Аминокислоты, пептиды и белки - Дэвени Т., Гергей Я. 1976

Некоторые методологические вопросы аналитического исследования белков
Изучение нативных белков
Метод зонального электрофореза

Оборудование для свободного электрофореза и ультрацентрифугирования достаточно дорого и сложно по своему устройству, что ограничивает широкое применение этих методов. Поэтому возникла идея замены свободного электрофореза (электрофоретического разделения белков в растворе) электрофорезом в специальной поддерживающей среде, который основан на том же принципе, но намного проще в осуществлении.

Поддерживающей средой для электрофореза могут служить фильтровальная бумага, крахмальный или агаровый гели, ацетат-целлюлозная мембрана, полиакриламидный гель и т. д. Создаваемое в смоченной буферным раствором поддерживающей среде электрическое поле заставляет различные компоненты смеси белков двигаться в определенном направлении со скоростью, соответствующей заряду молекул, что приводит к их разделению. Если электрофорез происходит в крахмальном или полиакриламидном геле, то разделение зависит не только от заряда, но и от величины и формы молекул, так как в этом случае поддерживающая среда выполняет роль молекулярного сита. При электрофорезе в щелочном буферном растворе белки сыворотки крови разделяются по меньшей мере на 5 фракций. При ионной силе 0,1 и pH 8—9 быстрее всех к аноду движется альбумин. За ним следуют в порядке уменьшения скорости миграции а-1-, а-2-, ß- и у-глобулиновые фракции. Подбирая соответствующую поддерживающую среду и буферный раствор, можно улучшить разделение. Поэтому даже в сравнительно малооснащенной больничной или клинической лаборатории зональный электрофорез позволяет проанализировать белки более детально, чем свободный.

Преимущества методов зонального электрофореза в сравнении с методами свободного электрофореза заключаются в следующем:

1. Все они значительно проще в осуществлении.

2. Необходимое количество исследуемого материала весьма мало. Например, для электрофореза на бумаге требуется 0,5—0,8 мг белка, а для электрофореза в полиакриламидном геле — всего 100—200 мкг. В то же время свободный электрофорез даже в аппаратах для микро- или полумикроанализа требует значительных количеств сыворотки. Это является одной из причин, по которым задерживается широкое использование свободного электрофореза в повседневной работе клинических лабораторий. Благодаря малому количеству белка, требующемуся для исследования методом зонального электрофореза, появилась возможность ставить практически неограниченное число анализов белков сыворотки. Зональный электрофорез широко используется для анализа белков в педиатрической практике и при исследовании материалов с низкой концентрацией белка (например, спинномозговая и тканевая жидкости), не говоря уже о чрезвычайно широком использовании этого метода в экспериментальных исследованиях на животных. Поскольку для опытов требуются лишь очень небольшие количества исследуемого материала, можно ставить сколько угодно параллельных проб, что в значительной мере повышает точность исследования.

3. После электрофоретического разделения белковые фракции можно фиксировать в поддерживающей среде и выявить с помощью специфического окрашивания. Среди многочисленных методов окрашивания особое значение в клинических исследованиях приобрели способы выявления связанных с белками липидных и углеводных компонентов. Благодаря простоте этих методов анализ липопротеидов и гликопротеидов стал обычным в повседневной клинической практике. Он приобрел большое значение в диагностике некоторых заболеваний, а это позволило значительно продвинуться в выяснении их патогенеза. Специальные методы окрашивания помогают также обнаружить трансферрин, гаптоглобин, церулоплазмин и другие компоненты сыворотки.

4. Число фракций, на которые разделяется исходный белок при зональном электрофорезе, можно увеличить не только с помощью специальных методов окрашивания. Простая замена буферного раствора или поддерживающей среды дает тот же эффект. Например, при электрофорезе сыворотки на бумаге в буферном растворе трис-ЭДТА получается не пять, а девять белковых фракций [1]. Еще лучшее разделение можно получить в поддерживающей среде, которая обладает эффектом молекулярного сита, например в крахмальном или полиакриламидном гелях. Малые размеры пор этих гелей задерживают миграцию высокомолекулярных белков, так как трение при этом увеличивается настолько, что даже большой электростатический заряд их молекул не может компенсировать замедляющего действия поддерживающей среды. Однако в других поддерживающих средах величина белковой молекулы мало влияет на скорость миграции, поскольку эффект увеличения трения обычно компенсируется ее большим электростатическим зарядом.

