QPNC-PAGE , или количественный препаративный непрерывный электрофорез в нативном полиакриламидном геле , представляет собой биоаналитический , одномерный , высокоразрешающий и высокоточный метод, применяемый в биохимии и бионеорганической химии для количественного разделения белков по изоэлектрической точке и путем непрерывного элюирования из колонки с гелем. . [1]
Этот стандартизированный вариант электрофореза в нативном геле и подмножество препаративного электрофореза в полиакриламидном геле используются биологами для разделения макромолекул в растворе с высоким выходом, например, в активные или нативные металлопротеины в биологических образцах или в правильно и неправильно свернутые белки, содержащие металл- кофактор , или белок. изоформы в сложных белковых смесях . [2]
Белки выполняют в живых организмах несколько функций , включая каталитические реакции и транспорт молекул или ионов внутри клеток , органов или всего тела . Понимание процессов в организме человека, обусловленных главным образом биохимическими реакциями и белок-белковыми взаимодействиями , во многом зависит от способности выделять активные белки в биологические образцы для более детального изучения химического строения и физиологических функций. Эта важная информация может служить важным показателем состояния здоровья пациента. [3]
Поскольку около 30–40% всех известных белков содержат один или несколько кофакторов ионов металлов (например, церулоплазмин , ферритин , белок-предшественник бета-амилоида , матриксную металлопротеиназу или металлошапероны ), особенно нативные и денатурированные металлопротеины необходимо выделить, идентифицировать и количественно оценить. после жидкой биопсии . Многие из этих кофакторов (например, железо , медь или цинк ) играют ключевую роль в жизненно важных ферментативно -каталитических процессах или стабилизируют молекулы глобулярных белков . [4] Таким образом, высокоточный гель- электрофорез и сопоставимые методы разделения очень актуальны в качестве начального этапа анализа состава белков и микроэлементов , за которым впоследствии следуют современные масс-спектрометрические и магнитно-резонансные методы для количественного определения и идентификации представляющих интерес растворимых белков. [5]
В гель-электрофорезе белки обычно разделяются по заряду , размеру или форме . [7] Целью изоэлектрического фокусирования (ИЭФ), например, является разделение белков в соответствии с их изоэлектрической точкой (pI), то есть в соответствии с их зарядом при различных значениях pH . [8] Здесь аналогичный механизм реализуется в имеющейся в продаже камере электрофореза (см. рис. Оборудование ) для разделения заряженных биомолекул , например, супероксиддисмутазы (СОД) [9] или аллергенов , [10] в условиях постоянного pH и разные скорости миграции в зависимости от разных изоэлектрических точек цвиттер -ионов . Отделенные (металлические) белки элюируются последовательно, начиная с самого низкого (pI > 2–4) и заканчивая самым высоким pI (pI < 10,0) растворенных белковых молекул, подлежащих анализу. [11]
Благодаря специфическим свойствам приготовленного геля и буферного раствора для электрофореза , который является основным и содержит трис - HCl и NaN 3 , [6] большинство белков биологической системы (например, Helicobacter pylori [12] ) в растворе заряжены отрицательно , и будет мигрировать от катода к аноду под действием электрического поля . В общем, уравнение реакции (1) показывает, что карбоксильная боковая группа протеиногенной аминокислоты заряжена отрицательно, уравнение (2) — что аминобоковые группы электрически нейтральны в этих условиях:
(1) R-COOH + OH − → R-COO − + H 2 O
(2) R-NH 3 + + OH − → R-NH 2 + H 2 O
На аноде электрохимически генерируемые ионы водорода реагируют с молекулами Трис с образованием одновалентных ионов Трис ( 3 ). Положительно заряженные ионы Трис мигрируют через гель к катоду, где нейтрализуют ионы гидроксида с образованием молекул Трис и воды (4):
(3) (НОСН 2 ) 3 CNH 2 + H + → [(НОСН 2 ) 3 CNH 3 ] +
(4) [(HOCH 2 ) 3 CNH 3 ] + + OH − → (HOCH 2 ) 3 CNH 2 + H 2 O
Таким образом, механизм буферизации на основе Триса обеспечивает постоянный уровень pH в непрерывной буферной системе с высокой буферной емкостью . [13]
При 25 °C Трис-буфер имеет эффективный диапазон pH от 7,5 до 9,0. В приведенных здесь условиях (с учетом концентрации компонентов буфера, механизма буферизации, pH и температуры) эффективный pH смещается в диапазоне примерно от 10,0 до 10,5. Все нативные буферные системы имеют низкую проводимость и диапазон pH от 3,8 до 10,2. Таким образом, непрерывные нативные буферные системы используются для разделения белков в соответствии с их pI. [14]
