FACOLTA DI SCIENZE FF MM NN – TECNICHE ANALITICHE SEPARATIVE– LM Chimica Il campo di forze che...

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FACOLTA’ DI SCIENZE FF MM NN – TECNICHE ANALITICHE SEPARATIVE– LM Chimica Il campo di forze che causa il trasporto differenziale e' di tipo elettrico. L'elettroforesi ha avuto il suo ideale campo di applicazione in bioanalitica. La separazione si realizza in base al rapporto carica/raggio della molecola. ELETTROFORESI CON ELETTROLITA LIBERO Problemi di convezione ELETTROFORESI CAPILLARE ELETTROFORESI CON SUPPORTO BASI DI ELETTROFORESI

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 Il campo di forze che causa il trasporto differenziale e' di tipo elettrico.L'elettroforesi ha avuto il suo ideale campo di applicazione in bioanalitica. La separazione si realizza in base al rapporto carica/raggio della molecola. 

 

ELETTROFORESI CON ELETTROLITA LIBEROProblemi di convezione

ELETTROFORESI CAPILLARE ELETTROFORESI CON SUPPORTO

BASI DI ELETTROFORESI

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Electrophoretic mobility

• Voltage difference, E = voltage applied/distance between electrodes; generally expressed as volts/cm

• Charge on molecule, q• Frictional component, f, determined by size and shape of

molecule, pore size of matrix, viscosity of buffer

Velocity of particle, v= Eq/f

Mobility of particle, µ = v/E = q/f

•Size/shape•Charge•Both size/shape and charge

Separation can be effected by

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V = IR Ohm lawVoltage is a function of current and resistance

Resistance decreases during electrophoretic run, therefore current increases if maintaining constant voltage

Why minimize current increase during run?

o As current increases, power increases- much of power is dissipated as heat

o Heat affects electrophoretic separation- diffusion increases; samples can be sensitive to heat; buffer viscosity decreases therefore resistance decreases and uneven heating occurs due to best cooling at gel edges

Electrophoretic migration

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Scan lucido

DT= coeff. diff. totale±1 in caso di altri meccanismi di dispersione

EFFICIENZA IN ELETTROFORESI

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Scan lucido

EFFICIENZA IN ELETTROFORESI

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Il campo forza elettrica per mole di molecole sara' dato da

F z E F

ext z EX z VF F V= caduta potenziale

Sostituendo si ottiene che:

Nz V

T F

R2 NUMERO DI PIATTI

In condizioni ideali si ottiene che:

N zV20

Poiche' F C mol= 96000 / , V= 100÷50000V, z=1÷10 si ha che

N=2000÷10x106 ALTA EFFICIENZA

EFFICIENZA IN ELETTROFORESI

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ELETTROFORESI SU SUPPORTO

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Aumento del rapporto superficie/volume Tipi di supporto:

acetato di cellulosacarta gel di poliacrilammide (PAGE)agarosio

I supporti danno un effetto di setaccio per separare in base alle dimensioni, uno volta che le specie siano state caricate in ambiente tamponato Esempi di applicazioni:

Analisi di proteine (Progetto “Proteoma”)Sequenziatura del DNA (Progetto “Genoma”)

ELETTROFORESI SU SUPPORTO

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DNA/Agarose Gel Electrophoresis

Horizontal electrophoresis most common; simplest separation by size

Agarose concentration 0.3-3%

Buffer most often Tris-Borate-EDTA (TBE) at 1X or 0.5X; sometimes Tris-Acetate-EDTA (TAE) at 1X (Maniatis, Current Protocols)

Detection of DNA is generally by ethidium bromide intercalation (dye in gel, in buffer, in sample, or in immersion solution after run) or by other dyes (e.g., Sypro)

Agarose solution gels due to formation of inter- and intra-chain H bonds

=> The higher the concentration, the smaller the pore size

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DNA conformation and delectrophoretic mobility

•Plasmids, as well as viral and bacterial chromosomes, are circular molecules if untreated with nucleases

•Closed circular DNA molecules can exist in several states, from closed circular to nicked to supercoiled to various levels

•Each form migrates differently from the other and from linear DNA of the same size- supercoiled DNA has highest mobility and nicked closed circular has the lowest

•Ethidium bromide, due to intercalation into DNA, affects supercoiling (intercalation decreases negative supercoiling), and can be used to determine extent of supercoiling

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RNA/agarose gel electrophoresis

Denaturation is critical. Formaldehyde gels and formamide-containing sample buffer are commonly used.

