蛋白質SDS-PAGE電泳實驗常見問題及改進措施

杜照奎,徐慧君,柯世省

(臺州學院 生命科學學院,浙江 臺州 318000)

聚丙烯酰胺凝膠電泳(ployacrylamide gel electrophoresis,PAGE)是以聚丙烯酰胺凝膠作為支持介質的一種電泳技術，常用作蛋白質分離鑒定[1]。聚丙烯酰胺凝膠由丙烯酰胺單體(Arc)和交聯劑甲叉雙丙烯酰胺(Bis)在催化劑過硫酸銨(APS)和加速劑四甲基乙二胺(TEMED)的作用下聚合而成。十二烷基硫酸鈉(Sodium dodecyl sulfate,SDS)是一種陰離子蛋白質變性劑，它能破壞蛋白質分子內和分子間的氫鍵，并且覆蓋在其表面，各亞基在從電場負極向正極端泳動時，其遷移率主要取決于分子量的大小[2]。

SDS-PAGE可根據蛋白質的分子量大小，配制不同濃度的凝膠，從而調控凝膠的孔徑大小，可使不同分子量的蛋白質得以分離。SDS-PAGE具有設備相對便宜、樣品用量少、操作相對簡便和重復性好等優點；而且該技術分辨率高，在很多情況下，優于常用的層析、超速離心及瓊脂糖凝膠電泳[3]；此外，該技術不僅能分離蛋白質，還能分離核酸[4]等。總之，SDS-PAGE技術廣泛地應用于生物大分子的分離、鑒定、檢測、定性和定量分析等領域，在生化技術中占有十分重要的地位，因此許多高校生物類相關專業均開設SDS-PAGE電泳實驗。

然而，實驗開展過程也存在一些問題。如初學者制膠容易出現滲漏現象，凝膠時間長短不易把握；染色液氣味刺激和脫色時間長等。為提高學習效率，使學生盡量在課內完成實驗并觀察到結果，同時減少試劑對學生呼吸系統的刺激，筆者針對以上常見問題進行了改進，取得了較好的效果。

1 存在的問題

1.1 凝膠制備過程中易滲漏

筆者實驗室使用的SDS-PAGE電泳設備為北京六一生物科技有限公司DYCZ-24DN電泳儀，制膠時將厚薄兩塊玻璃板(其中厚板左右兩側有突起約2 mm的磨砂邊)對齊放入專用制膠模型中，但由于玻璃板左右兩側的凸起磨砂邊密封性較差，也沒有彈性墊托底，為彌補這些不足，廠家設計了一條U形橡膠條將底部和磨砂邊的外側全部兜住，形成一個左、右和底部均不漏液的密閉空間，未凝固膠液從頂部加入。該設備相對便宜，但凝膠模型的組裝難度更大，新手一般很難把握。

1.2 凝膠時間判斷不準

一般而言，2h對分離膠和濃縮膠凝固都是足夠的。然而，為了縮短凝膠時間，提高實驗效率，分離膠倒入雙層玻璃板夾縫后，通常會在膠面頂端加一層去離子水以隔絕空氣。而我們在判斷膠體是否凝固時，常用的方法就是緩慢抬起制膠模型的一側進行觀察。這種操作雖然直截了當，但由于去離子水的存在，抬起的角度通常也會比較大，易對尚未凝固的凝膠產生擾動，可能會進一步增加凝膠時間，甚至造成凝膠困難；另外，擾動也可能導致局部凝膠濃度不均勻，影響電泳分離效果。

1.3 染色液氣味刺激，脫色時間長

目前較多實驗室采用考馬斯亮藍R250作為SDS-PAGE的染色試劑，操作簡便，染色效果好，且方便后續蛋白質鑒定等工作。但該方法也有明顯不足：(1)需要用到甲醇作為溶劑。甲醇是一種無色、透明、易燃、易揮發的有毒液體，經人體代謝能夠產生甲酸。甲酸會累積在眼睛部位，破壞視覺神經細胞，產生永久性損害；同時，甲酸也可進入血液系統，損害人體腎臟[5]。因而，甲醇可能會對師生的身體健康帶來危害，同時實驗廢棄試劑的排放也會對環境產生污染；(2)染色和脫色時間較長。一般考馬斯亮藍R250染色液染色時長為1-4 h，染色完畢后，清水沖洗凝膠后加入脫色液，數小時換一次脫色液，直至藍色背景褪盡，蛋白質區帶清晰為止，約需8～12 h[6]。本科學生的實驗課時間一般為4 h，復雜的操作需要學生多次往返實驗室回收染色液和更換脫色液，而且在第二天才能觀察到結果，嚴重增加了學生的負擔。

