100
Le proteine si possono Le proteine si possono PURIFICARE PURIFICARE sfruttando sfruttando DIMENSIONE DIMENSIONE SOLUBILITA SOLUBILITA CARICA ELETTRICA CARICA ELETTRICA AFFINITA AFFINITA PER ALTRE MOLECOLE PER ALTRE MOLECOLE

Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

  • Upload
    others

  • View
    2

  • Download
    1

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

Le proteine si possono Le proteine si possono PURIFICAREPURIFICARE sfruttandosfruttando

DIMENSIONEDIMENSIONE

SOLUBILITASOLUBILITA’’

CARICA ELETTRICACARICA ELETTRICA

AFFINITAAFFINITA’’ PER ALTRE MOLECOLEPER ALTRE MOLECOLE

Page 2: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

L'invenzione della L'invenzione della cromatografiacromatografia viene attribuita viene attribuita

al biochimico russo al biochimico russo MikhailMikhail CvetCvet che riuscche riuscìì, nel , nel

19061906, a separare la , a separare la clorofillaclorofilla da un estratto da un estratto

vegetale.vegetale.

Con il termine Con il termine cromatografiacromatografia oggi si indicano oggi si indicano

tutte le varie tecniche separative e/o analitiche tutte le varie tecniche separative e/o analitiche

che si basano sulla distribuzione fra due fasi: che si basano sulla distribuzione fra due fasi:

una fase una fase stazionariastazionaria (fissa) ed una (fissa) ed una mobile mobile

che passa attraverso la fase stazionaria.che passa attraverso la fase stazionaria.

Page 3: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

CROMATOGRAFIA

Metodica separativa

Cromatografia

liquidaGas

Cromatografia

Biomolecole

Proteine

Peptidi

Acidi nucleici

Vitamine e cofattori

Carboidrati

Lipidi

Qualitativa

Quantitativa

Preparativa

Ogni singola molecola è contraddistinta

da sue proprie e peculiari caratteristiche:

Peso molecolare (ingombro sterico)

Presenza/assenza di gruppi ionizzabili

Presenza/assenza di regioni idrofobiche

Struttura tridimensionale

Solubilità in determinati solventi

Page 4: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

�� EE’’ il metodo cromatografico maggiormente il metodo cromatografico maggiormente

adoperatoadoperato

�� La fase stazionaria La fase stazionaria èè immobilizzata su unaimmobilizzata su una

matrice adatta (un supporto inerte ed matrice adatta (un supporto inerte ed

insolubile) ed impaccata allinsolubile) ed impaccata all’’interno di una interno di una

colonna di vetro o di metallo colonna di vetro o di metallo

�� La fase mobile liquida La fase mobile liquida èè fatta passare nella fatta passare nella

colonna per gravitcolonna per gravitàà, tramite un sistema di , tramite un sistema di

pompe, oppure applicando gas sotto pompe, oppure applicando gas sotto

pressione pressione

Page 5: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

Metodica SeparativaI costituenti di una miscela vengono separati attraverso il passaggio in una colonna

cromatografica…

Colonna cromatografica

FASE

STAZIONARIA

FASE

MOBILE

M

Page 6: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

FASE

STAZIONARIA

FASE

MOBILE

M

Ripartizione delle molecole tra le due fasi

Cosa determina la ripartizione tra le due fasi?

1) Le interazioni che si stabiliscono fra le molecole e le due fasiINTERAZIONI di TIPO NON COVALENTE

Legami idrogenoInterazioni elettrostatiche

Forze di van der WaalsInterazioni idrofobiche

2) L’accessibilità differenziale alla fase stazionariaDimensioni delle molecole

Page 7: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

FASE

STAZIONARIA

FASE

MOBILE

M1

Ripartizione differenziale delle molecole tra le due fasi

M2

Perché e quando due molecole si separano?

