Portál:Otázky z biofyziky (1. LF UK, VL)/23. Otázka

			23. Otázka
			Vlastnosti koloidních roztoků, elektrokinetický potenciál
			Otázky z biofyziky (1. LF UK, VL)
			Předchozí • Další

Pevné látky ve vodě

Koloidní částice mají velikost 1-1000 nm a jsou tvořeny buď makromolekulami nebo micely. Částice se neustále neuspořádaně pohybují – Brownův pohyb. Při větších velikostech částic se nárazy molekul disperzního prostředí na částici vyrovnají, ale u koloidních částic obvykle jeden směr převládne a podle něj se pak molekula pohybuje.

Sedimentace

Částice disperzního podílu, která má větší hustotu než disperzní prostřední, postupně klesá (sedimentuje) vlivem působení gravitačního pole. Pro sedimentační rychlost platí: $v={\frac {2}{9}}\cdot {\frac {\left(\rho -\rho _{0}\right)\cdot gr^{2}}{\eta }}$

$\eta$ = viskozita prostředí, $r$ = poloměr částice, $g$ = gravitační zrychlení

Ultracentrifugací se zvýší gravitační zrychlení a tím i sedimentační rychlost.

Dialýza

Dialýza – koloidní částice jsou (ne)propustné určitými filtry, a proto je můžeme oddělit od disperzního podílu současně přítomného v roztoku, nebo i od disperzního prostředí

Elektrická dvojvrstva

Nejdůležitější vlastností koloidních částic ve vodě je existence jejich el. dvojvrstvy na povrchu. Každá kol. částice nese na svém povrchu el. náboj a přiblíží-li se dvě částice k sobě, nemohou se spojit, protože se jejich souhlasné náboje odpuzují.

Aerosoly

• Kapalina nebo pevná látka v plynu:
  • plyn + kapalina = mlha;
  • plyn + pevná látka = dým, prach.
• Nepříznivé jsou hlavně průmyslové dýmy a prachy znečišťující atmosféru.

Elektroforéza

Elektroforéza patří mezi separační metody izolující molekuly o rozdílné hmotnosti, popř. odlišném elektrickém náboji, využívající jejich odlišnou pohyblivost v elektrickém poli.

Z historie

Od roku 1892 je známo, že anorganické částice v koloidním roztoku působením elektrického pole nenáhodně putují. Zanedlouho poté byl tento jev popsán i u proteinů ve vodných roztocích.

V roce 1948 získal za sestavení elektroforetické aparatury NC za chemii švédský vědec Arne W. Tiselius.

Princip elektroforézy

Elektroforéza využívá schopnosti nabitých částic pohybovat se v elektrickém poli, přičemž rychlost pohybu částic je závislá na velikosti celkového povrchového náboje, velikosti a tvaru molekuly a její koncentraci v roztoku.

Rychlost molekuly při elektroforetické separaci lze vyjádřit:

${\frac {\nu }{E}}=C\cdot {\frac {\epsilon _{r}\cdot \epsilon _{0}}{\eta }}\cdot \zeta$

kde ζ je elektrokinetický potenciál (V), ν je lineární rychlost pohybu částice (m ·s⁻¹), E je intenzita elektrického pole (V · m⁻¹) a η viskozita prostředí (Pa · s), ε_r je relativní permitivita kapaliny, ε₀ permitivita vakua, C konstanta závislá na tvaru částic a na tloušťce elektrické dvojvrstvy (např. pro kulovité částice o poloměru r a velkou efektivní tloušťku dvojvrstvy l, kde r/l < 0,1, je C = 2/3, pro tenkou dvojvrstvu (r/l > 100) je C = 1).

Aplikace elektroforézy

Horizontální elektroforéza - nanášení vzorku

Volná elektroforéza

Volná elektroforéza se provádí ve vodných roztocích (elektrolytech), v němž částice putují k elektrodě s opačnou polaritou. Separaci může narušit vliv konvenčních proudů vznikajících vlivem tepla generovaného průchodem elektrického proudu.

Elektroforéza na nosičích

Provádí se na hydrofilních porézních nosičích, jako je např. neklížený papír (chromatografický), acetát celulózy, agarózový gel, polyakrylamidový gel, celulóza, nezgelovatělý škrob apod. Podle materiálu se nosič může chovat jako molekulární síto, jímž procházejí velké molekuly obtížněji než malé.