Хотя значение pH (10,00) буфера для электрофореза не соответствует физиологическому значению pH внутри типа клеток или тканей , разделенные кольцевые белковые полосы непрерывно элюируются в физиологический буферный раствор (pH 8,00) и выделяются в различных фракциях . (ср. рис. Электрофореграмма ). [6] При условии, что необратимая денатурация не может быть продемонстрирована независимой процедурой, большинство белковых молекул стабильны в водном растворе при значениях pH от 3 до 10, если температура ниже 50 ° C. [15] Поскольку Джоулево тепло и температура, генерируемые во время электрофореза, могут превышать 50 °C, [16] и, таким образом, оказывать негативное влияние на стабильность и миграцию белков в геле, система разделения, состоящая из камеры электрофореза, фракций Коллектор и другие устройства охлаждаются в холодильнике при температуре 4 °C, что значительно снижает риск возникновения тепловых конвекционных потоков. [17] Перегреву геля препятствует внутренний контур охлаждения колонны геля как неотъемлемой части камеры электрофореза, а также создание постоянной мощности с помощью источника питания (см. рис. Оборудование ). [18]
Наилучшие условия полимеризации акриламидных гелей достигаются при 25–30 °C [19] , и полимеризация завершается через 20–30 мин реакции, хотя после этого времени обнаруживаются остаточные мономеры (10–30%). [20] Сополимеризация мономера акриламида (АА)/ N,N'-метиленбисакриламидного (бис-АА) сшивающего агента, инициируемая реакциями персульфата аммония (APS)/ тетраметилэтилендиамина (TEMED), наиболее эффективна при щелочном pH среды. раствор акриламида. Таким образом, акриламидные цепи создаются и сшиваются одновременно. Благодаря свойствам буфера для электрофореза гель-полимеризация проводится при pH 10,00, что обеспечивает эффективное использование TEMED и APS в качестве катализаторов реакции полимеризации и одновременно подавляет конкурентный гидролиз образующейся сетки акриламидного полимера . Полимерные сети представляют собой трехмерно связанные полимерные цепи. В противном случае белки можно было бы модифицировать путем реакции с неполимеризованными мономерами акриламида, образуя продукты ковалентного присоединения акриламида , что может привести к образованию нескольких полос. [21]
Кроме того, время полимеризации геля может напрямую влиять на время элюирования пиков разделенных металлопротеинов на электрофореграмме из -за сжатия и расширения гелей и их пор , если время инкубации реакционной смеси (раствора геля), используемой для приготовления гель не оптимизированы (см. рис. Электрофореграмма , см. раздел Воспроизводимость и восстановление). Чтобы обеспечить максимальную воспроизводимость размера пор геля и получить полностью полимеризованный и нерестриктивный гель с большими порами для проведения PAGE, полиакриламидный гель полимеризуют в течение 69 часов при комнатной температуре (RT) в гелевой колонке. находится на литейном стенде. [18] Экзотермическое тепло, выделяемое в процессе полимеризации, постоянно рассеивается , в то время как температура может быстро подняться до более чем 75 ° C в первые минуты, после чего она медленно падает . [22] Через 69 часов гель достигает комнатной температуры и находится в самом низкоэнергетическом состоянии , поскольку основные химические реакции и гелеобразование завершены. [18] Гелеобразование означает, что растворитель (вода) иммобилизуется внутри полимерной сетки посредством водородных связей , а также сил Ван-дер-Ваальса . В результате приготовленный гель является однородным (с точки зрения однородного распределения поперечных связей по всему образцу геля [23] ), по своей природе стабильным и свободным от мономеров и радикалов . Свежие полиакриламидные гели также гидрофильны , электрически нейтральны и не связывают белки. [24] По тем же причинам можно исключить эффекты просеивания, вызванные гравитационным сжатием геля. Таким образом, в среде без свойств молекулярного сита можно ожидать высокого разрешения. [25]
Перед началом электрофореза подготовленный гель, содержащий 4% Т (общее содержание полимера (Т)), 2,67% С (концентрация сшивающего агента (С)) предварительно прогоняется для его уравновешивания . [6] По существу, он не требует просеивания и оптимален для электрофореза белков с молекулярной массой, превышающей или равной 200 k u . Белки мигрируют в нем в большей или меньшей степени на основе своей свободной подвижности. [26] По этим причинам взаимодействие геля с биомолекулами пренебрежимо мало, и, таким образом, белки разделяются чисто и предсказуемо при времени полимеризации 69 часов (см. рис. Электрофореграмма ). Отдельные металлопротеины, включая биомолекулы размером от приблизительно <1 ku до более 30 ku (например, металлические шапероны , прионы , белки-переносчики металлов, амилоиды , металлоферменты, металлопептиды, металлотионеин , фитохелатины ), не диссоциируются на апопротеины и кофакторы металлов. [27]
