Electroforese

Ilustración dunha electroforese.

Ilustración do retardo en electroforese.

A electroforese é o movemento de partículas dispersadas en relación a un fluído baixo a influencia dun campo eléctrico espacialmente uniforme. Na electroforese baséanse numerosas técnicas analíticas bioquímicas. Este fenómeno electrocinético foi observado por primeira vez en 1807 por Ferdinand Frederic Reuss (Universidade do Estado de Moscova), quen se decatou que a aplicación dun campo eléctrico constante causaba que partículas de arxila dispersadas en auga migrasen. En último extremo o fenómeno está causado pola presenza dunha interface cargada entre a superficie da partícula e o fluído que a rodea. A electroforese é a base de numerosas técnicas analíticas usadas en bioquímica para separar moléculas por tamaños, carga, ou afinidade de unión.

A electroforese de partículas cargadas positivamente (catións) denomínase cataforese, mentres que a das partículas cargadas negativamente (anións) chámase anaforese. Nos laboratorios a electroforese é unha técnica que permite separar moléculas, como por exemplo proteínas, aplicando unha carga negativa para que as proteínas se movan cara ás cargas positivas. Isto utilízase tamén para a análise de ADN ou ARN. A electroforese en xel de poliacrilamida (PAGE) ten unha mellor resolución que en xel de agarosa e é máis axeitada para as análises cuantitativas. Pode utilizarse para separar proteínas por tamaño, densidade e pureza. Tamén se utiliza na análise de plásmidos.

Teoría

As partículas en suspensión teñen unha carga eléctrica superficial, que está fortemente afectada polas especies químicas adsorbidas na súa superficie, nas cales un campo eléctrico externo exerce unha forza de Coulomb electrostática. Segundo a teoría da dobre capa, todas as cargas superficiais en fluídos son protexidas por unha capa difusa de ións, que ten a mesma carga absoluta pero de signo oposto ao da carga superficial. O campo eléctrico tamén exerce unha forza sobre os ións na capa difusa, que ten dirección oposta á que actúa sobre a carga superficial. Esta última forza, en realidade, non está aplicada á partícula, senón aos ións da capa difusa situada a certa distancia da superfice das partículas, e parte dela é transferida ata a superficie da partícula por medio da tensión viscosa. Esta parte da forza tamén se chama forza de ratardo electroforética. Cando se aplica un campo eléctrico e a partícula cargada a analizar está nun movemento estable a través da capa difusa, a forza resultante total é cero :

$F_{tot}=0=F_{el}+F_{f}+F_{ret}$

Considerando o arrastre sobre as partículas en movemento debido á viscosidade do dispersante, no caso dun número de Reynolds baixo e unha forza do campo eléctrico moderada E, a velocidade de deriva dunha partícula dispersada v é simplemente proporcional ao campo aplicado, o cal fai que a mobilidade electroforética μ_e quede definida como:

$\mu _{e}={v \over E}.$

A teoría mellor coñecida e amplamente usada da electroforese é a desenvolvida en 1903 por Smoluchowski

$\mu _{e}={\frac {\varepsilon _{r}\varepsilon _{0}\zeta }{\eta }}$,

onde ε_r é a constante dieléctrica do medio de dispersión, ε₀ é a permitividade co espazo libre (C² N⁻¹ m⁻²), η é a viscosidade dinámica do medio de dispersión (Pa s), e ζ é o potencial zeta (é dicir, o potencial electrocinético do plano de esvaramento na dobre capa).

A teoría de Smoluchowski é moi poderosa porque funciona para partículas dispersadas de calquera forma e en calquera concentración. Desafortunadamente, ten limitacións sobre a súa validez. Non inclúe, por exemplo, a lonxitude de Debye κ⁻¹, malia que a lonxitude de Debye debe ser importante para a electroforese. Un incremento de grosor da dobre capa leva a mover o punto da forza de retardo alén da superficie da partícula. Canto maior sexa o grosor da dobre capa, menor debe ser a forza de retardo.

Unha análise teórica detallada probou que a teoría de Smoluchowski é válida só para dobres capas o suficientemente finas, cando o radio da partícula a é moito máis grande que a lonxitude de Debye:

$a\kappa \gg 1$.

Este modelo de "dobre capa fina" ofrece grandes simplificacións non só para a teoría da electroforese senón para moitas outras teorías electrocinéticas. Este modelo é válido para a maioría dos sistemas acuosos, nos que a lonxitude de Debye é xeralmente só de poucos nanómetros. Só fallar par nano-coloides en solución con forza iónica próxima á da auga.

A teoría de Smoluchowski tamén deixa sen considerar as contribucións da condutividade de superficie. Isto exprésase na teoría moderna como unha condición dun número de Dukhin pequeno:

$Du\ll 1$

No intento de aumentar o rango de validez das teorías electroforéticas, considerouse o caso asintótico oposto, cando a lonxitude de Debye é maior que o raio da partícula:

$a\kappa <\!\,1$.

Baixo esa condición dunha "dobre capa fina", Hückel predixo a seguinte relación para a mobilidade electroforética:

$\mu _{e}={\frac {2\varepsilon _{r}\varepsilon _{0}\zeta }{3\eta }}$.

