Калькулятор електрофорезу

Електрофорез - це метод розділення заряджених частинок (іонів, білків, нуклеїнових кислот) у електричному полі під дією сили електростатичного притягання. Швидкість руху частинок залежить від їх заряду, розміру, форми та властивостей середовища. Електрофорез широко використовується в біохімії, молекулярній біології, медичній діагностиці для аналізу білків, ДНК, РНК та інших біомолекул. Існують різні види електрофорезу: папіровий, гель-електрофорез (агарозний, поліакриламідний), капілярний, вільний. Гель-електрофорез дозволяє розділяти молекули не тільки за зарядом, але й за розміром, оскільки гель діє як молекулярне сито. SDS-PAGE (електрофорез у поліакриламідному гелі з додецилсульфатом натрію) є золотим стандартом для визначення молекулярної маси білків. Електрофорез ДНК використовується для аналізу фрагментів після рестрикції, підтвердження ПЛР-продуктів, секвенування. Капілярний електрофорез забезпечує високу роздільну здатність та автоматизацію. Електрофоретична рухливість μ характеризує здатність іонів рухатись у електричному полі та залежить від заряду, розміру та в'язкості середовища. Наш калькулятор дозволяє обчислювати електрофоретичну рухливість, швидкість міграції, час розділення та інші параметри для оптимізації електрофоретичних експериментів.

Калькулятор електрофорезу

Електрофоретична рухливість

Для Na+: 1, Ca2+: 2, білків: залежить від pH
Вода при 20°C: 1.0 мПа·с

Основні формули електрофорезу

Електрофоретична рухливість

μ = v / E = q / (6πηr)

де:
μ - електрофоретична рухливість (см²/(В·с) або м²/(В·с))
v - швидкість міграції частинки (см/с)
E - напруженість електричного поля (В/см)
q - заряд частинки (Кл)
η - в'язкість середовища (Па·с)
r - радіус частинки (м)

Швидкість міграції

v = μ · E

L = v · t

де:
L - відстань міграції (см)
t - час (с)

Напруженість електричного поля

E = U / d

де:
U - напруга (В)
d - відстань між електродами (см)

Закон Ома для електрофорезу

I = U / R
P = U · I = U² / R

де:
I - сила струму (А)
R - опір (Ом)
P - потужність (Вт)

Рівняння Гендерсона-Хассельбаха

pH = pKa + log([A⁻]/[HA])

Визначає заряд іонізуючих груп білків при різних pH

Застосування електрофорезу

Молекулярна біологія

  • Аналіз ДНК - розм агарозному гелі, перевірка ПЛР
  • Секвенування за Сенгером - капілярний електрофорез
  • Генотипування - аналіз поліморфізму довжини рестрикційних фрагментів (RFLP)
  • SSCP аналіз - виявлення мутацій

Біохімія білків

  • SDS-PAGE - визначення молекулярної маси білків
  • Ізоелектричне фокусування - розділення за ізоелектричною точкою
  • Двовимірний електрофорез - протеоміка
  • Вестерн-блот - ідентифікація специфічних білків

Медична діагностика

  • Електрофорез сироватки крові - діагностика захворювань
  • Гемоглобін - виявлення гемоглобінопатій
  • Ізоферменти - діагностика інфаркту міокарда
  • Імуноелектрофорез - моноклональні гамопатії

Фармацевтика

  • Контроль якості білкових препаратів - гормони, антитіла
  • Аналіз чистоти - виявлення домішок

Практичне значення та контекст

Коротка довідка

Складні відсотки були відомі ще у Вавилоні (таблетки з розрахунками ≈ 2000 до н.е.). Фібоначчі в «Liber Abaci» (1202) систематизував відсоткові розрахунки для торгівлі. Теорія портфеля Марковіца (1952) та модель Блека-Шоулза (1973) перетворили фінанси на математику. Нобелівські премії з економіки 1990 і 1997 рр. — це фактично нагороди за фінансову математику.

Де застосовується

Фінансова математика має пряму практичну цінність у повсякденному житті. Кредити та іпотека: формула ануїтетного платежу дозволяє розрахувати щомісячний внесок і загальну вартість кредиту до підписання договору. Депозити та інвестиції: формула складних відсотків показує, як зростає капітал при реінвестуванні доходу. Оцінка проєктів: NPV та IRR порівнюють різні варіанти вкладення коштів з урахуванням ринкової ставки дисконтування. Страхування: актуарні розрахунки визначають справедливу страхову премію на основі ймовірності страхового випадку та розміру збитків. Пенсійне планування: ануїтетні формули визначають, скільки потрібно відкладати щомісяця для досягнення цільового розміру пенсійного фонду.

Часті запитання (FAQ)

Як працює гель-електрофорез?
Гель (агароза або поліакриламід) діє як молекулярне сито. Заряджені молекули рухаються до протилежного електроду під дією електричного поля. Менші молекули рухаються швидше через пори гелю, великі - повільніше. Для ДНК використовують агарозу (0.5-2%), для білків - поліакриламід (5-20%). Після електрофорезу гель фарбують (бромистий етидій для ДНК, Кумассі для білків) для візуалізації.
Що таке SDS-PAGE?
SDS-PAGE (sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis) - електрофорез білків у денатуруючих умовах. SDS (аніонний детергент) зв'язується з білками у співвідношенні ~1.4 г SDS на 1 г білка, надаючи їм негативний заряд пропорційний масі і розгортаючи їх. Таким чином, розділення йде тільки за розміром. Використовується маркер молекулярних мас для калібрування (10-250 кДа).
Чому ДНК мігрує до анода?
ДНК має негативний заряд через фосфатні групи в цукро-фосфатному остові (по 2 негативних заряди на пару основ). Незалежно від послідовності, співвідношення заряд/маса постійне, тому ДНК завжди мігрує до позитивного електроду (анода). Швидкість міграції залежить тільки від розміру: менші фрагменти рухаються швидше.
Що таке ізоелектричне фокусування?
Ізоелектричне фокусування (IEF) - метод розділення білків за їх ізоелектричною точкою (pI) - pH, при якому чистий заряд білка дорівнює нулю. Використовують гель з градієнтом pH. Білок мігрує до зони свого pI, де заряд стає нулевим і міграція припиняється. IEF має надвисоку роздільну здатність (різниця в pI на 0.01 одиниці).
Які переваги капілярного електрофорезу?
Капілярний електрофорез (CE) використовує тонкі капіляри (25-75 мкм) замість гелю. Переваги: висока роздільна здатність, швидкість (хвилини), мала витрата зразка (нанолітри), автоматизація, кількісний аналіз. Застосування: секвенування ДНК, аналіз мікросателітів, тестування чистоти фармпрепаратів, аналіз метаболітів.
Чому нагрівається гель під час електрофорезу?
При проходженні електричного струму через буфер виділяється джоулеве тепло: P = U²/R. Це може призвести до перегріву гелю, денатурації білків, зміни в'язкості, "усміхнення" смуг. Для запобігання використовують: охолодження, зменшення напруги, імпульсний режим, буфери з високою іонною силою (краща теплопровідність).

📁 Категорія: Хімія

📚 Читайте також: Капілярний електрофорез: аналіз та розрахунки