Gels are cast in MOPS buffer with formaldehyde

Samples are heated in formamide sample buffer

Gel must be run rapidly or buffer must be changed during longer runs- MOPS is not a strong buffer

o Detection of total RNA is often by EtBr staining- shows only major species (rRNAs)

o Detection of specific species most often is by northern blotting- transfer to nitrocellulose or other blotting paper, followed by hybridization with specific probes

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ANALISI DEL DNA IN CHIMICA FORENSE

…..Abby, la più popolare esperta di analisi del DNA per scopi investigativi (da NCIS, P. Perette)

, TS = controlli

D = imputato

jeans = macchie pantaloni imputato

shirt = macchie su maglietta imputato

V = DNA della vittima

Il DNA del sangue sugli indumenti dell’imputato è sovrapponibile a quello della vittima?

La probabilità di coincidenza casuale e’ di 1: 33x109

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Detection of DNA on Southern blot

Southern blotting is followed by hybridizing labeled DNA sequences to DNA immobilized on membrane, then by detection of label

•Radioactivity by autoradiography

•Enzyme by reaction to produce colored or luminescent product

Labeled proteins to detect DNA binding

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Southern blotting

Developed by E. M. Southern

Separated DNAs are transferred after electrophoresis to nitrocellulose or charged nylon membrane

Transfer is by capillary action (below) or, less often, electrophoretic

Weight

Filter paper

Gel

Support

Buffer

Membrane

Filter paper Wick

Paper towels

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Proteins are sequence of amino acids that can be ionized depend on their acid or basic character.  The N- and C- terminal and T-groups of the polypeptide can be ionized, contributing to the overall charge.  The protein’s net electric charge is the sum of the electric charges found on the surface of the molecule as a function of the environment.- At the pI of a specific protein, the protein molecule carries no net charge and does not migrate in an electric field. - At pH above the pI, the protein has a net negative charge and migrates

  towards the anode. - At pH below the pI, the protein obtains a net positive charge on its   surface and migrates towards the cathode.

Protein electrophoresis

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Polyacrylamide Gel Electrophoresis (PAGE)

Proteins, although can be used for separation of small DNAs

Vertical electrophoresis setup with thin gels (0.2-2 mm)

Can be analytical or preparative scale

Can be denaturing (addition of SDS and reducing agent to sample and SDS to buffer; often also add denaturant to sample buffer; samples are heated before electrophoresis to ensure denaturation) or native conditions

Separation: by size- denaturing; SDS treatment results in uniform charge density

by charge and size/shape- native

by charge/pI- isoelectric focusing

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PAGE

Total percentage of acrylamide- acrylamide and bis-acrylamide- determines pore size of gel

Discontinuous gels are most common for highest resolution:

Low percentage (3%) and low pH (6.8) are used for stacking gel- all proteins run readily through until hit higher percentage and pH (8.6) of running or separating gel (4-20%), then stack up due to change in pH.

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Formazione di un gel PA

Il setaccio tridimensionale si forma dalla co-polimerizzazione del monomero attivato (acrilammide) e del composto che forma i legami trasversali (metilen-bis-acrilammide)

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Determinazione del MW via SDS PAGE

La mobilità elettroforetica delle proteine in un gel SDS PAGE è inversamente proporzionale al logaritmo del loro peso molecolare

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SDS-PAGE: MW separation

1. Denaturing method relying on two components: SDS and reducing agents

2. Reducing agent ensures all disulfide bonds are reduced and SDS denatures and coats protein with basically uniform charge density

3. Native charge masked and native shape lost so separation primarily by size. Linear relationship of logMW and Mr allows MW estimation from comparison with standard curve

4. Separation may be quite different from gel to gel: protein standards should be included in each electrophoresis run. MW standards are also available to allow accurate MW determination of the proteins.

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Separated proteins would not be visualized unless a dye (a stain) is used to give the protein color.

Coomassie Blue     - the fastest and the most commonly used stain

                  

    Zinc Stain     - negatively stained protein on an opaque        white background     - ready in 10 minutes

                  

    

SYPRO Orange Stain     - a fluorescent reagent     - stained proteins are visualized by UV         illumination

                  

    

Silver Stain     - highest sensitivity, 2 ng/band     - ready in 1 hour

Staining

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Coomassie staining

Coomassie Brilliant Blue is most common stain for protein gels.

Staining is carried out in methanol + acetic acid, which acts to fix proteins in gel.

Destaining is required to reduce background- methanol/acetic acid.

Coomassie binds to most proteins with similar affinity, but not all.

Binding is based on mostly ionic interaction (basic amino acids with -SO3-

on Coomassie) plus some hydrophobic interaction with Coomassie rings.

Lower limit for protein band detection by Coomassie staining is ~10-100 ng.

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Covalent/Non-covalent silver staining

1. Covalent silver staining (with glutardialdehyde)

1. More sensitive

2. MS incompatible

3. Lower background

4. No negative staining

2. Non- Covalent silver staining (without glutardialdehyde)

1. Less sensitive

2. MS compatible

3. Higher background

4. Some proteins negative stained

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Sypro staining

1. Simple protocol. No overstaining.

2. 1-4000 dynamic range.

