Quelltext der Seite Elektrophorese

'''Elektrophorese''' (veraltet ''Kataphorese'' oder ''Anaphorese'') bezeichnet die Wanderung [[Elektrische Ladung|geladener]] [[Kolloid|kolloidaler Teilchen]] oder [[Lösung (Chemie)|gelöster]] [[Ion|geladener]] [[Molekül]]e in einem [[elektrisches Feld|elektrischen Feld]]. Typischerweise handelt es sich dabei um [[Zwitterion]]en<ref>{{Gold Book|electrophoresis|E02022}}</ref> mit einer positiven oder negativen [[Elektrische Ladung|Gesamt- oder Nettoladung]], die oft durch das [[Zeta-Potential]] charakterisiert wird.

== Beschreibung ==
Die [[Driftgeschwindigkeit]] (auch „Wanderungsgeschwindigkeit“) <math>v</math> der kolloidalen Teilchen oder Moleküle, typischerweise [[Protein]]e oder [[Nukleinsäure]]n, ist bei der Elektrophorese
* [[proportional]] zur [[Elektrische Feldstärke|Feldstärke]] <math>E</math> und zur [[Ionenladung]] <math>Q</math>
* [[Antiproportionalität|umgekehrt proportional]] zum Teilchenradius <math>r</math> und zur [[Viskosität]] <math>\eta</math> des Stoffes.
Außerdem spielt das Ionenmilieu der Lösung, in dem [[elektrischer Strom]] fließt, eine wesentliche Rolle.

Physikalische Ursache der Bewegung ist die [[Scherkraft]] in der elektrischen [[Doppelschicht]], die das Kolloid umgibt ([[Stern-Doppelschicht]]) und die geladene Flüssigkeit in [[relativbewegung|relative Bewegung]] zum [[Makromolekül]] setzt.

Bei der [[Gelelektrophorese]] spielt auch das Verhältnis zwischen dem Teilchenradius und der [[Pore]]n<nowiki></nowiki>weite des als Trägermedium dienenden [[Gel]]s eine Rolle, weil das Gel je nach [[Vernetzung (Chemie)|Vernetzungs]]<nowiki></nowiki>grad als [[Molekularsieb]] wirken kann, so dass sich ein größerer Teilchenradius stärker hemmend auf die Wanderungsgeschwindigkeit auswirken kann, als nur durch die Viskosität allein zu erwarten wäre.

Durch die unterschiedliche Ionenladung und den Teilchenradius bewegen sich die einzelnen Stoffe (Moleküle) unterschiedlich schnell durch das Trägermaterial und erreichen eine Auftrennung entsprechend ihrer elektrophoretischen [[Beweglichkeit (Physik)|Mobilität]]. Damit eignet sich die Elektrophorese sehr gut zur Trennung von [[Stoffgemisch]]en (insbesondere Molekülgemischen). Als Trägermaterial können Flüssigkeiten, Gele (meistens [[Polyacrylamid]] oder [[Agarose]]) oder [[Feststoff]]e eingesetzt werden.

[[Agarose-Gelelektrophorese|Agarose-Gele]] kommen vor allem bei der Auftrennung von DNA-Fragmenten zum Einsatz, während [[Protein]]e meist in [[Polyacrylamid-Gelelektrophorese|Polyacrylamid-Gelen]] aufgetrennt werden. Als Verfahren kommen bei Proteinen überwiegend [[SDS-PAGE]] und [[Western Blot]] zum Einsatz. Proteine müssen als Zwitterionen mit zusätzlichen Ladungen durch ein [[Detergens]] wie [[Natriumdodecylsulfat]] ({{enS|sodium dodecyl sulfate}}, SDS) beladen werden, um von einer Auftrennung nach den heterogenen Ladungsdichten zu einer Auftrennung nach der [[Molekülmasse]] zu kommen. Durch Zugabe von SDS und Aufkochen ([[Denaturierung (Biochemie)|Denaturieren]]) adsorbieren die Proteine proportional zu ihrer aufgefalteten Länge (und auch proportional zur Molekülmasse) das aliphatische Ende des negativ-geladenen Natriumlaurylsulfats. Dabei binden circa 1,4 Gramm SDS pro Gramm Protein in einprozentigen SDS-Lösungen. Die negativ geladenen Sulfatgruppen der SDS-Moleküle stoßen sich gegenseitig ab, was die Auffaltung (Linearisierung) der Proteine fördert, sofern das Protein keine Disulfidbrücken aufweist. Daher werden bei der Molmassenbestimmung zusätzlich Reduktionsmittel zur Überführung der Disulfide in [[Thiole]] hinzugegeben. Da mehrere hundert negativ geladene SDS-Moleküle an die Proteinmoleküle binden, kann die Eigenladung der Proteine im basischen pH des Gels vernachlässigt werden.