5. При зональном электрофорезе разделение белковых фракций происходит очень быстро. Некоторые методы позволяют закончить всю процедуру, включая окрашивание, за 1—2 ч [7].

6. Прибор для зонального электрофореза имеет простое устройство и может быть изготовлен даже в небольшой мастерской. Стоимость такого самодельного или имеющегося в продаже прибора значительно ниже цены аппарата для свободного электрофореза.

7. Кроме обычного окрашивания, белки, меченные радиоактивным изотопом, после разделения зональным электрофорезом можно выявлять радиоавтографически. Большое значение имеет также тот факт, что с помощью соответствующих субстратов можно непосредственно в поддерживающей среде тестировать ферментативную активность полученных белковых фракций.

Метод зонального электрофореза имеет и некоторые недостатки. С его помощью нельзя произвести прямого определения скорости миграции белков. Между исследуемыми белками и поддерживающей средой возможны нежелательные взаимодействия, в результате которых часть белка адсорбируется в среде. Адсорбция происходит сильнее всего на бумаге, менее выражена на ацетат-целлюлозной мембране и практически ничтожна в агаровом геле.

ЭЛЕКТРОФОРЕЗ НА БУМАГЕ

Бумажный электрофорез является одним из наиболее распространенных способов зонального электрофореза, в котором поддерживающей средой служит специальная фильтровальная бумага. Она должна быть очень гигроскопичной: количество адсорбируемой ею воды обычно в 130—200 раз превышает ее собственный вес. Эти сорта бумаги имеют низкую зольность (55—70 мг на 100 г) и низкое содержание органического азота (10 мг%).

В зависимости от типа приборов электрофорез на бумаге обычно длится от 4 до 16 ч. Если используется общераспространенный буферный раствор Михаэлиса, то белки сыворотки дают 5 четко разграниченных фракций. После фиксации полоски бумаги можно легко обработать красителями, специфичными для белков, липо- или гликопротеидов. Окрашенные полоски можно хранить или, разрезав на участки, элюировать для фотометрического определения каждой фракции. Электрофорез на бумаге хорошо себя зарекомендовал в повседневной работе клинической лаборатории.

ЭЛЕКТРОФОРЕЗ В КРАХМАЛЬНОМ ГЕЛЕ

Некоторые методические сложности препятствуют широкому распространению электрофореза в крахмальном геле, несмотря на его весьма большую разрешающую способность. По сравнению с электрофорезом на бумаге электрофорез в крахмальном геле включает дополнительные операции, связанные с приготовлением и гидролизом крахмала, сборкой прибора, окрашиванием и количественным определением полученных фракций. Однако присущий крахмальному гелю эффект молекулярного сита увеличивает разрешающую способность данного метода по сравнению с электрофорезом на бумаге, и поэтому его используют для более тонкого анализа.

Повышенная разрешающая способность электрофореза в крахмальном геле позволяет делить смесь белков на еще большее число компонентов. Вместо 5 классических фракций сыворотки можно получить 8—10 фракций. Более того, с помощью элекрофореза в крахмальном геле можно выделить несколько разных компонентов из препарата, который по данным других методов разделения считался гомогенным. Примеры такого рода встречаются при анализе миеломных белков. При электрофорезе на бумаге, ацетат-целлюлозной мембране или в агаровом геле миеломные белки, относящиеся к IgG- и IgA-типам, образуют гомогенные зоны. Однако иногда в сыворотке больного можно обнаружить неоднородные фракции миеломных белков, например в случае мультиклональной миеломы или миеломы с агрегирующим белком IgA. Микрогетерогенность таких миеломных белков хорошо выявляется при электрофорезе в крахмальном геле. Вместо картины гомогенности, которую они дают при других постановках электрофореза, при разделении в крахмальном геле можно видеть несколько четко разграниченных зон [17].

Электрофорез в крахмальном геле имеет не только большое значение при диагностике парапротеинемий: он весьма важен при определении гомогенности нативных белков и полезен при анализе субъединичной структуры молекулы белка. Например, папаиновые фрагменты IgG (Fab, Fc и Fc') или выделенные из него полипептидные цепи (Н- и L-цепи) при электрофорезе в крахмальном геле образуют отдельные зоны. Это позволяет сравнивать субъединицы гомогенных IgG (миеломных белков или чистых антител) между собой.

