Gelelektrophorese
Die Gelelektrophorese ist eine Analysemethode. Alles, was du zu ihrem Aufbau, ihrem Ablauf und ihrer Auswertung wissen musst, bekommst du hier in unserem Beitrag oder in unserem Video erklärt!
Inhaltsübersicht
Gelelektrophorese einfach erklärt
Die Gelelektrophorese ist ein Analyseverfahren in der Chemie und in der Molekularbiologie. Sie wird verwendet, um verschiedene kleine Moleküle, also DNA, RNA und Proteine, voneinander zu trennen.
Das funktioniert so: Die zu trennenden Moleküle bewegen sich auf einem Gel, das elektrisch aufgeladen ist. Je nach Größe und Ladung wandern die Moleküle unterschiedlich weit. Dabei bilden sie ein charakteristisches Bandenmuster. Anschließend kannst du die Moleküle durch eine Färbung sichtbar machen.
Für die Wanderungsgeschwindigkeit der Moleküle, kannst du dir merken:
- Kleine Moleküle wandern schneller als große Moleküle.
- Negativ geladene Moleküle (Anionen) bewegen sich zur positiv geladenen Elektrode (Anode).
- Positiv geladenen Moleküle (Kationen) wandern zur negativ geladenen Elektrode (Kathode).
Gelelektrophorese (eng. gel electrophoresis) ist ein analytisches Verfahren in der Chemie und Molekularbiologie zur Trennung von Molekülen. Sie ist eine Variante der Elektrophorese.
Gelelektrophorese Aufbau
Die Apparatur der Gelelektrophorese sieht folgendermaßen aus:
Gel Matrix: Für die Gelelektrophorese ist eine sogenannte Gel-Matrix notwendig, denn durch sie können die Moleküle wandern.In der Matrix befinden sich Poren, die für die Moleküle wie eine Art Sieb wirken. Die Größe der Poren unterscheidet sich dabei je nachdem, welches Gel du verwendest.
Elektrisches Feld: Die gesamte Apparatur wird an ein Gerät angeschlossen, das ein elektrisches Feld erzeugt.
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- Ein Bereich des Gels wird dadurch negativ geladen (Kathode).
- Die andere Seite ist hingegen positiv geladen (Anode).
Gelelektrophorese Ablauf
Eine Gelelektrophorese verläuft immer nach einem ähnlichen Schema. Schauen wir uns Schritt für Schritt ihren Ablauf an:
Schritt 1: Der Ablauf beginnt mit der Mischung aus elektrisch geladenen Molekülen, die du auftrennen willst. Moleküle, die von Natur aus nicht/schwer sichtbar sind, färbst du zuerst mit einem Farbstoff ein. Zum Färben von RNA oder DNA wird beispielsweise oft der rote Farbstoff Ethidiumbromid verwendet.
Schritt 2: Nun gibst du diese Mischung auf das Gel. Da sich gegensätzliche Ladungen anziehen, wandern die negativ geladenen Moleküle (Anionen) unter Einfluss des elektrischen Feldes in Richtung der Anode (positiv geladen). Die positiv geladenen Moleküle (Kationen) wandern entsprechend zur Kathode (negativ geladen).
Je nach Molekülgröße und -ladung bewegen sich die Moleküle unterschiedlich weit durch das Gel. Sie besitzen also eine unterschiedliche Wandergeschwindigkeit.
- Kleine Moleküle wandern jeweils am schnellsten in die Richtung der beiden Elektroden.
- Durch die im Gel befindlichen Poren und die entstehende Reibung auf der Gelfläche, setzen sich Moleküle mit ähnlichen Eigenschaften an derselben Stelle ab. Lange Moleküle können sich nämlich im Gel nicht so schnell bewegen wie kürzere.
- Mit der Zeit lagern sich Moleküle gleicher Größe und Ladung in sogenannten Banden zusammen. Es entsteht dabei ein spezifisches Bandenmuster.
Gelelektrophorese Auswertung
Wenn die Probemoleküle vor der Gelelektrophorese mit einem Farbstoff markiert wurden, kannst du das entstandene Bandenmuster meistens unter UV-Licht betrachten.
