SDS-PAGE로 단백질 분리

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Basic Methods in Cellular and Molecular Biology
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JoVE Science Education Basic Methods in Cellular and Molecular Biology
Separating Protein with SDS-PAGE

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07:29 min
April 30, 2023

Overview

나트륨 도데딜 황파테 폴리 아크릴아미드 젤 전기 포근, 또는 SDS-PAGE, 그들의 크기와 다른 아무것도에 따라 단백질의 혼합물을 분리하기 위한 널리 사용되는 기술이다. 성안 세제인 SDS는 선형화된 단백질의 길이에 걸쳐 균일한 전하를 생성하는 데 사용됩니다. 먼저 폴리아크릴아미드로 만든 젤에 넣은 다음 젤에 전기장을 적용하면 SDS 코팅 단백질이 분리됩니다. 전기장은 구동력역할을 하며, SDS 코팅 단백질을 작은 단백질보다 더 느리게 움직이는 더 큰 단백질을 가진 양극쪽으로 그립니다. 크기별로 단백질을 식별하기 위해 알려진 크기의 단백질 표준은 샘플과 함께 로드되고 동일한 조건에서 실행됩니다.

이 비디오는 먼저 그 뒤에 이론을 설명하고 나중에 단계별 절차를 보여 줌으로써 SDS-PAGE에 대한 소개를 제공합니다. 겔에 적용된 폴리아크릴아미드 농도 및 전압과 같은 다양한 실험 파라미터가 논의된다. 쿠마시와 은 얼룩과 같은 다운스트림 염색 방법이 도입되고, 2D 젤 전기포고와 같은 방법의 변형이 제시된다.

Procedure

SDS-PAGE는 많은 연구자들이 단백질 혼합물을 크기별로 분리하는 데 사용하는 기술입니다. 이 기술의 성공적인 완성은 면역 blotting과 같은 많은 단백질 분석 방법에 필수적인 첫 번째 단계입니다. 그 자체로 단백질 크기와 순도를 평가하는 데 유용한 도구입니다.

SDS-PAGE 기술을 이해하려면 먼저 기본 구성 요소를 이해해야 합니다. SDS-PAGE는 나트륨 도데실 황산염 폴리 아크릴아미드 젤 전기 포레시스를 의미합니다. 나트륨 -도데실린 설페이트, 이것의 첫 번째 부분, 또는 “SDS”, 음이온 세제입니다. 즉, 순 음전하와 중립 전하가 있는 긴 소수성 사슬을 가진 친성군으로 구성된다.

소수성 사슬은 단백질 1그램당 1.4그램의 SDS 속도로 질량에 비례하여 단백질을 담요로 덮습니다. 이것은 전기장에서 크기 구동 분리에 필요한 원동력으로 단백질을 제공합니다.

폴리 아크릴아미드 젤 전기포레시스는 폴리아크릴아미드로 만든 하이드로겔을 활용합니다. 폴리아크릴아미드는 단백질이 움직일 수 있는 매우 규칙적인 매트릭스를 형성하는 폴리머입니다. 젤이 집중될수록 전기장에 노출되면 단백질이 통과할수록 속도가 느립니다. 물체 운동에 영향을 미치기 위해 공간적으로 균일한 전기장을 사용하는 공정을 전기전주로 알려져 있다.

SDS-PAGE는 배양, 조직, 혈액, 소변 및 효모의 세포를 포함하여 많은 다른 근원에서 분리된 단백질에 수행됩니다.

이러한 다양한 소스에서 단백질먼저 균질화 및 원심 분리를 포함 하 여 기술을 사용 하 여 다른 세포 구성 요소에서 분리 해야 합니다., 종종 lysis 버퍼의 사용 다음.

단백질이 고립되면, 그 농도는 종종 비신천산, 또는 BCA, 색도 분석의 알부민 표준에 샘플의 단백질의 양을 비교하여, 샘플의 동등한 적재를 보장하기 위해 측정된다.

기억해야 할 중요한 단계는 로딩 버퍼를 추가하는 것입니다. 로딩 버퍼에는 3개의 주요 기능이 있습니다. 첫째, SDS와 추가 환원 제 덕분에 단백질을 변성하여 기본적으로 복잡한 단백질 구조를 아미노산의 선형 체인으로 전환한다는 것을 의미합니다. 둘째, 글리세린이 함유되어 있어 젤 우물에 적재될 때 시료가 부유하지 않도록 합니다. 그리고 마지막으로, 대부분의 상용 적재 버퍼는 전기 포근 단계의 진행상황을 측정하기 위해 추적될 수 있는 브로모페놀 블루와 같은 염료를 포함한다.

