Cơ chế điện di (Electrophoresis mechanism)

Nguyên lý hoạt động

Khi đặt một điện trường lên một dung dịch chứa các phân tử tích điện, các phân tử này sẽ di chuyển về phía cực trái dấu với điện tích của chúng. Cụ thể:

• Phân tử tích điện dương (cation): Di chuyển về phía cực âm (cathode).
• Phân tử tích điện âm (anion): Di chuyển về phía cực dương (anode).

Tốc độ di chuyển của một phân tử trong điện trường (vận tốc điện di, $v$) phụ thuộc vào một số yếu tố:

• Cường độ điện trường ($E$): Điện trường mạnh hơn dẫn đến vận tốc điện di nhanh hơn.
• Điện tích của phân tử ($z$): Phân tử mang điện tích lớn hơn sẽ di chuyển nhanh hơn.
• Hệ số ma sát ($f$): Hệ số ma sát phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của phân tử, cũng như độ nhớt của môi trường. Phân tử lớn hơn và môi trường nhớt hơn sẽ có hệ số ma sát lớn hơn, làm giảm vận tốc điện di.

Mối quan hệ giữa các yếu tố này được thể hiện qua công thức:

$v = \frac{Ez}{f}$

Các yếu tố ảnh hưởng đến điện di

Ngoài các yếu tố nêu trên, hiệu quả của quá trình điện di còn bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác:

• Nhiệt độ: Nhiệt độ cao có thể làm tăng tốc độ di chuyển nhưng đồng thời cũng có thể làm biến tính các phân tử.
• pH của dung dịch đệm: pH ảnh hưởng đến điện tích của phân tử. Ví dụ, protein có thể mang điện tích dương, âm hoặc trung hòa tùy thuộc vào pH của dung dịch.
• Thành phần và nồng độ của dung dịch đệm: Dung dịch đệm giúp duy trì pH ổn định trong quá trình điện di. Nồng độ muối trong dung dịch đệm cũng ảnh hưởng đến cường độ dòng điện và khả năng tản nhiệt.
• Chất nền: Điện di có thể được thực hiện trên các chất nền khác nhau như gel agarose, gel polyacrylamide, giấy,… Kích thước lỗ trên chất nền ảnh hưởng đến khả năng phân tách các phân tử có kích thước khác nhau.

Ứng dụng của điện di

Điện di được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm:

• Sinh học phân tử: Phân tách DNA, RNA, protein.
• Hóa sinh: Nghiên cứu enzyme, protein.
• Y học: Chẩn đoán bệnh, phân tích protein huyết thanh.
• Khoa học pháp y: Xác định DNA.

Tóm lại: Điện di là một kỹ thuật mạnh mẽ cho việc phân tách các phân tử dựa trên sự khác biệt về điện tích và kích thước. Hiểu rõ cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng đến điện di là rất quan trọng để tối ưu hóa quá trình và đạt được kết quả phân tách tốt nhất.

Các loại điện di phổ biến

Có nhiều loại kỹ thuật điện di khác nhau, mỗi loại được thiết kế để phân tách các loại phân tử cụ thể. Một số loại điện di phổ biến bao gồm:

• Điện di gel agarose: Thường được sử dụng để phân tách các đoạn DNA và RNA có kích thước lớn. Gel agarose có cấu trúc lỗ xốp, cho phép các phân tử nhỏ di chuyển nhanh hơn các phân tử lớn.
• Điện di gel polyacrylamide (PAGE): Thường được sử dụng để phân tách protein và các đoạn DNA/RNA nhỏ. Gel polyacrylamide có độ phân giải cao hơn gel agarose, cho phép phân tách các phân tử có kích thước gần nhau. Một biến thể của PAGE là SDS-PAGE, trong đó sử dụng sodium dodecyl sulfate (SDS) để biến tính protein và phủ chúng bằng điện tích âm, giúp phân tách protein chỉ dựa trên kích thước.
• Điện di mao quản (CE): Kỹ thuật này sử dụng một mao quản hẹp chứa đầy dung dịch đệm để phân tách các phân tử. CE có độ phân giải rất cao và có thể được tự động hóa.
• Điện di đẳng điện (IEF): Kỹ thuật này phân tách các phân tử dựa trên điểm đẳng điện (pI) của chúng, tức là giá trị pH mà tại đó phân tử không mang điện tích. IEF thường được sử dụng để phân tách protein.
• Điện di hai chiều (2D electrophoresis): Kết hợp IEF và SDS-PAGE để phân tách protein dựa trên cả pI và kích thước. Kỹ thuật này cho độ phân giải rất cao và thường được sử dụng trong proteomics.

