Elektrophorese / Gelelektrophorese

Ein Trennverfahren für Aminosäuren

Bei einem bestimmten pH-Wert (zum Beispiel pH = 6) sind manche Aminosäuren positiv geladen, andere negativ, und manche sind neutral. Dies kann man ausnutzen, um ein Gemisch aus Aminosäuren mit Hilfe eines elektrischen Feldes zu trennen: Elektrophorese.

Einfache Papier-Elektrophorese im Schulversuch

Eine einfache Elektrophorese, wie man sie auch im Schulversuch durchführen könnte, funktioniert im Prinzip folgendermaßen:

Man nimmt ein längliches Stück Filtrierpapier, feuchtet dieses mit Wasser oder einem anderen polaren Lösungsmittel an, das den Strom leitet, und legt das Filtrierpapier auf eine ebene Fläche, die auch noch angefeuchtet wird (es gibt auch spezielle Elektrophoresekammern, in denen das Filtrierpapier senkrecht eingespannt werden kann).

Die zu analysierenden Aminosäuren hat man in einem polaren Lösungsmittel gelöst. Nun gibt man ein paar Tropfen dieser Lösung in die Mitte des Filtrierpapiers. Dann verbindet man das feuchte Filtrierpapier mit dem Pluspol und dem Minuspol einer Gleichspannungsquelle:

Elektrophorese eines Gemischs aus Aminosäuren - Vorbereitung

Nun schaltet man den elektrischen Strom ein. Die Aminosäuren, die bei dem gerade herrschenden pH-Wert positiv geladen sind, wandern nun in Richtung Minuspol. Aminosäuren mit einer großen Seitenkette, zum Beispiel Arginin, wandern im elektrischen Feld nicht so schnell wie Aminosäuren mit einer kleinen Seitenkette, beispielsweise Glycin.

Aminosäuren, die bei dem gerade herrschenden pH-Wert negativ geladen sind, wandern in Richtung Pluspol. Auch hier gilt: je größer die Seitenkette, desto langsamer wandert die Aminosäure.

Diejenigen Aminosäuren, die bei dem pH-Wert als Zwitter-Ion vorliegen, wandern überhaupt nicht im elektrischen Feld, da sie nach außen hin elektrisch neutral sind.

Nach etwa 20 Minuten sieht das Filtrierpapier vielleicht so aus:

Filtrierpapier nach 20 Minuten Elektrophorese

Gelelektrophorese

Bei der sogenannten Gelelektrophorese oder wird kein Filtrierpapier als Trägermedium verwendet, sondern ein Gel. Unter einem Gel muss man sich so etwas Ähnliches vorstellen wie einen farblosen Wackelpudding (Götterspeise).

Eine Apparatur zur horizontalen Gelelektrophorese
Jeffrey M. Vinocur, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Dieses Bild zeigt eine Apparatur zur sogenannten horizontalen Gelelektrophorese. Das Gel befindet sich in dem Glas- oder Kunststoff-Trog, den man vorne im Bild sieht. Der Pluspol befindet sich vorne (rotes Kabel), der Minuspol hinten (schwarzes Kabel).

Gele

Agarose-Gele sind großporig mit Porengrößen um 150 nm bis 500 nm (je nach Konzentration der Agarose). Sie eignen sich vor allem zur Auftrennung von DNA und größeren Proteinen ^[1,2].

Polyacrylamid-Gele haben kleinere Poren mit nur 3 bis 6 nm Durchmesser. Mit solchen Genen kann man kleinere Proteine und Peptide trennen ^[1,2].

Stärke-Gele bestehen aus hydrolysierter Kartoffelstärke mit Konzentrationen zwischen 5% und 10% Stärke. Eine Porengröße wird hier nicht angegeben ^[2].

Funktionsweise

Die DNA ist wegen der Phosphatgruppen im Rückgrat negativ geladen, daher wandert sie bei der Gelelektrophorese zum Pluspol. Die Poren des Gels wirken dabei wie ein Sieb. Je kleiner die DNA ist, desto einfacher und schneller gelangt sie durch die vielen Poren zum Pluspol, bei großen DNA-Molekülen oder -Bruchstücken dauert es entsprechend länger, bis sie am Pluspol angekommen sind. Als Kontrolle lässt man bei der Elektrophorese eine DNA mitlaufen, deren Länge bekannt ist.

Da DNA-Moleküle farblos sind, muss man das Gel nach der Auftrennung anfärben, und zwar mit Ethidiumbromid oder Magafluor. Auf diese Weise entstehen die sichtbaren Banden im Gel.

Ergebnisse

DNA-Banden unter UV-Licht im durch Ethidiumbromid gefärbten Agarose-Gel
Mnolf, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Hier hat man sechs DNA-Proben parallel untersucht. Nach erfolgter Elektrophorese wurde das Gel mit Ethidiumbromid angefärbt und dann im UV-Licht photographiert. Jede DNA-Fraktion liefert eine eigene Bande. Je leichter die DNA, desto weiter wandert die Fraktion in dem Gel zum Pluspol, der sich hier oben befindet.