로딩 버퍼를 추가한 후 샘플을 혼합한 다음 5분 동안 끓여야 합니다. 이를 통해 단백질의 강력한 디 황화물 결합은 베타-메르카토에탄올과 같은 환원제의 도움으로 깨질 수 있습니다. 모든 이황화물 결합이 깨지면 SDS가 단백질을 더 균등하게 코팅 할 수 있습니다.

다음으로, 샘플은 신속하게 아래로 분사하고 전기 전광을 위한 젤 시스템에 로드될 준비가 됩니다.

샘플을 로드하기 전에 젤 시스템을 먼저 조립해야 합니다. 이것은 폴리 아크릴아미드 젤의 구입 또는 제조로 시작됩니다. 아크릴리제는 신경 독성이 있고 뇌 손상을 일으킬 수 있기 때문에 미리 만들어진 젤은 점점 더 인기를 끌고 있습니다. 젤 카세트에는 샘플을 적재하는 데 사용되는 우물이 포함되어 있습니다.

젤이 제자리에 고정되면 내부 및 외부 챔버는 젤을 만드는 데 사용되는 동일한 이온 농도를 포함하는 버퍼로 채워집니다. 이것은 음극에서 젤을 통과하고 양극으로 원활하게 통과하는 전기 회로를 만듭니다.

다음으로, 분자량 사다리는 전형적으로 젤에 적재되고, 그 다음에 는 견본이 뒤따릅니다. 젤이 실행되면 사다리가 퍼지고 알려진 크기의 눈에 보이는 단백질 밴드를 만듭니다. 마지막 단계에서, 이 밴드는 각 단백질의 크기를 계산하는 데 사용할 수 있습니다.

모든 시료가 로드되면 젤 박스의 양수 및 음수 단자는 장시간 일정한 전압을 유지할 수 있는 전원에 연결됩니다. 젤은 전형적으로 전체 샘플이 “스태킹 젤”이라고 불리는 젤 부위에 들어갈 때까지 약 60V에서 시작됩니다. 이어서, 겔의 크기와 농도 및 관심 있는 단백질의 크기에 따라 전압이 약 200V로 30분에서 1시간 동안 증가한다.

전기 전도가 완료되면 카세트가 제거되고 열리면 젤을 노출합니다. 젤은 그 때 겔 내의 단백질 밴드를 시각화하기 위하여 쿠마시 블루 또는 은 얼룩과 같은 전형적인 단백질 얼룩으로 얼룩질 수 있습니다. Coomassie 얼룩은 단백질의 50 나노 그램만큼 작은 밴드를 감지 할 수 있습니다, 실버 얼룩은 단백질의 작은 1 나노 그램밴드를 감지 할 수있는 반면.

2차원 겔 전기포고증에서 샘플은 젤에 대한 두 가지 별도 특성으로 구분되며, 한 번에 1차원이 형성됩니다. 첫째, 샘플은 국소화된 pH 그라데이션 스트립의 등산 지점에 따라 적재되고 배열됩니다. 스트립의 단백질은 변성되고 신선한 젤 용액으로 제자리에 고정되는 전형적인 폴리 아크라이알라미드 젤 위에 놓입니다. 그런 다음 두 번째 차원 분리는 SDS-PAGE에 의해 수행됩니다.

동전 적 초점 2-D 젤 전기 포진에 대 한 유일한 옵션, 그것은 가장 일반적인. 2차원 젤 전기전광은 단백질 복합체 및 하위 세포조직에 대한 통찰력을 제공하는 귀중한 도구입니다.

젤을 실행 한 후, 매우 일반적인 다음 단계는 분석을 위해 PVDF 또는 나일론으로 만든 막에 젤에서 단백질을 전송하는 것입니다. 그런 다음 특정 항체를 사용하여 막을 조사하고 관심있는 단백질을 찾을 수 있습니다. 여기에 표시된 전형적인 면역 블롯 결과 연구원은 3 개의 다른 신호 증폭 기술을 사용하여 여러 일련 희석을 통해 Pit-1 단백질의 존재를 가장 잘 보여주는 지 결정하는 것입니다.

SDS-PAGE를 사용하여 단백질 분리에 대한 JoVE의 비디오를 방금 시청했습니다. 이제 이 강력한 기술을 사용하여 크기별로 단백질을 해결하는 데 관련된 단계를 이해해야 합니다. 언제나처럼, 시청주셔서 감사합니다!

Transcript

SDS-PAGE is a technique used by many researchers to separate mixtures of proteins by size. Successful completion of this technique is an essential first step for many methods of protein analysis, like immunoblotting. By itself, it is a useful tool in assessing protein size and purity.