Perché le interazioni e/o l’accessibilità della molecola M1 con le due fasi

(STAZIONARIA e MOBILE) sono diverse rispetto a quelle della molecola M2

Page 8: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

FASE

STAZIONARIA

COO-

COO-

COO-COO-

COO-

COO-

PRGKKRGK

GGILVFTEDD

FASE

MOBILE

H2O con tampone fosfato pH 7.4Gruppi carbossilici immobilizzati

(pKa: 4)

5+ / 1-

1+ / 4-

Page 9: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

Ripartizione differenziale delle molecole tra le due fasi

PRGKKRGK => K > 1 – alta “affinità” per la fase stazionaria

GGILVFTEDD => K < 1 – bassa “affinità per la fase stazionaria

Coefficiente di Distribuzione (K)

K = [M]s / [M]m

Nelle condizioni indicate precedentemente si può ritenere che:

COO-

COO-

COO-COO-

COO-

COO-

PR

GK

KR

GK GGILVFTEDD

H2O con tampone fosfato pH 7.4

Gruppi carbossilici immobilizzati

(pKa: 4)

Page 10: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

Ripartizione differenziale delle molecole tra le due fasi

Coefficiente di Distribuzione (K)

K = [M]s / [M]m

FISSO nel TEMPO VARIABILE nel TEMPO

Sistema cromatografico fisso nel tempo

FASE MOBILE e FASE STAZIONARIA

non cambiano

Sistema cromatografico variabile nel tempo

FASE MOBILE e FASE STAZIONARIA

cambiano

CROMATOGRAFIA di TIPO

ISOCRATICA IN GRADIENTEL’entità delle interazioni che si stabiliscono tra le fase mobile e stazionaria e le molecole

Rimangono invariate nel tempo Si modificano nel tempo

Page 11: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

K = [M]s/[M]m =1

Fase MOBILE

Fase STAZIONARIA

Equilibrio Spostamento

Equilibrio

tempo

SpostamentoEquilibrio

Page 12: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

K = [M]s/[M]m =1

K = [M]s/[M]m =4

FS

FS

FM

FM

Page 13: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

Qu

an

tità

asso

luta

Qu

an

tità

asso

luta

I II III IV V

I II III IV V

Page 14: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

K=1

K=4

Le molecole si separano grazie a differenze nella loro K

Separazione

Page 15: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

Le colonne cromatografiche possono immaginarsi costituite da Le colonne cromatografiche possono immaginarsi costituite da

un certo numero di un certo numero di zone adiacenti in ognuna delle quali zone adiacenti in ognuna delle quali

cc’è’è spazio a sufficienza spazio a sufficienza affinchaffinchèè il soluto raggiunga un il soluto raggiunga un

completo equilibramento tra fase mobile e stazionaria completo equilibramento tra fase mobile e stazionaria

Ecco come il numero di piatti teorici influenza la distribuzioneEcco come il numero di piatti teorici influenza la distribuzione

di un soluto con coefficiente di distribuzione pari ad 1 di un soluto con coefficiente di distribuzione pari ad 1

Un picco ben risolto nonUn picco ben risolto non

èè ll’’equivalente di unaequivalente di una

sostanza purasostanza pura

Page 16: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

A paritA paritàà di volume di fase di volume di fase

stazionaria, colonne pistazionaria, colonne piùù lunghe e lunghe e

strettestrette determinano una separazione determinano una separazione

migliore (migliore (risoluzionerisoluzione) di proteine ) di proteine

simili.simili.

Page 17: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

Quando lQuando l’’analitaanalita si muove in colonna, esso si distribuisce in una si muove in colonna, esso si distribuisce in una

banda che presenta una distribuzione gaussiana banda che presenta una distribuzione gaussiana

In alcuni casi, però, il picco risulta asimmetrico, mostrando unIn alcuni casi, però, il picco risulta asimmetrico, mostrando un allargamento siaallargamento sia

della parte iniziale sia della parte finale (della parte iniziale sia della parte finale (tailingtailing))

LL’’asimmetria dei picchi può essere dovuta a numerosi fattori asimmetria dei picchi può essere dovuta a numerosi fattori