3. Less protein to protein variation

4. Stains glycoproteins, lipoproteins and Ca2+ binding proteins and other difficult-to-stain proteins

5. Do not stain DNA/RNA

6. MS compatible

7. Expensive

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Protein staining methods for proteomics

Method Sensitivity Features

SYPRO Ruby 1 ng 1. MS compatible2. High sensitivity3. Need special image acquiring

instrument.

Silver stain by Merril

1 ng 1. High sensitivity2. Glycoprotein and other low

abundance proteins can be detected

Silver stain by Gottlieb*

1 ng 1. MS compatible2. High sensitivity

Coomassie Blue G-250

10 ng 1. MS compatible2. Easy to handle

Coomassie Blue R-250

50-100 ng 1. MS compatible2. Low cost

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Charge of a protein vs. pH

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Focalizzazione isoelettrica

Un gradiente di pH si forma nel gel prima di caricare il campione.

(A) Caricato il campione, viene applicato il voltaggio. Le proteine migreranno fino al punto in cui il pH è uguale al loro pI, dove la loro carica netta è nulla.

(B) Le proteine formano bande che possono essere tagliate e usate per ulteriori esperimenti.

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2D PAGE in proteomica

(A) Un campione proteico è inizialmente frazionato nella prima dimensione mediante focalizzazione isoelettrica. Il gel di focalizzazione è quindi combinato con un PAGE in direzione ortogonale alla prima. Le proteine aventi stesso pI sono quindi separate in base al MW

(B) 2D PAGE del proteoma di E.coli: si tratta di più di 1000 proteine

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Analisi delle proteine plasmaticheProteina % proteine totali Vel. elettroforetica

pre-albumina <0.5 9.0

albumina 55.0 6.1

glicoproteine <0.5 5.1

5.0

inibitori tripsina

lipoproteine 3.0

glicoproteine 1.2 4.2

macroglobuline <4.5 4.2

mucoproteine 0.5 4.9

plasminogeno 4.7

aptoglobine

Fattore V 4.7

beta-globulina 3.0

transferrina <6.5 3.3

Fattore VIII 2.9

lipoproteine <14

fibrinogeno 2.1

beta(2)-globulina 3.0

b(2)A-globulina

gamma-globuline <17.2

isoemmaglutinine 1.1

Intervalli di normalità delle classi di proteine plasmatiche

Classe Intervallo % Valori medi (g/dL)

Albumine 45-70 4.2

Alfa(1)-globuline 2-5 0.2

Alfa(2)-globuline 8-14 0.8

Beta-globuline 10-15 0.9

Gamma-globuline 11-22 1.2

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Western blotting

Le proteine vengono trasferite dal gel su un foglio di polimero (vedi Southern o Northern blotting) e marcate con anticorpo radioattivo, con sistemi avidina/biotina o traccianti colorati/luminescenti (tipo ELISA). In tal modo si rileva solo la proteina di interesse.

Applicazione clinica tipica: test per epatite C

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•Major drawbacks of gel electrophoresis: speed of analysis.  •Speed could be improved by increasing the electric current of the system.•Large amount of heat would be generated: high convection•CZE uses silica fused capillaries ranging from 0.150 to 0.375 millimeters in outer diameter to dissipate the heat produced. Increasing the electric fields produces very efficient separations and reduces separation times.•Very small amount of sample (0.1 to 10 nL) is required.  The sample solution is injected at one end and a electric field of 100 to 700 volts/centimeter is applied across the capillary.

Capillary Zone Electrophoresis (CZE)

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CZE– The Basics

• Electrophoresis in a buffer filled, narrow-bore capillaries

• Each capillary is about 25-100 μm in internal diameter

• When a voltage is applied to the solution, the molecules move through the solution towards the electrode of opposite charge

• Depending on the charge, the molecules move through at different speeds– Separation is achieved

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a • A photocathode is then used to measure the absorbencies of the molecules as they pass through the solution

• The absorbencies are analyzed by a computer and they are represented graphically

CZE– The Basics / II

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a – The movement of ions solely due to the electric field, potential difference

– Cations should migrate toward cathode– Anions should migrate toward anode– Neutral molecules do not favor either

CZE– The Basics/III

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CZE– Basic theory

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CZE– Basic theory/II

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CZE– Basic theory/III

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CZE– Basic theory/IV

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CZE– Il flusso elettroosmotico

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CZE– Flusso elettroosmotico anodico

Se la parete del capillare viene caricata positivamente allora:

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CZE– Il flusso elettroosmotico/II

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CZE– Il Potenziale

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CZE– Migrazione

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CZE– Migrazione/II

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CZE– Migrazione/III

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CZE– Efficienza

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CZE– Aspetti strumentali

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CZE– Aspetti strumentali/II

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CZE– Rivelatori

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CZE– Rivelatori

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CZE– UV/vis

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CZE– UV/vis /II

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CZE– MS

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Seminario Prof. De LorenziUniversità di Pavia

CZE e tecniche ibride