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[[Datei:ElectrophoresisBioLabUABC.jpg|miniatur|Versuchsaufbau]]
[[Datei:Gelelektrophoreseapparatur.jpg|miniatur|hochkant|Vertikale Gelelektrophoreseapparatur der [[SDS-PAGE]]]]
[[Datei:Gel_electrophoresis_apparatus.JPG|miniatur|hochkant|Horizontale Gelelektrophoreseapparatur der [[Agarose-Gelelektrophorese]]]]
'''Gelelektrophorese''' (Wortteile: Gel|elektro|phorese – letzterer abgeleitet von {{grcS|φέρειν}} ''pherein'' ‚tragen‘) ist eine analytische Methode der [[Chemie]] und [[Molekularbiologie]], um Gemische verschiedener Arten geladenener [[Molekül]]e voneinander zu trennen.

== Prinzip ==
{{Hauptartikel|Elektrophorese}}
Die unterschiedliche [[Ionenbeweglichkeit]] wird in verschiedenen [[Elektrophorese]]-Methoden genutzt, um ionische Substanzen im elektrischen Feld zu trennen und z. B. getrennt einer Messung zuzuführen.

Bei der Gelelektrophorese wandert eine [[Gemisch|Mischung]] aus zu trennenden, [[Elektrische Ladung|elektrisch geladenen]] Molekülen unter Einfluss eines [[Elektrisches Feld|elektrischen Felds]] durch ein [[Gel]], welches in einer [[ion]]ischen [[Pufferlösung]] ([[Elektrophoresepuffer]]) liegt. Je nach Größe und Ladung der Moleküle bewegen sich diese unterschiedlich schnell durch das als Molekularsieb wirkende Gel. Dabei wandern kleine, [[elektrische Ladung|negativ]] geladene Moleküle ([[Anion]]en) am schnellsten in Richtung der positiv geladenen [[Anode]] und [[elektrische Ladung|positiv]] geladene Moleküle ([[Kation]]en) in Richtung der negativ geladenen [[Kathode]].
Die zugrunde liegenden Theorien sind die sich ergänzenden ''Ogston Siebtheorie'' und die ''Reptationstheorie''.<ref>[[Alexander George Ogston]]: ''The spaces in a uniform random suspension of fibres.'' In: ''Transactions of the Faraday Society.'' Bd. 54, 1958, {{ISSN|0014-7672}}, S. 1754–1757, {{doi|10.1039/TF9585401754}}.</ref><ref>Gary W. Slater, Jean Rousseau, Jaan Noolandi, Chantal Turme, Marc Lalande: ''Quantitative analysis of the three regimes of DNA electrophoresis in agarose gels.'' In: ''Biopolymers.'' Bd. 27, Nr. 3, 1988, {{ISSN|0006-3525}}, S. 509–524, PMID 3359012, {{doi|10.1002/bip.360270311}}.</ref><ref>Oscar J. Lumpkin, Philippe Déjardin, Bruno H. Zimm: ''Theory of gel electrophoresis of DNA.'' In: ''Biopolymers.'' Bd. 24, Nr. 8, 1985, S. 1573–1593, PMID 4041551, {{doi|10.1002/bip.360240812}}.</ref> Während die Siebtheorie das Zurückhalten (synonym Retention) von sphärischen Makromolekülen (z. B. [[Protein]]e oder [[Micelle]]n) durch eine definierte [[Porosität]] der Gelmatrix beschreibt, handelt die Reptationstheorie von einer Retention von Makromolekülen durch Reibung nichtsphärischer Makromoleküle an der Gelmatrix (z. B. [[DNA]] und [[RNA]]).

== Gel-Matrix ==
Die Polymermoleküle des Gels bilden ein mehr oder weniger engmaschiges, dreidimensionales Gitter, das die Migration (Wanderung) der zu trennenden Moleküle im elektrischen Feld mehr oder weniger verlangsamt.