Il caricamento in colonnaIl caricamento in colonna

di concentrazioni troppodi concentrazioni troppo

elevate di elevate di analitaanalita

LL’’imperfetto impaccamento imperfetto impaccamento

della colonnadella colonna

UnUn’’applicazione del applicazione del

campione mal eseguitacampione mal eseguita

La presenza di La presenza di

interazioni interazioni

solutosoluto--supportosupporto

Page 18: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

�� ColonnaColonna

�� Serbatoio per la fase mobileSerbatoio per la fase mobile

�� Dispositivo che consente lDispositivo che consente l’’identificazione degliidentificazione degli analitianaliti a mano a mano

a mano che essi lasciano la colonnaa mano che essi lasciano la colonna nellnell’’eluatoeluato

�� RegistratoreRegistratore

�� Raccoglitore di frazioniRaccoglitore di frazioni

Page 19: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

La cromatografia liquida su colonna si divide in diversi La cromatografia liquida su colonna si divide in diversi

tipi a seconda della pressione generata alltipi a seconda della pressione generata all’’interno interno

del dispositivo durante il processo di separazione del dispositivo durante il processo di separazione

�� Cromatografia liquida a bassa pressioneCromatografia liquida a bassa pressione (LPLC: (LPLC: low low pressurepressure liquidliquid chromatographychromatography):):

le pressioni sono inferiori ai 5 bar (1 bar = 0.1 le pressioni sono inferiori ai 5 bar (1 bar = 0.1 MPaMPa) poich) poichéé la resistenza opposta dalla la resistenza opposta dalla

fase stazionaria (per la sua natura fisica) al flusso della fase stazionaria (per la sua natura fisica) al flusso della fase mobile fase mobile èè minimaminima

�� Cromatografia liquida a media pressioneCromatografia liquida a media pressione (MPLC: (MPLC: medium pressure medium pressure liquidliquid chromatographychromatography))::

si generano pressioni tra 6 e 50 barsi generano pressioni tra 6 e 50 bar

�� Cromatografia liquida ad alta pressioneCromatografia liquida ad alta pressione (HPLC: (HPLC: high high pressurepressure liquidliquid chromatographychromatography): si ): si

lavora con pressioni superiori ai 50 barlavora con pressioni superiori ai 50 bar

Nella pratica le differenze tra MPLC ed HPLC sono insignificantiNella pratica le differenze tra MPLC ed HPLC sono insignificanti e vengono adoperate le e vengono adoperate le

stesse apparecchiature e procedure.stesse apparecchiature e procedure.

Entrambe le tecniche forniscono un eccellente grado di risoluzioEntrambe le tecniche forniscono un eccellente grado di risoluzione, per cui si preferisce ne, per cui si preferisce

definirle con il termine didefinirle con il termine di cromatografia liquida ad alta risoluzionecromatografia liquida ad alta risoluzione..

Page 20: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

Tempo di ritenzione (Tempo di ritenzione (ttRR)):: tempo impiegato da ciascun tempo impiegato da ciascun analitaanalita per emergere dalla colonnaper emergere dalla colonna

Volume di eluizione o ritenzione (VVolume di eluizione o ritenzione (VRR)): volume di fase mobile richiesto per eluire l: volume di fase mobile richiesto per eluire l’’analitaanalita

I due parametri sono in relazione lI due parametri sono in relazione l’’uno con luno con l’’altro tramite la altro tramite la velocitvelocitàà di flussodi flusso ((FcFc) della ) della

fase mobile in colonna:fase mobile in colonna:

VVRR = = ttRRFFcc

La velocitLa velocitàà di flusso dipende dalle dimensioni della colonna (diametro indi flusso dipende dalle dimensioni della colonna (diametro interno, lunghezza),terno, lunghezza),

dalle caratteristiche fisiche delle particelle che compongono ladalle caratteristiche fisiche delle particelle che compongono la fase stazionaria (dimensioni,fase stazionaria (dimensioni,

forma, porositforma, porositàà) e dalla viscosit) e dalla viscositàà della fase mobile. della fase mobile.