ЭЛЕКТРОФОРЕЗ В АГАРОВОМ ГЕЛЕ

Агаровый гель представляет собой очень удобную поддерживающую среду для зонального электрофореза, так как в 1—1,5 %- ном агаровом геле белки мигрируют почти так же, как при свободном электрофорезе. По сравнению с бумажным агаровый электрофорез обеспечивает большую разрешающую способность и более быстрое фракционирование белков. Белки окрашиваются в агаре так же хорошо, как и на бумаге. Более того, прозрачность агарового слоя облегчает непосредственное фотоэлектрическое измерение белков. В агаре белковые фракции делятся весьма четко, без образования “хвостов”, что позволяет наносить большие количества белка, не снижая четкости разделения.

Однако приготовление агарового геля является более трудоемкой процедурой, чем соответствующие операции с бумагой. Это несомненно ограничивает широкое использование электрофореза в агаре. Другое затруднение связано с необходимостью подбора подходящего типа агара, так как качество агара влияет на электрофоретическую подвижность исследуемого материала. Присутствие в поддерживающей среде агаропектина также является отрицательным моментом метода. Содержащийся в агаре кислый агаропектин способен комплексироваться с некоторыми липопротеидами и сильноосновными белками (например, с лизоцимом и слабоподвижным IgG) и замедлять их миграцию. Отрицательный заряд агара является причиной движения катионов буферного раствора и молекул воды по направлению к аноду. При электрофорезе этот “поток” способен увлечь часть белковых фракций. Такого рода эффекты можно ослабить, если нанести исследуемый материал не вблизи катода, а в центре агаровой пластинки. Подобный эффект не наблюдается в очищенной агарозе, на ацетат-целлюлозной мембране и на фильтровальной бумаге.

ЭЛЕКТРОФОРЕЗ НА АЦЕТАТ-ЦЕЛЛЮЛОЗНОЙ МЕМБРАНЕ

Сравнительно новой разновидностью зонального электрофореза является электрофорез на ацетат-целлюлозной мембране [6]. Ацетат-целлюлозная мембрана, по-видимому,— очень хорошая поддерживающая среда, уже нашедшая благодаря ряду достоинств широкое применение. Выше мы отмечали, что приготовление крахмального и агарового гелей—довольно трудоемкая операция, осложняющая метод. В то же время способы предварительной обработки ацетат-целлюлозной мембраны почти так же просты, как и в случае с фильтровальной бумагой. При этом разделение белков происходит лучше и быстрее, а для анализа достаточно 5—1000 мкг белка, растворенного в объеме 0,1—10 мкл. Как белки, так и гликопротеиды очень хорошо окрашиваются на ацетат-целлюлозной мембране, поэтому она является прекрасной поддерживающей средой с точки зрения количественной оценки этих соединений. Электрофорез на ацетат-целлюлозной мембране позволяет получить больше белковых фракций сыворотки крови, чем электрофорез на бумаге, но меньше, чем электрофорез в крахмальном геле. С помощью электрофореза на ацетат-целлюлозной мембране можно определять весьма малые количества индивидуальных белков, благодаря чему он очень подходит для анализа гомогенности выделенного нативного белка. Ацетат-целлюлозные мембраны могут быть использованы также в опытах по иммунодиффузии, что является еще одним достоинством этого метода электрофореза.

ЭЛЕКТРОФОРЕЗ В ПОЛИАКРИЛАМИДНОМ ГЕЛЕ

Несмотря на свою короткую историю, электрофорез в полиакриламидном геле уже очень широко используется в самых различных областях биохимии [2, 9]. Поддерживающей средой в этом методе электрофореза служит сополимер акриламидных и метиленбис-акриламидных мономеров. Метиленовые мостики, сшивая в определенных местах линейные полиакриламидные цепи, создают пористую структуру. Расположенные на равном расстоянии одна от другой амидные группы обеспечивают высокую гидрофильность этой структуры. Полимеризация акриламида может начаться под действием тетраметилэтилендиаминового индикатора и персульфатного катализатора или в результате фотокатализа (под действием света) в присутствии рибофлавина. Благодаря своей пористой структуре полиакриламидный гель обладает эффектом молекулярного сита. Размер пор зависит от концентрации акриламидного мономера (в 7,5%-ном геле размер поры равен 50 Å). Электрофорез в полиакриламидном геле имеет определенные преимущества перед электрофорезом в крахмальном геле. Его разрешающая способность значительно выше (можно получить свыше 20 фракций белков сыворотки), а сам гель более прозрачен, что облегчает непосредственную количественную оценку фракций. Исключительно полезной оказалась одна из форм этого метода, так называемый диск-электрофорез, с помощью которого можно провести анализ очень небольшого количества белка (50—200 мкг).