Genetik

Gelelektrophorese

Die Gelelektrophorese ist ein Analyseverfahren für Moleküle. In diesem Beitrag erfährst du, wie sie aufgebaut ist, wie ihr Ablauf aussieht und wie du sie auswerten kannst. Du willst die Gelelektrophorese in Kurzform übersichtlich erklärt bekommen? Dann schau dir gerne unser Video dazu an!

Inhaltsübersicht

Gelelektrophorese einfach erklärt

Mit der Gelelektrophorese kannst du Moleküle (v.a. DNA, RNA und Proteine) nach ihrer Größe und elektrischen Ladung auftrennen. Sie ist eine Art der Elektrophorese%Verweis.

Durch Anlegen eines elektrischen Feldes bewegen sich die Teilchen je nach Ladung auf einem Träger-Gel Richtung Kathode (negativ geladen) oder Anode (positiv geladen). Je nach Größe und Ladung wandern die Moleküle unterschiedlich weit und bilden ein charakteristisches Bandenmuster.

Bei Kriminalfällen kann so beispielsweise das Bandenmuster der DNA am Tatort mit den Verdachtspersonen verglichen und so der Täter entlarvt werden.

Definition

Gelelektrophorese (eng. gel electrophoresis) ist ein analytisches Verfahre in der Chemie und Molekularbiologie zur Trennung von Molekülen.

Gelelektrophorese Aufbau

Die Apparatur der Gelelektrophorese ist aus einer sogenannten Gel-Matrix aufgebaut, durch die die Moleküle wandern können. In der Gel-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. Die gesamte Apparatur wird an ein Gerät angeschlossen, das ein elektrisches Feld erzeugt. Ein Bereich des Gels wird dadurch negativ geladen (= Kathode) und ein Teil positiv geladen (= Anode).

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Aufbau der Gelelektrophorese
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Gelelektrophorese Ablauf

Eine Gelelektrophorese verläuft immer nach einem ähnlichen Schema. 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 zusätzlich ein. Zum Färben von RNA oder DNA wird beispielsweise oft der rote Farbstoff Ethidiumbromid verwendet.

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 sie sich unterschiedlich weit. Sie besitzen also eine unterschiedliche Wandergeschwindigkeit. Kleine Moleküle wandern jeweils am schnellsten in die Richtung der Kathode/Anode. Durch die im Gel befindlichen Poren und die entstehende Reibung auf der Gelfläche setzen sich Moleküle mit ähnlichen Eigenschaften an derselben Stelle ab. Mit der Zeit lagern sich Moleküle gleicher Größe und Ladung in sogenannten Banden zusammen. Es entsteht dabei ein spezifisches Bandenmuster.

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Bandenmuster bei der Gelelektrophorese

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. Bei diesen Referenzmolekülen sind die Eigenschaften bekannt, weshalb du sie für einen Vergleich mit dem Bandenmuster verwenden kannst.

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 in der Lage ist, die aufzutrennenden Moleküle im elektrischen Feld zu verlangsamen. Häufig verwendete Gele sind die großporige Agarose und das kleinporige Polyacrylamid.

Agarose

Agarosegel ist mit 150-500 nm relativ großporig. Mit ihnen 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 nun die größeren Moleküle stärker zurückgehalten als kleinere.

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Agarose Gelelektrophorese mit Laufrichtung nach unten

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 Verwendung

Die Gelelektrophorese hat zahlreiche Anwendungen in der Molekularbiologie, Biochemie oder 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.

Wenn du nun den Täter in einem Kriminalfall ermitteln willst, musst du den genetischen Fingerabdruck des potentiellen Täters mit einer am Tatort gefundenen DNA-Probe vergleichen. Diese Probe dient als Marker. Beide Proben werden zuerst mithilfe der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) vervielfältigt, damit sie besser sichtbar sind. 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.

Dieses Vorgehen kannst du auch bei einem Vaterschaftstest verwenden. Die DNA-Proben des potentiellen Vaters und des Kindes werden nach Vervielfältigung durch PCR miteinander verglichen. In diesem Falle ist das Bandenmuster nicht komplett identisch. Da aber eine Verwandtschaft vorliegen würde, müsste es übereinstimmende Abschnitte im Bandenmuster geben.

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.

Gelelektrophorese und PCR

Wie du bereits weißt, kannst du die DNA-Abschnitte, bevor du sie mit der Elektrophorese untersuchst, über die Polymerase-Kettenreaktion verknüpfen. Schau dir unser Video dazu an, um mehr über den genauen Ablauf und verschiedene Varianten zu erfahren! Bis gleich!

polymerase Kettenreaktion
Zum Video: Polymerase Kettenreaktion
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