Page 21: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

Generalmente si assume che lGeneralmente si assume che l’’area sottesa da ciascun picco sia proporzionale area sottesa da ciascun picco sia proporzionale

alla quantitalla quantitàà delldell’’analitaanalita corrispondente che corrispondente che èè stato eluitostato eluito

LL’’area del picco può essere calcolata area del picco può essere calcolata

misurandone lmisurandone l’’altezza (haltezza (hpp) e la sua ) e la sua

larghezza a metlarghezza a metàà delldell’’altezza (altezza (wwhAhA).).

Il prodotto di queste due dimensioni si Il prodotto di queste due dimensioni si

assume essere pari allassume essere pari all’’area del picco.area del picco.

In alternativa, si può ritagliare il picco In alternativa, si può ritagliare il picco

dalla carta del registratore e pesarlo,dalla carta del registratore e pesarlo,

assumendo che area e peso assumendo che area e peso

siano linearmente correlati. siano linearmente correlati.

I calcoli sono piI calcoli sono piùù efficacemente efficacemente

eseguiti da eseguiti da integratoriintegratori appositiappositi

Page 22: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

Matrici utilizzateMatrici utilizzate

��AgarosioAgarosio Polisaccaride cosituito da residui alternati di D-galattosio e 3,6-anidro-L-

galattosio. Disponibile commercialmente come Sepharose, Superose, Bio-Gel A

Limiti di esclusione 10-40000 kDa

��CellulosaCellulosa Polimero di unita’ glucosidiche unite da legami ββββ-1,4 (legami crociati

tramite epicloridrina)

��DestranoDestrano Polimero di residui di glucosio uniti da legami ββββ-1,6. E’ presente in

commercio con il nome di Sephadex (legami crociati tramite epicloridrina). Limiti di

esclusione 0.7-800 kDa. Il Sephacryl e’ costituito da destrano che forma legami crociati

con N,N’-metilene bisacrilammide. Limiti di esclusione 1-8000 kDa. Il Superdex e’ un gel

composito costituito da destrano covalentemente legato ad agarosio.

��PoliacrilaPoliacrilammmidemide Polimero di acrilammide e N,N’-metilenbisacrilammide. Disponibile

in commercio come Bio-Gel P, limiti di esclusione tra 0.2 e 400 kDa

��PolistirenePolistirene Polimero di stirene legato con divinilbenzene

��SiliceSilice Polimero prodotto a partire dall’ acido ortosilicico. I molti gruppi silanolo (Si-

OH) rendono la matrice altamente idrofilica

SUPPORTO INERTE PER LASUPPORTO INERTE PER LA

FASE STAZIONARIAFASE STAZIONARIA

Page 23: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

IMPACCAMENTO DELLA FASE IMPACCAMENTO DELLA FASE

STAZIONARIA IN COLONNASTAZIONARIA IN COLONNA

��Viene di norma eseguito introducendo con delicatezza in coViene di norma eseguito introducendo con delicatezza in colonna (avendo cura di lonna (avendo cura di

tenere chiusa ltenere chiusa l’’uscita) una sospensione della fase stazionaria nella fase mobileuscita) una sospensione della fase stazionaria nella fase mobile

�� Nel corso dellNel corso dell’’impaccamento impaccamento èè necessario agitare la parte superiore della sospensione necessario agitare la parte superiore della sospensione

e/o tappare la colonna per assicurare che non rimae/o tappare la colonna per assicurare che non rimangano bolle dngano bolle d’’aria nella fase aria nella fase

stazionariastazionaria

�� La sospensione di fase stazionaria La sospensione di fase stazionaria èè versata in colonna fino a quando non viene versata in colonna fino a quando non viene

raggiunta lraggiunta l’’altezza desiderataaltezza desiderata

�� A tal punto la colonna A tal punto la colonna èè messa in flusso con fase mobile aprendone lmessa in flusso con fase mobile aprendone l’’uscita sino a uscita sino a

completo impaccamentocompleto impaccamento

�� EE’’ opportuno posizionare sulla superficie della colonna un diopportuno posizionare sulla superficie della colonna un dispositivo di protezione spositivo di protezione

adeguato, come un filtro di carta o una garza di adeguato, come un filtro di carta o una garza di nylonnylon

�� Nessuna parte della colonna deve essere lasciata andare a seccoNessuna parte della colonna deve essere lasciata andare a secco