Биоактивные структуры (нативная или трехмерная конформация или форма) изолированных белковых молекул не претерпевают каких-либо существенных конформационных изменений . Таким образом, белки, содержащие кофактор активного металла, можно воспроизводимо выделять в одних и тех же фракциях после проведения электрофореза в электрофорезе. [11] Смещение пика на соответствующей электрофореграмме указывает на то, что стандартизированное время полимеризации в геле (69 часов, RT) не применяется в эксперименте PAGE . Более низкое отклонение стандартизированного времени полимеризации (<69 часов) означает неполную полимеризацию и, следовательно, внутреннюю нестабильность из-за размягчения геля во время сшивки полимеров, когда материал достигает равновесия набухания, [28] при превышении этого временного предела. (>69 часов) является показателем старения геля (см. рис. Электрофореграмма ). [29] Явление старения гелей тесно связано с долговременным снижением вязкости водных растворов полиакриламида [30] и повышенным набуханием гидрогелей. [31]
В стандартных условиях металлопротеины с различным диапазоном молекулярных масс и изоэлектрических точек были извлечены в биологически активную форму с количественным выходом более 95%. [18] С помощью препаративного SDS-PAGE стандартные белки ( цитохром с , альдолаза , овальбумин и бычий сывороточный альбумин ) с молекулярной массой 14–66 ку могут быть восстановлены со средним выходом около 73,6%. [32] Препаративный изотахофорез (ИТП) применяют для выделения палладийсодержащих белков с молекулярной массой 362 ку (выход: 67%) и 158 ку (выход: 97%). [33]
Физиологические концентрации ( диапазон частей на миллиард ) Fe, Cu, Zn, Ni , Mo , Pd, Co , Mn , Pt , Cr , Cd и других видов металлических кофакторов могут быть идентифицированы и абсолютно количественно определены в аликвоте фракции с помощью индуктивно связанной плазмы. например, масс-спектрометрия (ICP-MS) [34] или рентгеновская флуоресценция полного отражения (TXRF) [35] . В случае ИСП-МС структурная информация связанных металлобиомолекул необратимо теряется из-за ионизации образца плазмой . [36] [37] Еще одним признанным высокочувствительным методом определения микроэлементов в биологических образцах является атомно-абсорбционная спектрометрия в графитовой печи (GF-AAS) (см. рис. Электроферограмма ). [38] Из-за высокой чистоты и оптимизированной концентрации разделенных металлопротеинов, например, терапевтических рекомбинантных фармацевтических препаратов растительного происхождения, таких как медный шаперон для супероксиддисмутазы (CCS) из лекарственных растений , в нескольких специфических фракциях PAGE родственные структуры этих аналиты можно определить количественно с помощью ЯМР-спектроскопии раствора в неденатурирующих условиях. [39]
Неправильно свернутые металлические белки, например, CCS или Cu-Zn-супероксиддисмутаза (SOD1), присутствующие в мозге , крови или других клинических образцах, указывают на нейродегенеративные заболевания , такие как болезнь Альцгеймера (БА) или боковой амиотрофический склероз (БАС). [40] Активные молекулы CCS или SOD способствуют внутриклеточному гомеостатическому контролю основных ионов металлов (например, Cu 1+/2+ , Zn 2+ , Fe 2+/3+ , Mn 2+ , Ni 3+ ) в организмах, и таким образом, эти биомолекулы могут балансировать прооксидативные и антиоксидантные процессы в цитоплазме . [41] В противном случае свободные или слабосвязанные ионы переходных металлов принимают участие в реакциях типа Фентона , в которых образуется вредный гидроксильный радикал , который, если его не контролировать, будет разрушительным для белков. [42] Потеря активного CCS увеличивает выработку бета-амилоида в нейронах , что, в свою очередь, является основным патологическим признаком AD. [43] Таким образом, медный шаперон супероксиддисмутазы считается одним из наиболее многообещающих биомаркеров токсичности меди при этих заболеваниях. [44] CCS следует анализировать в первую очередь в крови, поскольку метаанализ данных сыворотки показал , что пациенты с АД имеют более высокие уровни Cu в сыворотке, чем здоровые люди из контрольной группы . [45]