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Kompaktlexikon der Biologie: Elektrophorese

Elektrophorese, die Wanderung gelöster Ionen in einem elektrischen Feld, die eines der wichtigsten biochemischen Analyseverfahren darstellt, um u.a. Aminosäuren, Peptide, Proteine, Nucleotide und Nucleinsäuren aufgrund ihrer Wanderungsgeschwindigkeit analytisch und präparativ trennen zu können (Chromatographie). Diese hängt von den Eigenschaften des elektrischen Feldes, der Proben selbst und des verwendeten Puffersystems inklusive dessen pH-Wertes ab. Zu den wichtigsten Eigenschaften der elektrophoretisch zu analysierenden Proben zählen neben der Größe der Ladung vor allem deren Form und Molekülgröße. So zeigen fibröse und globuläre Proteine unterschiedliche Wanderungseigenschaften, weil Reibungs- und elektrostatische Wechselwirkungen sich unterschiedlich stark bemerkbar machen. Aus diesem Grund nimmt die Wanderungsgeschwindigkeit von Molekülen mit zunehmender Größe (bzw. relativer Molekülmasse) ab.

Zu den wichtigsten E.-Verfahren zählen die so genannten Gelelektrophoresen, bei denen als Träger i.d.R. Agarose oder Polyacrylamid zum Einsatz kommen.

Zur Herstellung von Agarosegelen wird Agarose im E.-Puffer aufgekocht, horizontal in eine Elektrophoreseapparatur gegossen, wo sie unterhalb von ca. 35°C zu einem festen Gel erstarrt. Mit Hilfe eines so genannten Kammes, der an einem Ende in das noch flüssige Gel eingetaucht wird, entstehen später kleine Taschen, in die die Proben aufgetragen werden. Agarosegele sind von stark geordneter Struktur, wobei die von der Agarosekonzentration abhängige Porengröße die Trennung beeinflusst. Agarosegele werden vor allem zur analytischen und präparativen Auftrennung von Nucleinsäuren verwendet. Als Farbstoff wird dem Gel vielfach Ethidiumbromid zugesetzt, um die aufgetrennten Nucleinsäuren sichtbar zu machen. DNA und RNA können mit geeigneten Verfahren aus der Agarose eluiert werden und stehen dann für weitere Verfahren zur Verfügung (DNA-Klonierung, Nucleinsäurehybridisierung).

Polyacrylamidgele mit einer Dicke von nur wenigen Millimetern werden vertikal zwischen zwei Glasplatten gegossen. Ein Kamm sorgt ebenfalls für die Bildung von Geltaschen. Das Monomer Acrylamid wird meist mit N,N'-Methylenbis-acrylamid in Gegenwart eines Katalysators copolymerisiert. Die Porengröße wird dabei durch das Verhältnis dieser beiden Substanzen bestimmt. Proteine werden vielfach in Anwesenheit von Natriumlaurylsulfat (SDS) einer so genannten SDS-Polyacrylamidgel-E. (Abk. SDS-PAGE) unterzogen. Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, dass dieses Detergens die Proteine so bindet, dass die SDS-Protein-Komplexe eine konstante negative Ladung pro Masseneinheit tragen. Dadurch erfolgt die Auftrennung aufgrund der Molekularsieb-Eigenschaften nach der Größe der Moleküle. Die Strecken, die die Proteine in einer gewissen Zeit wandern, sind dem log10 der relativen Molekülmasse (Mr) umgekehrt proportional. Mit Hilfe geeigneter Färbemethoden können aufgetrennte Proteingemische ausgewertet werden.

Von diesen beiden Grundtypen existieren zahlreiche Abweichungen, die an bestimmte experimentelle Fragestellungen angepasst wurden. Bei der isoelektrischen Fokussierung werden biologische Makromoleküle nicht nur in einem Spannungs-, sondern auch in einem pH-Gradienten aufgetrennt, sodass geringe Unterschiede im isoelektrischen Punkt von Proteinen zum Tragen kommen. Auf diese Weise lassen sich z.B. Isoenzyme charakterisieren. Dieses Verfahren kann mit einer anschließenden SDS-PAGE zur zweidimensionalen Gelelektrophorese erweitert werden: Ein Proteingemisch wird in einem stabförmigen Gel zunächst gemäß der isolelektrischen Punkte und dann der relativen Molekülmasse aufgetrennt.

Die beschriebenen E.-Verfahren sind die Grundlage weiterer biochemischer und molekularbiologischer Verfahren (DNA-Sequenzierung, Northern Blotting, Southern Blotting, Western Blotting)

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Redaktion:
Dipl.-Biol. Elke Brechner (Projektleitung)
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Dr. Daniel Dreesmann

Wissenschaftliche Fachberater:
Professor Dr. Helmut König, Institut für Mikrobiologie und Weinforschung, Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Professor Dr. Siegbert Melzer, Institut für Pflanzenwissenschaften, ETH Zürich
Professor Dr. Walter Sudhaus, Institut für Zoologie, Freie Universität Berlin
Professor Dr. Wilfried Wichard, Institut für Biologie und ihre Didaktik, Universität zu Köln

Essayautoren:
Thomas Birus, Kulmbach (Der globale Mensch und seine Ernährung)
Dr. Daniel Dreesmann, Köln (Grün ist die Hoffnung - durch oder für Gentechpflanzen?)
Inke Drossé, Neubiberg (Tierquälerei in der Landwirtschaft)
Professor Manfred Dzieyk, Karlsruhe (Reproduktionsmedizin - Glück bringende Fortschritte oder unzulässige Eingriffe?)
Professor Dr. Gerhard Eisenbeis, Mainz (Lichtverschmutzung und ihre fatalen Folgen für Tiere)
Dr. Oliver Larbolette, Freiburg (Allergien auf dem Vormarsch)
Dr. Theres Lüthi, Zürich (Die Forschung an embryonalen Stammzellen)
Professor Dr. Wilfried Wichard, Köln (Bernsteinforschung)

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