�� Un impaccamento insufficiente produce un flusso irregolare in cUn impaccamento insufficiente produce un flusso irregolare in colonna (olonna (channelingchanneling) ed ) ed

una minore risoluzioneuna minore risoluzione

Page 24: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

CARICAMENTO DEL CAMPIONECARICAMENTO DEL CAMPIONE

�� Si rimuove dalla superficie della resina la maggior parte della Si rimuove dalla superficie della resina la maggior parte della fase mobile, aspirandola,fase mobile, aspirandola,

e facendo flussare il rimanente in colonna. Il campione e facendo flussare il rimanente in colonna. Il campione èè poi applicato con una pipetta poi applicato con una pipetta

e fatto entrare in colonna. Un volume minimo di fase mobile fatto entrare in colonna. Un volume minimo di fase mobile serve infine a lavare le e serve infine a lavare le

pareti della colonna dallpareti della colonna dall’’eventuale residuo di campione rimasto. Un volume pieventuale residuo di campione rimasto. Un volume piùù cospicuo cospicuo

di fase mobile di fase mobile èè stratificato sulla superficie della colonna.stratificato sulla superficie della colonna.

�� In alternativa, la densitIn alternativa, la densitàà del campione può essere incrementata aggiungendovi del campione può essere incrementata aggiungendovi

saccarosio in concentrazione 1% circa. Quando questa soluziosaccarosio in concentrazione 1% circa. Quando questa soluzione ne èè stratificata sul liquido stratificata sul liquido

che ricopre il letto della colonna, automaticamente si dche ricopre il letto della colonna, automaticamente si disporrisporràà sul fondo ed entrersul fondo ed entreràà

rapidamente in colonna. La metodica rapidamente in colonna. La metodica èè valida solo se il saccarosio non interferisce con lavalida solo se il saccarosio non interferisce con la

successiva separazione ed analisi del campione. successiva separazione ed analisi del campione.

�� Un terzo metodo prevede lUn terzo metodo prevede l’’utilizzo di un tubo capillare e/o una siringa, oppure una utilizzo di un tubo capillare e/o una siringa, oppure una

pompa peristaltica per portare direttamente il campione sulpompa peristaltica per portare direttamente il campione sulla superficie della colonna. la superficie della colonna.

Page 25: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

SVILUPPO DELLA COLONNASVILUPPO DELLA COLONNA

I componenti contenuti nel campione caricato sono separatiI componenti contenuti nel campione caricato sono separati ll’’uno dalluno dall’’altro altro

dal passaggio del solvente (fase mobile) nella colonna.dal passaggio del solvente (fase mobile) nella colonna.

EE’’ fondamentale che lfondamentale che l’’eluizione avvenga a velociteluizione avvenga a velocitàà costante, ciò che costante, ciò che èè

facilmente raggiunto eluendo per gravitfacilmente raggiunto eluendo per gravitàà..

POMPE PERISTALTICHEPOMPE PERISTALTICHE

Le pompe piLe pompe piùù comuni utilizzano tubi di silicone, polivinilcloruro o fluorurocomuni utilizzano tubi di silicone, polivinilcloruro o fluoruro che, che,

compressi a velocitcompressi a velocitàà costante da un disco rotante, rilasciano la fase mobile con costante da un disco rotante, rilasciano la fase mobile con

la velocitla velocitàà di flusso desiderata.di flusso desiderata.

Le pompe ed i tubi, di diametro noto, devono essere preventivameLe pompe ed i tubi, di diametro noto, devono essere preventivamente tarati per nte tarati per

determinare la velocitdeterminare la velocitàà di flusso. di flusso.