== Elektrophoretische Mobilität ==
[[Datei:Gel Blue Coomassie.jpg|mini|Zwei SDS-Gele nach dem Ende des Probenlaufs und Färbung der Proteinbanden mit [[Coomassie-Brillant-Blau|Coomassie]]]]
Die elektrophoretische [[Beweglichkeit (Physik)|Mobilität]] von zwei zu trennenden Teilchen muss unterschiedlich sein, um eine Trennung mittels Elektrophorese zu erreichen. Die elektrophoretische Mobilität ist die Summe vieler physikalischer Faktoren, die letztendlich die Wanderungsgeschwindigkeit eines Teilchens während der Elektrophorese beeinflussen.

Die generell treibende Kraft, die die Bewegung der Teilchen hervorruft, ist die Kraft <math>F</math>, die auf ein Teilchen mit bestimmter Ladung <math>q</math> innerhalb eines elektrischen Feldes mit gegebener [[Elektrische Feldstärke|Feldstärke]] <math>E</math> wirkt:

:<math>F = q \cdot E</math>

Dem entgegen wirkt zunächst eine Kraft, die sich durch die [[Viskosität]] <math>\eta</math> und die Größe des Teilchens (idealisiert für [[Sphäre (Mathematik)|sphärisch]]e Teilchen: <math>6 \cdot \pi \cdot r</math>) ergibt, und nach dem [[Gesetz von Stokes]] berechnet werden kann:

:<math>F = 6 \cdot \pi \cdot r \cdot \eta \cdot v</math>

Aus diesen beiden Gleichungen ergibt sich die theoretische elektrophoretische Mobilität bzw. [[Ionenbeweglichkeit]]:

:<math>\Rightarrow \mu_{e,p}^0 = \frac{v}{E} = \frac{q}{6 \cdot \pi \cdot r \cdot \eta}</math>

Theoretisch aus dem Grund, da diese beiden Gleichungen nur für einen [[Idealisierung (Physik)|idealisierten]], trägerfreien Zustand mit unendlich [[Verdünnung|verdünnt]]em (praktisch [[Salze|salz]]<nowiki></nowiki>freien, was jedoch dem Prinzip der Elektrophorese widerspricht, da Salzionen als bewegliche [[Ladungsträger (Physik)|Ladungsträger]] benötigt werden) [[Elektrolyt]]en gelten. Weiterhin wird dabei angenommen, dass die beschleunigende Kraft der [[Reibungskraft]] entspricht und daher eine konstante [[Driftgeschwindigkeit|Wanderungsgeschwindigkeit]] vorherrscht.

In realen Systemen kommen weitere Faktoren zum Tragen wie
* die Reibung zwischen den [[Hydratation|Hydrathüllen]] (''elektrophoretischer Effekt'')
* die [[Verformung|Deformation]] der [[Ladungsverteilung]] als Relaxation im elektrischen Feld (''dissipativer Effekt'', siehe [[Wien-Effekt|Ionenatmosphäre]])
* der [[Dissoziationsgrad]] des Elektrolyten
* Effekte durch das Trägermaterial ([[Molekularsieb]]-, [[Elektroosmotischer Fluss|Elektroosmose]]- und [[Adsorption]]seffekte).

Während traditionelle Theorien davon ausgehen, dass elektrophoretische Aktivität eines Teilchens eine [[Netto]]<nowiki></nowiki>ladung des Teilchens voraussetzt, legen neue Ergebnisse aus [[Molekulardynamik]][[simulation]]en nahe, dass aufgrund der molekularen Struktur des Wassers an der Oberfläche auch ''ungeladene'' Teilchen elektrophoretische Aktivität zeigen können.<ref>{{Literatur |Autor=V. Knecht, H. J. Risselada, A. E. Mark, S. J. Marrink |Titel=Electrophoretic mobility does not always reflect the charge on an oil droplet |Sammelwerk=Journal of Colloid and Interface Science |Band=318 |Nummer=2 |Datum=2008-01-15 |Seiten=477–486 |Online=http://gbb.eldoc.ub.rug.nl/FILES/root/2008/JCollInterfSciKnecht/2008JCollInterfSciKnecht.pdf |Format=PDF |KBytes= |Abruf=2010-01-05 |DOI=10.1016/j.jcis.2007.10.035}}</ref>