=== Agarose ===
{{Hauptartikel|Agarose-Gelelektrophorese}}
[[Agarose]]gele sind relativ großporig (150 [[Nanometer|nm]] bei einprozentigen, 500 nm bei 0,16-prozentigen Gelen) und eignen sich gut zur Trennung von [[Desoxyribonukleinsäure|DNA]] und hochmolekularen [[Protein]]en. Die Distanz zwischen DNA-Banden unterschiedlicher Länge ist abhängig von der Konzentration an Agarose im Gel. Höhere Konzentrationen erfordern längere Laufzeiten (manchmal sogar Tage).<ref>[https://www.addgene.org/plasmid-protocols/gel-electrophoresis/ Agarose Gel Electrophoresis.] Abgerufen am 18. Februar 2015</ref> Haupteinsatzgebiet ist jedoch die Trennung von Nukleinsäuren. Agarosegele werden aus den natürlichen Polysaccharidpolymeren aus [[Seetang]] hergestellt. Bei der Elektrophorese mit Agarosegel handelt es sich um ein physikalisches Setting. Nach dem Experiment kann das Ergebnis mithilfe eines Plastikbeutels tiefgekühlt gelagert werden.<ref>Joseph Sambrook, David Russell: ''Molecular Cloning - A Laboratory Manual''</ref>

=== Polyacrylamid ===
{{Hauptartikel|Polyacrylamid-Gelelektrophorese}}
Gele aus [[Polyacrylamid]] werden durch [[Polymerisation]] von [[Acrylamid]] hergestellt. Sie weisen wesentlich kleinere Poren auf (3–6 nm). Die Porengröße hängt von der Acrylamidkonzentration und dem Vernetzungsgrad ab. Häufig werden hiermit Proteine zwischen 5 und 200 kDa getrennt. Man unterscheidet zwischen Trenn- und Sammelgelen.

=== Stärke ===
Eine weitere Möglichkeit bildet die Verwendung von teilweise hydrolysierter Kartoffelstärke in Konzentrationen zwischen 5 % und 10 %. Es handelt sich dabei um ein untoxisches Medium für die Elektrophorese von nicht-denaturierten Proteinen. Die Auftrennung erfolgt nach Größe und Ladung und die Visualisierung erfolgt durch Naphthol-Schwarz- oder Amido-Schwarz-Färbung.<ref>{{Literatur |Autor=Gordon A.H. |Jahr=1975 |Titel=Electrophoresis of proteins in polyacrylamide and starch gels |Verlag=American Elsevier Publishing Company, Inc |Ort=New York}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Smithies O. |Jahr=1955 |Titel=Zone electrophoresis in starch gels: group variations in the serum proteins of normal adults |Sammelwerk=Biochem. J. |Band=61 |Seiten=629–641 |PMID=13276348 |Nummer=4 |PMC=1215845}}</ref> Ohne Zugabe von [[Biozid]]en neigen Stärkegele zur mikrobiellen Zersetzung.

== Durchführung ==
[[Datei:Gel electrophoresis 1.jpg|miniatur|hochkant|Agarose-Gel mit DNA und Lauffarbstoff in den Geltaschen, vor der Elektrophorese.]]
Die klassische Gelelektrophorese wird als [[Zonenelektrophorese]] durchgeführt. Eine Methode zur Erzielung einer höheren Auflösung ist die [[diskontinuierliche Elektrophorese]].

Bei der Gelelektrophorese entsteht [[Wärme]]. Diese muss abgeführt werden, um optimale Bedingungen zu gewährleisten. Deswegen sollte die Gelelektrophorese in gekühlten Apparaturen bei konstanten Temperaturen durchgeführt werden, um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen.

Im Idealfall wird die Elektrophorese beendet, wenn die kleinsten beziehungsweise mobilsten Moleküle das Ende des Gels erreicht haben. Das garantiert die höchstmögliche Auftrennung der Moleküle.

== Auswertung ==
Gleiche Moleküle laufen in diskreten Zonen – umgangssprachlich als ''Banden'' bezeichnet – durch das Gel. Mehrere Proben können parallel nebeneinander gleichzeitig durch dasselbe Gel laufen. Ist die Größe einiger Moleküle bekannt, kann man durch Vergleich von deren Banden mit den restlichen Banden die Größe der anderen Moleküle abschätzen. Solche Molekülmassenstandards sind kommerziell erhältlich. Ähnlich funktioniert auch ein [[Komigrationsstandard]], mit dessen Hilfe eine unbekannte mit einer bekannten Probenzusammensetzung verglichen wird. Als Molekülmassenstandards werden [[Desoxyribonukleinsäure|DNA]] oder [[Proteine]] verwendet.