Page 26: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

ELUIZIONE ISOCRATICAELUIZIONE ISOCRATICA

Sviluppo della colonna con Sviluppo della colonna con

ll’’utilizzo di un solo solventeutilizzo di un solo solvente

ELUIZIONE IN GRADIENTEELUIZIONE IN GRADIENTE

Si operano variazioni continue di pH, concentrazione Si operano variazioni continue di pH, concentrazione

o polarito polaritàà

Page 27: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

SISTEMI DI RIVELAZIONESISTEMI DI RIVELAZIONE

La rivelazione puòLa rivelazione può basarsi sullbasarsi sull’’assorbimento nella zona dellassorbimento nella zona dell’’ultraviolettoultravioletto, sulla, sulla

spettroscopia a fluorescenzaspettroscopia a fluorescenza, su, su variazioni dellvariazioni dell’’indice di rifrazioneindice di rifrazione,,

sullsull’’emissione di radioattivitemissione di radioattivitàà..

I sistemi di rivelazione piI sistemi di rivelazione piùù comuni registranocomuni registrano ll’’assorbimento di luce assorbimento di luce

nellnell’’ultraviolettoultravioletto. Gli strumenti migliori rivelano le proteine nell. Gli strumenti migliori rivelano le proteine nell’’intervallointervallo 190 190 ––

220 220 nmnm e e 260 260 –– 280 nm280 nm..

Page 28: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

RACCOGLITORI DI FRAZIONIRACCOGLITORI DI FRAZIONI

Funzionano in modo tale da riempire ogni provetta con una certa Funzionano in modo tale da riempire ogni provetta con una certa quantitquantitàà didi

eluato, prima di passare automaticamente a quella successiva.eluato, prima di passare automaticamente a quella successiva.

La quantitLa quantitàà di eluato raccolta in ogni provetta può essere regolata in vadi eluato raccolta in ogni provetta può essere regolata in vario rio

modo.modo.

Si può utilizzare un sistema di sifoni che convoglia un determSi può utilizzare un sistema di sifoni che convoglia un determinato volume, inato volume,

oppure un dispositivo elettronico che controlla il numero di goppure un dispositivo elettronico che controlla il numero di gocce di eluato occe di eluato

che cadono nella provetta.che cadono nella provetta.

Una possibilitUna possibilitàà ulteriore di raccolta ulteriore di raccolta èè quella ad intervalli fissi di tempo. quella ad intervalli fissi di tempo.

Se varia la composizioneSe varia la composizione

delldell’’eluato, varia anche laeluato, varia anche la

tensione superficiale e latensione superficiale e la

dimensione delle goccioline dimensione delle goccioline

Se varia la velocitSe varia la velocitàà di flussodi flusso

in colonna, varia anche il volume in colonna, varia anche il volume

delle frazioni; in realtdelle frazioni; in realtàà ciò si ciò si

verifica di rado e quindi i verifica di rado e quindi i

raccoglitori a tempo fisso sono i raccoglitori a tempo fisso sono i

pipiùù utilizzati utilizzati

Page 29: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

CROMATOGRAFIACROMATOGRAFIA FASE STAZIONARIAFASE STAZIONARIA FASE MOBILEFASE MOBILE

GelGel--filtrazionefiltrazione solidasolida--porosaporosa liquidaliquida

Scambio ionicoScambio ionico solidasolida-- liquidaliquida

gruppi carichi gruppi carichi

AffinitAffinitàà solidasolida-- liquidaliquida

ligandoligando immobilizzatoimmobilizzato

Fase inversa liquidaFase inversa liquida liquidaliquida//

gassosagassosa

Page 30: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

�� Consente la separazione di molecole in base alle loro dimensioniConsente la separazione di molecole in base alle loro dimensioni

�� Il termine Il termine gel filtrazionegel filtrazione èè, infatti, impiegato per descrivere la separazione di , infatti, impiegato per descrivere la separazione di

molecole di dimensioni diverse utilizzandomolecole di dimensioni diverse utilizzando gelgel (composti organici polimerici che (composti organici polimerici che

possiedono una rete tridimensionale di pori che conferipossiedono una rete tridimensionale di pori che conferisce loro le proprietsce loro le proprietàà di di

un gel)un gel)

�� FASE STAZIONARIA FASE STAZIONARIA solida solida –– porosaporosa

FASE MOBILEFASE MOBILE liquida liquida

Page 31: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

�� Nessuna interazione chimica tra le particelle di resina e le proNessuna interazione chimica tra le particelle di resina e le proteineteine