Offord fand empirisch folgende Beziehung zwischen der Mobilität und der Nettoladung <math>Z</math> und der [[Molmasse]] <math>M</math>:<ref name="Kuhn">Reinhard Kuhn: ''Capillary Electrophoresis: Principles and Practice.'' Springer Science & Business Media, 2013, ISBN 978-3-642-78058-5, S.&nbsp;80.</ref><ref name="Offord">R. E. Offord: ''Electrophoretic mobilities of peptides on paper and their use in the determination of amide groups.'' In: ''[[Nature]].'' Band 211, Nummer 5049, August 1966, S.&nbsp;591–593, {{DOI|10.1038/211591a0}}, PMID 5968723.</ref>

:<math>\mu = \frac{Z}{M^{2/3}}</math>

== Wärme ==
Die maximale anlegbare Spannung wird durch die Erwärmung des Gels begrenzt, die durch Reibungseffekte der wandernden Moleküle entsteht. Die [[Wärme]] kann zu ungleichmäßiger Wanderung der Moleküle und welligen Laufmittelfronten führen, vermehrt die [[Diffusion]] (resultierend in unschärferen Banden) und kann die Moleküle [[Denaturierung (Biochemie)|denaturieren]]. Die Wärmeentwicklung wird von der angelegten Spannung und der [[Elektrische Leitfähigkeit|elektrischen Leitfähigkeit]] des verwendeten Systems bestimmt, insbesondere von der Leitfähigkeit des [[Elektrophoresepuffer]]s. Mittels Kühlung kann die [[elektrische Spannung]] erhöht werden.<ref name="Westermeier">R. Westermeier: ''Elektrophorese''. In: Gressner, A., Arndt, T. (Hrsg.): ''Lexikon der Medizinischen Laboratoriumsdiagnostik''. Springer, 2018. [[doi:10.1007/978-3-662-49054-9_989-1]].</ref> Die Wärmeentwicklung ist eine Limitierung der Methode für präparative Zwecke, weshalb sie fast ausschließlich für analytische Zwecke eingesetzt wird, mit Ausnahme der [[Trägerfreie Elektrophorese|trägerfreien Elektrophorese]].<ref name="Westermeier" />
Das [[Joule-Lenz-Gesetz]] beschreibt den Zusammenhang zwischen Wärme Q, [[Leistung (Physik)|Leistung]] P und Zeit t:
:<math>Q_w=E_{el}=P*t</math>
Die [[elektrische Leistung]] ist definiert als Produkt aus Spannung U und Stromstärke I:
:<math>P=U*I</math>
Gleichgesetzt und durch Einsetzen des [[Ohmsches Gesetz|Ohmschen Gesetzes]] mit dem [[Elektrischer Widerstand|elektrischen Widerstand]] R
:<math>U=R*I</math>
ergibt sich, dass die Wärmeentwicklung mit dem Quadrat der Spannung zunimmt:
:<math>Q_w=I^2*R*t=\frac{U^2}{R}*t</math>

== Arten ==
* [[Affinitätselektrophorese]]
* [[Agarose-Gelelektrophorese]]
** [[SDD-AGE]]
* [[Dichtegradientenelektrophorese]] (trägerfreie Elektrophorese)
* [[Diskontinuierliche Elektrophorese]]
* [[Elektroosmose]] tritt bei elektrophoretischen Prozessen auf
* [[Elektrofokussierung]]
* [[Free-Flow-Elektrophorese]]
* [[Gelelektrophorese]]
** [[2D-Gelelektrophorese]] (zweidimensionale Elektrophorese)
* [[Gradientenelektrophorese]]
* [[Dielektrophorese]]
* [[Immunelektrophorese]]
* [[Isoelektrische Fokussierung]] tritt bei elektrophoretischen Prozessen auf
* [[Kapillarelektrochromatographie]]
* [[Kapillarelektrophorese]]
* [[Lipidelektrophorese]]
* [[Western Blot]]
* [[Isotachophorese]]
* [[Polyacrylamid-Gelelektrophorese]]
** [[BAC-PAGE]]
** [[CTAB-PAGE]]
** [[Nativ-PAGE]]
** [[SDS-PAGE]] (SDS-Polyacrylamidgel-Elektrophorese)
* [[Pulsed-Field-Gelelektrophorese]]
* [[Serumelektrophorese]]
* [[Überwanderungselektrophorese]]
* [[Zonenelektrophorese]]

== Anwendung ==
Angewandt wird die Elektrophorese vor allem als Analyseverfahren in der Biologie und Medizin. Zu den wichtigsten Anwendungen gehören die [[Serumelektrophorese]] sowie die DNA-Analyse in Form von Fragmenten und DNA-Sequenzierung. Hierbei wird die Möglichkeit genutzt, Moleküle unterschiedlicher Länge voneinander zu trennen.
Zur Bestimmung der Messwerte eines Geles, wie z.&nbsp;B. Laufweiten, Molmassen, Quantifizierungen oder Normalisierung, wird eine spezialisierte Auswertesoftware genutzt. Auch zur Trennung von Proteinen und für die hochtechnologischen Verfahren der Proteomforschung bildet die Elektrophorese die Grundlage.
Die graphische Darstellung der Ergebnisse ist ein [[Elektropherogramm]]. Neben den analytischen Verfahren werden zur Gewinnung von Milligramm-Mengen gereinigter Proteine auch präparative Elektrophoreseverfahren eingesetzt (u.&nbsp;a. [[Free-Flow-Elektrophorese]]).

