毕竟优点很多，仍然得到广泛应用。
分析载体两性电解质的结构可知，它既有酸性基团(—NH₃ )，也有碱性基团(—COO^- )，既可接受分子，也可释放质子：

它们在酸性条件下带正电荷，在碱性条件下带负电荷。当它们所带的正负电荷相等时，其净电荷为零，呈电中性，此时溶液的pH值为该两性电解质的等电点，以pI表示。所以两性电解质的等电点在数值上等于它呈电中性时溶液的pH值。等电点是反映两性电解质在溶液中得失质子的能力，是它的物化性质。两性电解质在溶液中的行为可以从两方面看，一方面溶液的pH决定它带电荷的性质。如溶液是pH7，对pI=9的两性电解质来说，是处于酸性环境，故带正电荷；但对pI=3的两性电解质来说，却是处于碱性环境，故而带负电荷。所以，不同pI的两性电解质，在同一环境中带有不同性质和数量的电荷；另一方面，溶液中的两性电解质又破坏了水的解离平衡：
使溶液pH有所改变。当某一两性电解质pI较低，即释放质子（H ）能力较强，使溶液pH值下降，这类两性电解质称为酸性两性电解质；反之，pI高的可使溶液pH值上升，称为碱性两性电解质。所以，在溶液中的两性电解质一方面受溶液pH值的影响，决定其带电的性质；另一方面，它又影响周围环境（水溶液），使其pH值有所改变。

载体两性电解质是一系列多氨基多羧基的混合物，其pI其分布在2.5—10之间。在制备聚丙烯酰胺凝胶时，将其混溶其中。电泳时凝胶板正极的电极液是磷酸，负极是氢氧化钠。正极是酸性环境，载体两性电解质都带正电荷，但由于pI的不同，其所带正电荷数量就有所差异电泳时负极泳动的速度也就因此不同。同理，负极是碱性环境，载体两性电解质带有数量不等的负电荷，以不同速度向正极泳动。根据两性电解质的特性，在泳动过程中又不断地与溶液交换质子，改变了溶液的pH。当达到平衡时，即得失质子相等，不再出现质子的交换时，载体两性电解质到达等电点并各处于自己的pI区域，pI即是指溶液的pH值，所以，溶液也因此呈现不同的pH，随载体两性电解质的pI梯度而形成pH梯度。由于凝胶的防对流扩散作用，使pH梯度保持稳定不变（参看图20-1）。实验操作中，要求开始电泳时恒压60V，15min，目的在于使小分子的，泳动快的载体两性电解质可在短时间内形成一个粗略的pH梯度。此后，恒流为8mA，是为了避免电泳开始时介质中带电颗粒较多，电泳电流过高而破坏凝胶。当各种蛋白质逐渐泳动到各自等电点位置时，带电颗粒逐渐减少，出现电阻增大，电压随之增高现象。当电压升到550V时，带电颗粒已大为减少，电流不再偏高，故恒压到580V，继续电泳120min后，蛋白质颗粒慢慢地集中到它等电点位置。电流接近于零时，蛋白质颗粒不再泳动，电泳也到此结束。蛋白质样品也因其等电点的差异而得到集中和彼此分开（参看图20-2）。

最早的等电聚焦电泳是垂直板式，后来发展为水平板式。超薄层水平板式也是近几年发展起来的，这种形式的电泳的优点是节省两性电解质试剂、加样数量多、利于比较不同样品的电泳结果，而且电泳后的固定、染色和干燥都很方便、迅速。水平板式等电聚焦电泳的最大优点是防止了由于电极液的电渗作用而引起pH梯度的漂变。
三、器材及试剂：
1．器材：
稳流稳压电源，水冷式平板等电聚焦电泳电槽，玻璃板（11.5×11.5×0.2cm），大铁文具夹，塑料模具（厚0.5mm，中间开孔9.0×9.0cm），小眼科剪子，镊子，解剖刀，1ml注射器，50μl和100μl微量注射器，擦镜纸，滤纸，精密pH试纸，凝血板，培养皿（120mm），脱脂棉，棕色试剂瓶，吸液管，吸耳球，玻璃纸，坐标纸。
2．试剂：
重蒸水，丙烯酰胺（重结晶），甲叉双丙烯酰胺（重结晶），过硫酸铵，TEMED（四甲基乙二胺），载体两性电解质（pH3.5—10），考马氏亮蓝R250，液体石腊，乙醇（95%），硅油，磺基水杨酸，三氯乙酸，甲醇，乙酸（36%），已知pI蛋白质样品和标准等电聚焦样品（市售），磷酸，氢氧化钠。
3．溶液配制：
（1）单体贮液：丙烯酰胺2.91g，甲叉双丙烯酰胺0.9g，重蒸水溶解，定容到100ml，过滤备用（在棕色瓶中4℃可保存两周）。
（2）电极液：阳极1mol·L^-1磷酸（H₃PO₄）：原磷酸试剂的浓度约为16mol·L^-1，故配制时用重蒸水稀释16倍即可。