�� Le particelle di resina fungono da setacci molecolariLe particelle di resina fungono da setacci molecolari

Page 32: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

SARANNO COMPLETAMENTE ESCLUSE SARANNO COMPLETAMENTE ESCLUSE

DAI PORI E QUINDI PASSERANNO ATTRAVERSO DAI PORI E QUINDI PASSERANNO ATTRAVERSO

GLI SPAZI INTERSTIZIALI E COMPARIRANNO GLI SPAZI INTERSTIZIALI E COMPARIRANNO

PER PRIME NELLPER PRIME NELL’’ELUATOELUATO

SI DISTRIBUIRANNO TRA LA FASE MOBILE SI DISTRIBUIRANNO TRA LA FASE MOBILE

ALLALL’’INTERNO ED ALLINTERNO ED ALL’’ESTERNO DEL SETACCIO ESTERNO DEL SETACCIO

MOLECOLARE E TRANSITERANNO IN COLONNAMOLECOLARE E TRANSITERANNO IN COLONNA

CON UNA VELOCITACON UNA VELOCITA’’ INFERIOREINFERIORE

Page 33: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

NN°° della frazionedella frazione

(o volume dell(o volume dell’’eluato)eluato)

Co

nce

ntr

azi

on

e p

rote

ica t

ota

leC

on

cen

tra

zion

e p

rote

ica t

ota

le

Attiv

itA

ttivit àà

Sp

ecificaS

pecifica

Page 34: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

�� Se una molecola di Se una molecola di analitaanalita èè grande e perciò completamente esclusa dalla fase grande e perciò completamente esclusa dalla fase

mobile presente allmobile presente all’’interno del gel, il suo interno del gel, il suo KKdd èè pari apari a 00, mentre se l, mentre se l’’analitaanalita èè

sufficientemente piccolo da avere completo accesso alla fassufficientemente piccolo da avere completo accesso alla fase mobile interna, il suo e mobile interna, il suo

KKdd èè pari apari a 11

�� A causa della variabilitA causa della variabilitàà delle dimensioni dei pori tra le particelle di gel, solo unadelle dimensioni dei pori tra le particelle di gel, solo una

parte della fase mobile interna sarparte della fase mobile interna saràà accessibile agli accessibile agli analitianaliti di dimensioni intermedie; di dimensioni intermedie;

quindi i loro valori di quindi i loro valori di KKdd variano tra 0 e 1variano tra 0 e 1

�� Ciò rende possibile la separazione su un determinato gel di Ciò rende possibile la separazione su un determinato gel di analitianaliti in un intervallo di in un intervallo di

dimensioni estremamente ristrettodimensioni estremamente ristretto

Page 35: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

Sephadex G-10 Destrano 0.05 - 0.7

G-25 Destrano 1 - 5

G-50 Destrano 1 - 30

G-100 Destrano 4 - 150

G-200 Destrano 5 - 600

Bio-Gel P-2 Poliacrilammide 0.1 - 1.8

P-6 Poliacrilammide 1 - 6

P-10 Poliacrilammide 1.5 - 20

P-30 Poliacrilammide 2.4 - 40

P-100 Poliacrilammide 5 - 100

P-300 Poliacrilammide 60 - 400

Sepharose 6B Agarosio 10 - 4000

4B Agarosio 60 - 20000

2B Agarosio 70 - 40000

Nome commercialeNome commerciale PolimeroPolimeroIntervallo di Intervallo di

frazionamento (frazionamento (kDakDa))

Page 36: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al
Page 37: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

logP

Mlo

gP

M

Volume di eluizioneVolume di eluizione

Page 38: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

�� Le colonne Le colonne SephadexSephadex GG--25 possono essere utilizzate per dissalare 25 possono essere utilizzate per dissalare

soluzioni di composti ad alto peso molecolaresoluzioni di composti ad alto peso molecolare

�� Le sostanze ad alto peso molecolare sono escluse dai pori, meLe sostanze ad alto peso molecolare sono escluse dai pori, mentre ntre

i composti a basso peso molecolare si muovono lentamentei composti a basso peso molecolare si muovono lentamente