''Weitere, technische Anwendungen:''
* [[Elektronisches Papier]]
* [[Kathodische Tauchlackierung]]
* [[Elektrofiltration]]

== Geschichte ==
Elektrophoretische Effekte wurden erstmals 1807 von [[Pjotr Iwanowitsch Strachow]] und [[Ferdinand Friedrich von Reuß]] untersucht.<ref>{{Literatur |Autor=Reuss, F.F. |Titel=Sur un nouvel effet de l'électricité galvanique |Sammelwerk=Mémoires de la Société Impériale des Naturalistes de Moscou |Band=II |Datum=1809 |Seiten=327–337}}</ref> Die Elektrophorese wurde (als Makro-Elektrophorese<ref name="Bodechtel">[[Gustav Bodechtel]], H. Wild: ''Was bietet das moderne Laboratorium dem Praktiker?'' In: ''[[Münchener Medizinische Wochenschrift]].'' Band 95, Nr. 1, 2. Januar 1953, S. 69–71, hier: S. 70.</ref>) 1937 von [[Arne Tiselius]] entwickelt,<ref>{{Literatur |Autor=Arne Tiselius |Titel=A new apparatus for electrophoretic analysis of colloidal mixtures |Sammelwerk=Transactions of the Faraday Society |Band=33 |Datum=1937 |Seiten=524–531 |DOI=10.1039/TF9373300524}}</ref> als Methode, mit der [[Kolloid]]e in einer Trägerflüssigkeit in einem elektrischen Feld getrennt werden konnten ({{enS|moving boundary electrophoresis}} ‚Elektrophorese mit beweglicher [[Grenzschicht]]‘). Tiselius erhielt dafür 1948 den [[Nobelpreis für Chemie]]. In den 1940er-Jahren wurden zunehmend feste [[Phase (Materie)|Phasen]] zur besseren Trennung verwendet ({{enS|zone electrophoresis}} ‚Zonenelektrophorese‘), wie das [[Amylose|Stärkegel]] von [[Oliver Smithies]]<ref>{{Literatur |Autor=O. Smithies |Titel=Zone electrophoresis in starch gels: group variations in the serum proteins of normal adults |Sammelwerk=Biochem. J. |Band=61 |Nummer=4 |Datum=1955 |Seiten=629–641 |PMC=1215845 |PMID=13276348}}</ref> oder auch [[Filterpapier]]. Da diese zur mikrobiellen [[Zersetzung (Chemie)|Zersetzung]] neigen, wurden in Folge auch andere [[Hydrogel]]e verwendet, z.&nbsp;B. [[Agarose]] oder [[Polyacrylamid]]. Als Weiterentwicklung der Makro-Elektrophorese nach Tiselius gewannen für die Klinik brauchbarere mikroelektrophoretische Methoden an Bedeutung, wie sie von H. J. Antweiler, [[Wolfgang Grassmann]], [[Hans-Diedrich Cremer]], Tiselius und H. Esser entwickelt wurden.<ref name="Bodechtel" /> Während in den 1950er-Jahren oftmals noch eine radiale Elektrophorese auf runden Scheiben durchgeführt wurde ({{enS|radial electrophoresis}} ‚Scheiben-Elektrophorese‘), werden heute fast ausschließlich rechteckige Gele ({{enS|slab gel electrophoresis}} ‚Gelplatten-Elektrophorese‘) oder Gele in [[Kapillarelektrophorese|Kapillaren]] verwendet.

== Literatur ==
* {{Literatur
   |Autor=Manfred H. Gey
   |Titel=Instrumentelle Analytik und Bioanalytik
   |Auflage=3
   |Verlag=Springer
   |Ort=Berlin / Heidelberg
   |Datum=2015
   |ISBN=978-3-662-46254-6
   |Kapitel=Kapitel 8: ''Elektrophorese''
   |DOI=10.1007/978-3-662-46255-3_8}}

== Weblinks ==
{{Wiktionary}}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Elektrophorese| ]]