Zonální elektroforéza plasmatických proteinů

Zonální, také zónová, elektroforéza se provádí např. na acetátcelulóze. Dělení proteinů zde závisí na typu a počtu ionizovatelných skupin postranních řetězců aminokyselin a na velikosti celkového náboje proteinu (kladného nebo záporného).

Je-li pH roztoku, ve kterém elektroforéza probíhá větší, než je pI (izoelektrický bod), protein má celkově záporný náboj. Naopak, je-li pH roztoku nižší, než pI, protein má celkově kladný náboj. Odpovídá-li pH roztoku izoelektrickému bodu proteinu, ten se nepohybuje.

Gelová elektroforéza

Schéma agarózového a akrylamidového gelu

Agaróza

Polyakrylamid

Gely tvoří přechod mezi pevným a kapalným stavem. Strukturálně je gel z více než 90 % voda. V gelu nalézáme trojrozměrnou síť, kde póry mohou sloužit jako molekulové síto. Velikost pórů odpovídá velikosti proteinů a nukleových kyselin. Nejčastější gely jsou polyakrylamidový a agarózový.

Agaróza je síť tvořená dlouhými cukernými polymery vázanými nekovalentními vodíkovými můstky a hydrofobními vazbami. Polyakrylamidové gely tvoří síť dlouhých molekul polyakrylamidu spojených příčnými můstky N,N´-metylenbisakrylamidu.

Nativní gelová elektroforéza bílkovin

Probíhá bez denaturačních činidel. Proteiny migrují gelem podle svého celkového náboje, velikosti a tvaru. Citlivost elektroforézy je dána charakterem pórů gelu. Příkladem může být elektroforéza sérových bílkovin.

SDS gelová elektroforéza

Proteiny jsou denaturovány dodecylsíranem sodným (SDS) a β-merkaptoetanolem, který zruší disulfidické vazby. SDS je denaturační činidlo a detergent, který proteiny obalí a denaturuje. Proteiny získají tyčinkovitý tvar a při pH 7–10 mají díky SDS všechny stejnou hustotu povrchového náboje. Jejich pohyblivost závisí téměř výhradně na molekulové hmotnosti polypeptidových řetězců. Metoda je vhodná pro analýzu makromolekulárních komplexů.

Izoelektrická fokusace

Proteiny se dělí v gelu s pH gradientem. Migrují do bodu, kde nemají žádný povrchový náboj, tj. do místa, kde se pH rovná pI.

Dvojrozměrná elektroforéza proteinů

2D elektroforéza

2D elektroforéza umožňuje rozlišení až 10 000 proteinů. Proteiny se nejprve rozdělí podle svých izoelektrických bodů v gradientu pH. Po separaci v prvním rozměru je provedena SDS-elektroforéza v druhém směru, bílkoviny se rozdělí podle své velikosti.

Na rozdíl od předešlých metod, jejichž výsledkem jsou frakce obsahující často směs několika bílkovin, 2D elektroforéza umožňuje izolovat jednotlivé proteiny i z biologických vzorků. Výsledné mapy proteinů se mohou porovnávat s kontrolními vzorky (např. pacienti s konkrétním onemocněním a zdraví pacienti). 2D elektroforéza se používá i jako preparativní metoda: konkrétní skvrna se z gelu vystřihne, izoluje se z ní bílkovina a použije se k další analýze či jinému postupu.

Kapilární elektroforéza

Metoda využívá pohybu elektricky nabitých látek v elektrickém proudu rozpuštěných ve vodivém médiu – kapiláře naplněné elektrolytem nebo gelem. Doprovodným jevem je elektroosmotický tok. Na vnitřním povrchu kapiláry v místě styku s vodivým roztokem vzniká elektrická dvojvrstva. Pevná část (stěna kapiláry) je nabitá nepohyblivým plošným záporným elektrickým nábojem. Z kapalné části se kladné ionty připojí ke stěně kapiláry (dvojvrstva) a ionty se pohybují ke katodě. Pohyblivá vrstvička se žene kapilárou a strhne s sebou celý průřez kapaliny v kapiláře. Roztok putuje kapilárou celý najednou (u elektroforézy putují jen ionty).

Použití elektroforézy

Elektroforéza nalézá široké využití, například při analýze a dělení směsí bílkovin, charakterizace povrchů organizmů jako jsou bakterie, viry apod. Praktické využití při diagnostice postižení monogenních chorob atd.