Este modelo pode ser útil para algunhas nanopartículas e fluídos non polares, nos que a lonxitude de Debye é moito maior que nos casos usuais.

Hai varias teorías analíticas que incorporan a condutividade de superficie e eliminan a restrición dun número de Dukhin pequeno, que foron iniciadas por Overbeek e Booth. Da teoría de Dukhin-Semenkhin, principalmente, derivaron teorías modernas rigorosas válidas para calquera potencial zeta e a miúdo calquera aκ. In the thin Double Layer limit, these theories confirm the numerical solution to the problem provided by O'Brien and White.

En bioquímica

Moléculas separadas en distintas bandas por electroforese en xel.

En bioquímica, a electroforese é unha técnica para a separación de moléculas segundo a súa mobilidade nun campo eléctrico. A separación pode realizarse sobre a superficie hidratada dun soporte sólido (por exemplo, electroforese en papel ou en acetato de celulosa), a través dunha matriz porosa (electroforese en xel), ou ben en disolución (electroforese libre). Dependendo da técnica que se use, a separación obedece en distinta medida á carga eléctrica das moléculas e á súa masa.

A electroforese úsase en gran medida nos traballos con ADN recombinante, xa que nos permite saber a carga que posúen os polipéptidos, e separar os diferentes polipéptidos resultantes das variacións do experimento do ADN recombinante. A variante de uso máis común para a análise de mesturas de proteínas ou de ácidos nucleicos utiliza como soporte un xel, habitualmente de agarosa ou de poliacrilamida. Os ácidos nucleicos xa dispoñen dunha carga eléctrica negativa, que os dirixirá ao polo positivo, mentres que as proteínas se cargan ao unirse con substancias como o SDS (un deterxente) que incorpora cargas negativas dunha maneira dependente da masa molecular da proteína. Ao poñer a mestura de moléculas e aplicar un campo eléctrico, estas moveranse e deberán ir pasando pola malla do xel (unha rede tridimensional de fibras cruzadas), polo que as pequenas se moverán mellor, máis rapidamente. Así, as máis pequenas avanzarán máis e as máis grandes quedarán preto do lugar de partida.

Técnicas electroforéticas en bioquímica

As principais técnicas electroforéticas aplicables en bioquímica, bioloxía e medicina son:

• Electroforese de afinidade, usada para separar e caracterizar biomoléculas baseándose nas súas características moleculares por medio da súia unión a outra biomolécula.
• Electroforese capilar, usada comunmente para separar biomoléculas pola súa carga e forza friccional.
• Electroforese en xel, unha técnica usada para separar moléculas baseándose en características físicas como o tamaño, forma ou punto isoeléctrico.
  • Electroforese de ADN, é un tipo específico de electroforese en xel utilizado para analizar o ADN.
  • Electroforese de proteínas, un tipo específico de electroforese en xel utilizada para analizar proteínas.
  • Electroforese en xel bidimensional, utilizada xeralmente para analizar proteínas. Nela utilízanse dous mecanismos de separación das moléculas.
  • SDS-PAGE, electroforese en xel de poliacrilamida (PAGE) con dodecilsulfato sódico (SDS), xeralmente utilizada para analizar proteínas.
• Inmunoelectroforese, utilizada para separar e caracterizar biomoléculas baseándose nas súas características moleculares e na unión de anticorpos.

En medicina

A iontoforese, é unha forma de administrar rapidamente fármacos a través da pel, aplicando un campo eléctrico.

Nas ciencias dos coloides e as interfaces

Aplícanse os principios da electroforese en:

• Dielectroforese, movemento similar nun campo eléctrico non uniforme.
• Microelectroforese, un método para estudar a electroforese de varias partículas dispersadas utilizando microscopia óptica.
• Dispersión da luz electroforética, un método para medir a mobilidade electroforética baseado na dispersión da luz dinámica.

Véxase tamén

Bibliografía

• Voet and Voet (1990). Biochemistry. John Wiley & Sons. 
• Jahn, G.C.; D.W. Hall and S.G. Zam (1986). "A comparison of the life cycles of two Amblyospora (Microspora: Amblyosporidae) in the mosquitoes Culex salinarius and Culex tarsalis Coquillett". J. Florida Anti-Mosquito Assoc. 57: 24–27. 
• Khattak, M.N.; R.C. Matthews (1993). "Genetic relatedness of Bordetella species as determined by macrorestriction digests resolved by pulsed-field gel electrophoresis". Int. J. Syst. Bacteriol. 43 (4): 659–64. PMID 8240949. doi:10.1099/00207713-43-4-659. 
• Barz, D.P.J.; P. Ehrhard (2005). "Model and verification of electrokinetic flow and transport in a micro-electrophoresis device". Lab Chip 5 (9): 949–958. PMID 16100579. doi:10.1039/b503696h. 
• Shim, J.; P. Dutta and C.F. Ivory (2007). "Modeling and simulation of IEF in 2-D microgeometries". Electrophoresis 28: 527–586. 

Outros artigos

• Electroblotting
• Electroenfoque
• Isotacoforese
• Electroforese en xel de campo pulsado

Ligazóns externas

• Lista de mobilidades relativas (en inglés)