Um Aussagen über das entstandene Bandenmuster zu treffen, kannst du am Ende sogenannte Marker hinzufügen. Darunter verstehst du Moleküle, deren Eigenschaften du kennst. Beispielsweise ein DNA-Abschnitt, dessen Länge dir schon bekannt ist, wie bei einem Kriminalfall die DNA des potenziellen Täters. Jetzt kannst du dein Bandenmuster mit dem des Markers vergleichen.
Gelelektrophorese Verwendung
Die Gelelektrophorese hat zahlreiche Anwendungen in folgenden Bereichen:
- Molekularbiologie
- Biochemie
- Lebensmittelanalytik
In den meisten Fällen wird sie für die Analyse von DNA benutzt. So findet sie beispielsweise bei Vaterschaftstests oder zur Ermittlung des Täters bei Kriminalfällen Verwendung.
Gelelektrophorese DNA
DNA ist durch ihre Phosphatreste grundsätzlich negativ geladen. Aus diesem Grund bewegt sie sich in Richtung Anode. So lässt sich ein sogenannter genetischer Fingerabdruck durch ein charakteristisches Bandenmuster erstellen. Schauen wir uns dazu zwei Beispiele an:
Kriminalistik
Wenn du nun den Täter in einem Kriminalfall ermitteln willst, musst du den genetischen Fingerabdruck des potenziellen Täters mit einer am Tatort gefundenen DNA-Probe vergleichen. Die Probe dient als Marker.
- Beide Proben werden zuerst mithilfe der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) vervielfältigt. So hast du mehr Material, mit dem du Arbeiten kannst.
- Nach der Elektrophorese kannst du die Bandenmuster beider Proben miteinander vergleichen.
- Da jeder Mensch einen spezifischen genetischen Fingerabdruck besitzt, kannst du so den Täter entlarven.
Vaterschaftstest
Das Vorgehen kannst du auch bei einem Vaterschaftstest verwenden.
- Die DNA-Proben des potenziellen Vaters und des Kindes werden nach Vervielfältigung durch die PCR miteinander verglichen.
- In dem Falle ist das Bandenmuster nicht komplett identisch.
- Liegt aber eine Verwandtschaft vor, muss es übereinstimmende Abschnitte im Bandenmuster geben.
Gelelektrophorese weitere Einsatzgebiete
Neben genannten klassischen Einsatzgebieten existieren auch noch mehrere Spezialanwendungen:
- Mit der Nativ-Gelelektrophorese kannst du beispielsweise die Faltung von Proteinen untersuchen.
- Die 2D-Gelelektrophorese dient der Untersuchung von komplexeren Proteinen.
Träger-Gele bei der Gelelektrophorese
Die unterschiedlichen Träger-Gele der Gel-Matrix unterscheiden sich hauptsächlich in der Größe der Poren. Sie bilden ein engmaschiges Netz. Das ist in der Lage, die aufzutrennenden Moleküle im elektrischen Feld zu verlangsamen. Häufig verwendete Gele sind folgende:
- die großporige Agarose
- das kleinporige Polyacrylamid
Agarose
Agarosegel ist mit 150-500 nm relativ großporig. Mit ihm kannst du vor allem DNA und größere Proteine gut auftrennen. Vor Beginn der Agarose-Gelelektrophorese werden die Probemoleküle mit einem Farbstoff versetzt, den du später unter UV-Licht betrachten kannst.
Wird eine Spannung angelegt, wandern die Moleküle entsprechend ihrer Ladung zur Kathode oder Anode. Dabei werden die größeren Moleküle stärker zurückgehalten als kleinere.
Polyacrylamid
Polyacrylamid-Gel hat mit ca. 3,6 nm relativ kleine Poren. Hierbei kannst du also insbesondere kleinere Proteine besonders detailliert auftrennen. Auch bei der Polyacrylamid-Gelelektrophorese verwendest du einen Farbstoff für die Probemoleküle.
Gelelektrophorese und PCR
Du kannst die DNA-Abschnitte, bevor du sie mit der Elektrophorese untersuchst, mithilfe der Polymerase-Kettenreaktion vervielfältigen. Schau dir unser Video dazu an, um mehr über den genauen Ablauf der Methode und ihre verschiedenen Varianten zu erfahren!