Eine Bestimmung der Menge einer Substanz in einer Bande beziehungsweise der relative Anteil einer Bande (siehe: [[Quantifizierung]]) ist nach der Färbung und Fotografie oder Scan des Gels und einer anschließenden [[Densitometrie (Farbdichtemessung)|densitometrischen]] Auswertung möglich, mit der Einschränkung, dass bei sehr dunklen Banden der innere Bereich der Bande mangels Lichteinstrahlung nicht mit gewertet werden kann. Zur Bestimmung der Messwerte eines Geles wie z. B. Laufweiten, [[Molekülmasse]]n, Quantifizierungen oder Normalisierung wird in den meisten Fällen eine Auswertungssoftware genutzt.

[[Datei:Gel electrophoresis 2.jpg|miniatur|hochkant|DNA-Banden unter UV-Licht im durch Ethidiumbromid gefärbten Agarose-Gel.]]
Zur Auswertung des Gels nach der Elektrophorese werden die zu trennenden Moleküle entweder vor der Elektrophorese [[radioaktiv]] markiert und anschließend in einer [[Autoradiographie]] nachgewiesen oder nach der Elektrophorese mit verschiedenen Farbstoffen versetzt.

Bei der Nukleotidanalytik wird häufig [[Ethidiumbromid]] verwendet, das mit Nukleinsäuren [[Interkalation (Chemie)|interkaliert]] und diese unter [[UV-Licht]] sichtbar macht. Proteine lassen sich mit [[Proteinfarbstoff]]en direkt anfärben, z. B. mit [[Coomassie-Brillant-Blau]] oder im Zuge der [[Silberfärbung]]. Eine Alternative zur Färbung ist das anschließende [[Blotting]]. Man unterscheidet:
*[[Western Blot]] ([[Immunologie|immunologischer]] Nachweis von Proteinen mit markierten Antikörpern)
*[[Southern Blot]] (Nachweis von DNA durch [[Hybridisierung (Molekularbiologie)|Hybridisierung]] mit DNA- oder RNA-Sonden)
*[[Northern Blot]] (Nachweis von [[mRNA]] ebenfalls durch Hybridisierung mit Nukleotidsonden)

== Einsatzgebiete ==
Gelelektrophoresen finden in der [[Molekularbiologie]], [[Biochemie]] und [[Lebensmittelanalytik]] Anwendung. Gele können ohne großen Aufwand selbst hergestellt werden. Fertige Gele und die entsprechenden Puffersysteme können zudem kommerziell erworben werden.

Es existieren zahlreiche Spezialanwendungen:
* [[SDS-PAGE]] zur Trennung von Stoffgemischen (häufig Proteinen) nach Molekülgröße
* [[Isoelektrische Fokussierung|IEF]] zur Trennung von Proteinen nach ihrem [[isoelektrischer Punkt|isoelektrischem Punkt]]
* [[2D-Gelelektrophorese]] als Kombination aus SDS-Page und IEF für komplexe Proteingemische
* [[Diskontinuierliche Elektrophorese]]
* [[Nativ-Gelelektrophorese]] zur Untersuchung der [[Proteinfaltung]]
* [[SDD-AGE]] zur Untersuchung von [[Proteinaggregat]]en
* [[Pulsed-Field-Gelelektrophorese]] (PFGE) zur Trennung großer DNA-Fragmente
* [[Kapillarelektrophorese]] (CE)

== Literatur ==
* [[Friedrich Lottspeich]], Haralabos Zorbas: ''Bioanalytik.'' Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg u. a. 1998, ISBN 3-8274-0041-4.
* [[Hubert Rehm]], Thomas Letzel: ''Der Experimentator: Proteinbiochemie / Proteomics.'' 6. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2010, ISBN 978-3-8274-2312-2.
* [[David E. Garfin]]: ''One-dimensional gel electrophoresis.'' In: ''Methods in Enzymology.'' Band 182, 1990, S. 425–441, PMID 2314252.
* [[David E. Garfin]]: ''One-dimensional gel electrophoresis.'' In: ''Methods in Enzymology.'' Band 463, 2009, S. 497–513, {{DOI|10.1016/S0076-6879(09)63029-9}}, PMID 19892189.

== Weblinks ==
{{Commonscat|Polyacrylamide gel electrophoresis|Gelelektrophorese}}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Elektrophorese]]

Gelelektrophorese - Versionsgeschichte

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