2 改進措施及效果

2.1 巧用白吸頭解決漏膠問題

U形橡膠條的厚度略大于厚玻璃板兩側的凸起磨砂邊條，在緊固兩張玻璃板時，由于U形條的彈力作用，可以保證板間接觸緊密，未凝固的膠液不易漏出。容易出現漏液的部位一般在U形條90度拐角處，如果與玻璃板貼合不夠嚴密，通常會引起漏液。曾經有學生用力拉扯U形條兩側豎著的邊條，試圖使90度拐角處與玻璃板貼合緊密，反而更容易漏液，因為墊子被拉長的同時也變薄了，玻璃板兩側接觸反而不夠緊密。筆者實驗室的操作是讓U形條保持自然伸展狀態放置于兩塊玻璃板間，手持10 μL的吸頭(白色)使其尖端與U形條接觸，約成30度角，稍用力從90度拐角處沿豎直和水平方向按壓，使U形條與磨砂凸起條緊密接觸，再小心固定，通常可以妥善解決漏液問題。通過改進，17級生物科學(師范)班92%以上的學生能夠在第一次操作保證不漏膠，相比16級學生的54%而言，效果極其顯著。

2.2 設立對照判斷凝膠是否凝固

制膠步驟在本實驗中時間較長，因為SDS-PAGE使用的是兩層膠，即下層的分離膠完全凝固后才能制備上層的濃縮膠，如果過于心急，往往會破壞凝膠過程，要么重新制膠，耗時更多；要么電泳條帶分離效果不佳。筆者實驗室的做法一般是用膠頭滴管吸取少量膠液，傾斜放置于制膠燒杯中作對照，25分鐘后開始觀察是否凝固。如果滴管中的膠凝固了，通常玻璃板間的膠也凝固了；如果滴管中的膠不會凝固，提示著加樣可能出現問題，多數情況下是某種試劑漏加了。設立對照后，學生可以在不擾動板內凝膠的情況下觀察實驗進展，最終電泳條帶非常平直，效果良好。

2.3 用考馬斯亮藍G250 代替R250，用乙醇代替甲醇

A改進后的考馬斯亮藍G-250脫色效果； B傳統的R-250脫色效果的PAGE凝膠；1、2、3泳道上樣量分別為5 μg,10 μg,10 μg。

圖1 脫色效果的比較

3 討論

SDS-PAGE電泳是一項極其重要的生物化學實驗技術，因為它是檢測蛋白質純度和評估蛋白質分子量的常用方法。也眾所周知，尚未凝固的丙烯酰胺具有一定的神經毒性，TEMED的味道也非常刺鼻，因而在做到這個實驗時，實驗人員都想一次成功，重復次數越少越好。

但對新手來說，SDS-PAGE電泳實驗中制膠步驟中漏膠現象較為普遍，因為他們往往不能使U形橡膠條與玻璃板緊密貼合。前一兩次漏膠會讓人心情煩悶，次數多了則會使人產生嚴重的畏難情緒。經濟條件優越的實驗室可以選擇Bio-Rad等品牌的設備，由于其設計更為合理，通常情況下不會漏膠。但對于大多數條件一般的實驗室，國產設備自然成為首選。筆者實驗室使用一支白槍頭即可解決漏膠的問題，為后續步驟贏得了時間，同時也為學生樹立了成功的信心。

SDS-PAGE凝膠的凝固時間受多方面因素影響，如氣溫、凝膠的濃度、制膠試劑的純度和玻璃板間夾縫的厚薄等。一般來說，氣溫低、凝膠濃度高、試劑純度高和玻璃板間夾縫薄時，凝膠速度更快。SDS-PAGE的凝膠分為下層的分離膠和上層的濃縮膠兩層，分離膠凝固后再制備濃縮膠，因而制膠步驟時間較長。學生往往會因為想急于完成實驗，分離膠可能尚未完全凝固就制備濃縮膠，欲速則不達，這樣可能導致的后果要么重新制膠；要么使膠局部濃度不一，分離效果不好，最終可能還得重復。設立對照后，學生可以在不擾動板內凝膠的情況下觀察凝膠凝固情況進展，電泳效果通常較好。

傳統的染色與脫色，一般先用考馬斯亮藍R-250染色液(冰醋酸-甲醇體系)對電泳后的SDS-PAGE凝膠染色，再用常規脫色液(冰醋酸-甲醇體系)脫色，不僅時間長，甲醇還有一定毒性。有研究表明，微波爐應用于SDS-PAGE凝膠的染色和脫色可以節約一些時間[8-9]。然而，這畢竟要借助于其它設備；另外，微波爐火力和時間的設定也需要一定經驗，控制不好可能會使凝膠融化，蛋白條帶消失。本法改進后的步驟簡單，整個染色和脫色步驟在8分鐘內全部完成，且無需借助于微波爐或脫色搖床，易于掌握和推廣。