Lực cản của môi trường

Như đã đề cập, hệ số ma sát ($f$) đóng vai trò quan trọng trong việc xác định vận tốc điện di. Lực cản của môi trường lên phân tử di chuyển có thể được mô tả bằng Định luật Stokes, với giả định phân tử là hình cầu:

$f = 6\pi\eta r$

Trong đó:

• $\eta$ là độ nhớt của môi trường.
• $r$ là bán kính của phân tử.

Công thức này cho thấy rằng phân tử lớn hơn (bán kính lớn hơn) sẽ chịu lực cản lớn hơn, dẫn đến vận tốc điện di chậm hơn.

Thiết bị điện di

Một thiết bị điện di cơ bản bao gồm:

• Buồng điện di: Chứa gel hoặc mao quản và dung dịch đệm.
• Nguồn điện: Cung cấp điện trường.
• Điện cực: Anode (+) và cathode (-).

Một số lưu ý khi thực hiện điện di:

• Lựa chọn loại điện di phù hợp với loại phân tử cần phân tách.
• Chuẩn bị gel và dung dịch đệm đúng cách.
• Kiểm soát nhiệt độ trong quá trình điện di.

• Principles and Techniques of Biochemistry and Molecular Biology, Wilson and Walker, Cambridge University Press.
• Lehninger Principles of Biochemistry, Nelson and Cox, W. H. Freeman.
• Molecular Cloning: A Laboratory Manual, Sambrook and Russell, Cold Spring Harbor Laboratory Press.

Câu hỏi và Giải đáp

Hệ số ma sát ($f$) ảnh hưởng như thế nào đến vận tốc điện di, và làm thế nào để giảm thiểu ảnh hưởng này trong thực nghiệm?

Trả lời: Hệ số ma sát ($f$) tỉ lệ nghịch với vận tốc điện di ($v$), nghĩa là hệ số ma sát càng cao thì vận tốc di chuyển của phân tử càng chậm. $v = \frac{Ez}{f}$. Để giảm thiểu ảnh hưởng này, ta có thể: (1) giảm độ nhớt của môi trường bằng cách sử dụng dung dịch đệm có độ nhớt thấp hơn, (2) sử dụng nhiệt độ cao hơn (trong giới hạn cho phép để tránh biến tính phân tử), và (3) tối ưu hóa kích thước lỗ của gel (đối với điện di gel) sao cho phù hợp với kích thước phân tử cần phân tách.

Sự khác biệt chính giữa điện di gel agarose và điện di gel polyacrylamide là gì, và khi nào nên sử dụng từng loại?

Trả lời: Điện di gel agarose có kích thước lỗ lớn hơn, phù hợp để phân tách các phân tử DNA/RNA lớn. Điện di gel polyacrylamide có kích thước lỗ nhỏ hơn, cho độ phân giải cao hơn, phù hợp để phân tách protein và các đoạn DNA/RNA nhỏ. SDS-PAGE, một biến thể của PAGE, được sử dụng để phân tách protein dựa trên kích thước bằng cách biến tính và phủ chúng bằng điện tích âm.

Điện di đẳng điện (IEF) hoạt động như thế nào và ứng dụng chính của nó là gì?

Trả lời: IEF phân tách các phân tử dựa trên điểm đẳng điện (pI) của chúng. Gel IEF chứa một gradient pH. Khi đặt trong điện trường, các phân tử sẽ di chuyển đến vị trí trên gel có pH bằng với pI của chúng, tại đó chúng không mang điện tích và dừng lại. Ứng dụng chính của IEF là phân tách và xác định protein.

Tại sao việc kiểm soát nhiệt độ lại quan trọng trong quá trình điện di?

Trả lời: Nhiệt độ ảnh hưởng đến độ nhớt của dung dịch đệm và tốc độ di chuyển của phân tử. Nhiệt độ cao có thể tăng tốc độ điện di nhưng đồng thời cũng có thể làm biến tính các phân tử, đặc biệt là protein, dẫn đến kết quả không chính xác. Vì vậy, cần kiểm soát nhiệt độ để đảm bảo quá trình điện di diễn ra hiệu quả và chính xác.

Ngoài kích thước và điện tích, còn yếu tố nào khác ảnh hưởng đến sự di chuyển của phân tử trong điện di?

Trả lời: Ngoài kích thước và điện tích, hình dạng của phân tử cũng ảnh hưởng đến sự di chuyển trong điện di. Phân tử có hình dạng phức tạp sẽ gặp nhiều ma sát hơn so với phân tử có hình dạng đơn giản, ngay cả khi chúng có cùng kích thước và điện tích. Thành phần và nồng độ của dung dịch đệm, cũng như cường độ điện trường, cũng đóng vai trò quan trọng.