In order to understand the SDS-PAGE technique, you must first understand its principle components. SDS-PAGE stands for Sodium Dodecyl Sulfate Poly-Acrylamide Gel Electrophoresis. Sodium-Dodecyl Sulfate, the first part of this, or “SDS”, is an anionic detergent. This means that it is composed of a hydrophilic group with a net negative charge and a long hydrophobic chain with neutral charge.

The hydrophobic chain blankets proteins in proportion to their mass at a rate of 1.4 grams of SDS per gram of protein. This provides the proteins with the driving force necessary for size driven separation in an electric field.

Poly-Acrylamide Gel Electrophoresis utilizes a hydrogel made from polyacrylamide. Polyacrylamide is a polymer that forms a very regular matrix through which proteins can move. The more concentrated the gel is, the slower the proteins will traverse across it when exposed to an electric field. The process of using a spatially uniform electric field to influence an objects motion is known as electrophoresis.

SDS-PAGE is performed on proteins isolated from many different sources including cells in culture, tissues, blood, urine, and yeast.

Proteins from these various sources must first be separated from other cellular components using techniques including homogenization and centrifugation, often followed by the use of lysis buffers.

Once the protein is isolated, its concentration is often measured, to ensure equal loading of samples, by comparing the amount of protein in the sample to albumin standards in a Bicinchoninic acid, or BCA, colorimetric assay.

An important step to remember is the addition of the loading buffer. The loading buffer has 3 main functions. First, thanks to SDS and additional reducing agents, it denatures the proteins, which basically means it turns complex protein structures into a linear chain of amino acids. Secondly, it contains glycerin, which ensures that the sample doesn’t float away when it is loaded in the wells of the gel. And finally, most commercial loading buffers include a dye, such as bromophenol blue, which can be tracked to measure the progress of the electrophoresis step.

After adding the loading buffer, the samples need to be mixed and then boiled for 5 minutes. This allows the strong di-sulfide bonds in the proteins to be broken with the help of a reducing agent such as beta-mercaptoethanol. Once all the disulfide bonds are broken SDS can more evenly coat the proteins.

Next, the samples are quickly spun down and are then ready to be loaded into the gel system for electrophoresis.

Before the samples can be loaded, the gel system must first be assembled. This begins with the purchase or fabrication of a polyacrylamide gel. Premade gels are becoming more and more popular because acrylimide is neurotoxic and can cause brain damage. The gel cassette contains wells that are used to load the samples.

Once the gels are secured into place, the inner and outer chambers are filled with a buffer that contains the same concentration of ions used to make the gels. This creates an electrical circuit that passes seamlessly from the cathode, through the gel and into the anode.

Next, molecular weight ladders are typically loaded into the gel, followed by the samples. As the gel runs, the ladder will spread and create visible protein bands of known sizes. At the final steps, these bands can be used to calculate each protein’s size.

Once all the samples are loaded, the positive and negative terminals on the gel box are connected to a power source capable of maintaining a constant voltage for a long period of time. Gels are typically started at around 60V until the entire sample has entered the gel region called the “stacking gel”. Then, the voltage is increased to around 200V for 30 minutes to 1 hour depending on the size and concentration of the gel and the size of the protein of interest.

When electrophoresis is complete, the cassette is removed and opened to expose the gel. The gel can then be stained with a typical protein stain, such as coomassie blue or silver stain, to visualize the protein bands within the gel. Coomassie stain can detect bands with as little as 50 nanograms of protein, whereas silver stain can detect bands with as little as 1 nanogram of protein.

In two-dimensional gel electrophoresis, samples are separated by two separate properties on gels, one dimension at a time. First, samples are loaded and arranged according to their isoelectric points on localized pH gradient strips. The proteins in the strip are then denatured and are placed on top of a typical polyacrylamide gel where they are secured in place with fresh gel solution. Then, second dimension separation is performed by SDS-PAGE.

While isoelectric focusing isn’t the only option for 2-D gel electrophoresis, it is the most common. Two-dimensional gel electrophoresis is an invaluable tool that provides insights into protein complexes and sub-organelle organization.

After running the gel, a very common next step is to transfer the proteins from the gel onto a membrane made of PVDF or nylon for analysis. You can then use specific antibodies to probe the membrane and look for proteins of interest. Shown here are typical immunoblot results where the researcher used 3 different signal amplification techniques to determine which best shows the presence of the Pit-1 protein throughout a number of serial dilutions.

You’ve just watched JoVE’s video on protein separation using SDS-PAGE. You should now understand the steps involved in resolving a protein by size using this powerful technique. As always, thanks for watching!