Gel-Elektrophorese

Versuchsaufbau

Moderne Gelelektrophoreseapparatur

Gelelektrophorese (Wortteile: Gel|elektro|phorese - letzterer abgeleitet von phorein, griech. = tragen) ist eine analytische Methode der Chemie und Molekularbiologie, um verschiedene Arten von Molekülen zu trennen. Dabei wandert eine Mischung aus zu trennenden Molekülen unter Einfluss eines elektrischen Felds (siehe dazu: Elektrophorese) durch ein Gel, welches in einer ionischen Pufferlösung liegt. Je nach Größe und Ladung der Moleküle bewegen sich diese unterschiedlich schnell durch das als Molekularsieb wirkende Gel. Dabei wandern kleine, negativ geladene Moleküle (Anionen) am schnellsten in Richtung der positiv geladenen Anode und positiv geladene Moleküle (Kationen) in Richtung der negativ geladenen Kathode.

Gel-Matrix

Die Moleküle des Gels, beispielsweise Agarose (siehe Agarose-Gelelektrophorese) oder polymerisiertes Acrylamid (Polyacrylamid; siehe Polyacrylamid-Gelelektrophorese), bilden ein engmaschiges Netz, das die zu trennenden Moleküle bei ihrer Wanderung im elektrischen Feld behindert.

Agarose-Gele sind relativ großporig (150 nm bei einprozentigen, 500 nm bei 0,16-prozentigen Gelen) und eignen sich gut zur Trennung von DNA und hochmolekularen Proteinen. Polyacrylamid-Gele weisen wesentlich kleinere Poren auf (3-6 nm). Die Porengröße hängt von der Acrylamidkonzentration und dem Vernetzungsgrad ab.

Je nach Anwendung werden dem Gel verschiedene Zusatzstoffe zugesetzt, beispielsweise SDS bei der SDS-Polyacrylamidgelelektrophorese (SDS-PAGE) oder Ampholyte bei der Isoelektrischen Fokussierung (IEF). Es ist aber auch nicht unüblich auf das SDS zu verzichten, da den Proben schon vor der Auftragung SDS im Probenpuffer zugegeben wird.

Gele können eigentlich ohne großen Aufwand selbst hergestellt werden, wobei es doch etwas Erfahrung erfordert, das Gel auf Anhieb dicht zu bekommen. Fertige Gele und die entsprechenden Puffersysteme können zudem kommerziell erworben werden.

Durchführung

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

Agarose-Gel mit DNA und Lauffarbstoff in den Geltaschen, vor der Elektrophorese.

DNA-Banden unter UV-Licht im 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 wie beispielsweise Ethidiumbromid "gefärbt" und unter UV-Licht betrachtet. So verfährt man etwa mit DNA-Fragmenten. Proteine können angefärbt werden (siehe dazu: Färbung nach Fairbanks, Silberfärbung) und/oder immunologisch nachgewiesen werden (Western Blot).

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 Comigrationsstandard, mit dessen Hilfe eine unbekannte mit einer bekannten Probenzusammensetzung verglichen wird.

Eine Bestimmung der Menge einer Substanz in einer Bande beziehungsweise der relative Anteil einer Bande (siehe: Quantifizierung) ist nach der Färbung des Gels und einer anschließenden densitometrischen Auswertung möglich. Zur Bestimmung der Messwerte eines Geles wie z.B. Laufweiten, Molekülmassen, Quantifizierungen oder Normalisierung wird in den meisten Fällen eine Auswertungssoftware genutzt.

Zur Abschätzung der Molekülmassen können Molekülmassenstandards verwendet werden. Hierbei wird eine Lösung mit einem Gemisch aus Molekülen bekannter Masse zusammen mit den zu untersuchenden Proben in einem Gel elektrophoretisch getrennt. Die in den Proben vorhandenen Moleküle können mit denen des Standards verglichen und dadurch ihre ungefähre Molekülmasse ermittelt werden.

Als Molekülmassenstandards werden DNA (Desoxyribonukleinsäure) oder Proteine verwendet.

Einsatzgebiete

Gelelektrophorese wird in der Molekularbiologie und der Biochemie häufig verwendet:

Gelelektrophorese	Variante	Einsatzgebiet
Agarose-Gelelektrophorese		Analytik von Desoxyribonukleinsäure (DNA) Ribonukleinsäure (RNA)1
Nativ-Gelelektrophorese	Saure Nativ-Gelelektrophorese Blaue Nativ-Gelelektrophorese	Proteinanalytik2
SDS-PAGE	2D-Gelelektrophorese	Proteinanalytik2
Isoelektrische Fokussierung		Proteinanalytik2
QPNC-PAGE		Analytik von Metalloproteinen

¹siehe auch: Southern Blot, Northern Blot
²siehe auch: Western Blot