Электрофорез — перенос частиц в электрическом поле¶

Электрофорез — это перенос заряженных частиц (ионов, молекул, коллоидных частиц) в жидкой или гелеобразной среде под действием постоянного электрического поля. Простыми словами, когда через раствор или гель пропускают электрический ток, заряженные частицы начинают двигаться в определённом направлении: отрицательно заряженные — к положительному электроду (аноду), положительно заряженные — к отрицательному (катоду). Скорость и направление движения зависят от величины заряда частицы, её размера, формы, свойств среды и силы электрического поля. Метод широко применяется в биохимии, молекулярной биологии, медицине, химическом анализе и промышленности.

¶Физическая сущность

Когда заряженная частица помещается в электрическое поле, на неё действует сила, равная произведению заряда на напряжённость поля. Растворитель, в котором движется частица, оказывает сопротивление (вязкое трение), поэтому через некоторое время частица приобретает постоянную скорость, называемую подвижностью. Подвижность зависит от заряда, радиуса и формы частицы, а также от диэлектрической проницаемости и вязкости среды. Для сферической частицы в растворе электрофоретическая подвижность описывается уравнением Генри — Смалуховского.

В реальных растворах движение частиц осложняется двумя эффектами. Первый — сольватация: частицы окружены оболочкой молекелв растворителя, которая уносится вместе с ними и увеличивает эффективный размер. Второй — электроосмос: движение жидкости относительно поверхности капилляра или геля под действием поля, которое накладывается на собственное движение частиц.

¶Основные виды

По типу среды, в которой происходит разделение, электрофорез подразделяют на несколько групп:

• Зонный (капиллярный) — проводится в тонкой стеклянной или кварцевой капилляре, заполненной буферным раствором. Метод позволяет разделять ионы и мелкие молекулы с высокой эффективностью, применяется для анализа лекарств, аминокислот, витаминов.
• Гель-электрофорез — разделение идёт в пористом геле (агарозе, полиакриламиде). Поры геля работают как молекулярное сито: мелкие частицы мигрируют быстрее, крупные — медленнее. Метод стал основным инструментом молекулярной биологии.
• Изоэлектрофокусировка — разделение белков по их изоэлектрической точке в градиенте pH. Белок движется до места, где его суммарный заряд равен нулю, и останавливается.
• Дисковый электрофорез — вариант полиакриламидного геля (PAGE), при котором разные фракции формируют компактные «диски»-полосы за счёт градиентов концентрации и pH.
• Иммуноэлектрофорез — комбинация электрофореза и реакции антиген-антитело, используется для качественного анализа белков сыворотки крови.
• Двухмерный электрофорез — белки сначала разделяются по изоэлектрической точке, затем — по молекулярной массе, что резко повышает разрешающую способность.

¶Гель-электрофорез в молекулярной биологии

Наиболее известной разновидностью является агарозный гель-электрофорез, применяемый для разделения нуклеиновых кислот. Агароза — полисахарид из морских водорослей, образует при застывании пористый гель. ДНК и РНК несут отрицательный заряд фосфатных групп, поэтому всегда мигрируют к аноду. Скорость обратно пропорциональна логарифму молекулярной массы: короткие фрагменты проходят через поры легче, чем длинные.

Для визуализации ДНК используют интеркалирующие красители — бромистый этидий или более безопасные аналоги, которые встраиваются между основаниями и флуоресцируют под ультрафиолетом. Рядом с анализируемыми пробами загружают «масс-маркеры» — смесь фрагментов известной длины, позволяющую оценить размеры неизвестных полос.

Полиакриламидный гель (PAGE) имеет более мелкие поры и применяется для разделения белков и коротких олигонуклеотидов. В варианте SDS-PAGE белки предварительно обрабатывают детергентом додецилсульфатом натрия, который придаёт им одинаковую удельную заряженность и разрывает пространственную структуру — в результате разделение идёт практически только по молекулярной массе.

¶Применение

В медицине электрофорез используется в двух основных направлениях. Диагностическом — как метод лабораторного анализа: электрофорез белков сыворотки позволяет выявить миеломную болезнь (появление М-градиента), дефициты иммуноглобулинов, синдромы воспаления. Лечебном — как физиотерапевтическая процедура, при которой лекарственные вещества вводят в ткани тела через кожу под действием тока. Такой метод называется лекарственным электрофорезом и применяется в отечественной физиотерапии для лечения заболеваний суставов, позвоночника, периферических нервов.

В химическом анализе капиллярный электрофорез конкурирует с хроматографией: он требует малых объёмов пробы, расходует минимум растворителей и позволяет разделять ионы, аминокислоты, витамины, пептиды и многие лекарственные препараты.

В промышленности электрофорез применяют при нанесении лакокрасочных покрытий (электрофоретическая окраска кузовов автомобилей), очистке сточных вод, разделении глинистых минералов.

¶История

Явление было открыто русским физиологом Петром Ивановичем Бородиным в 1809 году: он наблюдал перемещение частиц глины в воде под действием электрического тока. В 1937 году финский химик Арне Тиселиус построил аппарат, позволивший разделять белки сыворотки крови, и в 1948 году получил за эту работу Нобелевскую премию по химии. Развитие гель-электрофореза в 1950—1960-х годах (Олаф Портер, Джон Моррис) превратило метод в основной инструмент лабораторной биологии.

Источники:

• Русанов А. И. «Кинетика дисперсных процессов»
• Тиселиус А. Электрофорез белков сыворотки крови
• Гель-электрофорез: методы молекулярной биологии (учебные пособия)
• Бородин П. И. «Опыт применения гальванического тока к химическому разложению глины» (1809)