�� Tale metodo Tale metodo èè adoperato per allontanare ladoperato per allontanare l’’ammonio solfato da ammonio solfato da

preparazioni proteiche ed i sali dai campionpreparazioni proteiche ed i sali dai campioni eluiti dopo i eluiti dopo

cromatografia a scambio ionico cromatografia a scambio ionico

Page 39: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

VANTAGGIVANTAGGI

•• Semplice nellSemplice nell’’esecuzioneesecuzione

•• PrevedibilePrevedibile

•• Eluizione nel tampone di partenzaEluizione nel tampone di partenza

SVANTAGGISVANTAGGI

•• Bassa capacitBassa capacitàà (piccoli volumi, 1/40 (piccoli volumi, 1/40

del volume della colonna)del volume della colonna)

•• Sovrapposizione dei picchiSovrapposizione dei picchi

•• Diluizione del campioneDiluizione del campione

Page 40: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

Cellule di Cellule di E. coliE. coli contenenti la contenenti la RNasiRNasi AA

Omogenato cellulareOmogenato cellulare

Sopranatante dellSopranatante dell’’omogenato cellulareomogenato cellulare

contenente la contenente la RNasiRNasi AA

Lisi mediante ultrasuoniLisi mediante ultrasuoni

((sonicazionesonicazione))

CentrifugazioneCentrifugazione

(eliminazione detriti cellulari)(eliminazione detriti cellulari)

Page 41: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

Sopranatante dellSopranatante dell’’omogenato cellulareomogenato cellulare

Cromatografia per gel filtrazioneCromatografia per gel filtrazione

Resina SEPHADEX GResina SEPHADEX G--75 75

capacitcapacitàà di separazione 5di separazione 5--70 70 KDaKDa

Page 42: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

DestranoDestrano: polimero di residui di glucosio uniti da legami ββββ-1,6

che presenta legami crociati con epicloridrina.

Limiti di esclusione 0.7-800 kDa.

Page 43: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

Pompa Pompa

peristalticaperistaltica ColonnaColonna

Collettore di frazioniCollettore di frazioni

Page 44: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

CONDIZIONI SPERIMENTALICONDIZIONI SPERIMENTALI

Volume della resinaVolume della resina: : 12 ml12 ml

Soluzione tamponeSoluzione tampone: Tris: Tris--Acetato 0,1 M, pH 8,4, contenente Acetato 0,1 M, pH 8,4, contenente NaClNaCl 0,3 M0,3 M

Campione di carico (miscela di 4 proteine)Campione di carico (miscela di 4 proteine)::

1. 1. RNasiRNasi A (PM = 13.7 A (PM = 13.7 kDakDa))

2. 2. αααααααα--amilasi (PM = 50 amilasi (PM = 50 kDakDa))

3. Emoglobina da plasma bovino (PM = 64 3. Emoglobina da plasma bovino (PM = 64 kDakDa) (4 ) (4 subunitsubunitàà da 16 da 16 kDakDa))

4. 4. Albumina da siero bovino (PM = 69 Albumina da siero bovino (PM = 69 kDakDa))

Volume del campione di caricoVolume del campione di carico = = 0,3 ml0,3 ml

Page 45: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

Volume delle frazioniVolume delle frazioni = = 0,4 ml0,4 ml

Determinazione dellDeterminazione dell’’assorbanza nellassorbanza nell’’ultravioletto (ultravioletto (λλ = 278 = 278 nmnm) )

di tutte le frazioni ottenutedi tutte le frazioni ottenute

Riportando in grafico i valori di assorbanza in funzione Riportando in grafico i valori di assorbanza in funzione del del

numero delle frazioni (o del volume eluito) si otnumero delle frazioni (o del volume eluito) si ottiene il tiene il

cromatogrammacromatogramma

Page 46: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

Cromatogramma gruppo PLR

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27

N° frazioni

Asso

rban

za a

278 n

m

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 5 10 15 20 25 30 35

N°frazioni

As

so

rba

nza

a 2

78

nm

Cromatogramma Gaito-Pennacchio -Procentese

Page 47: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29

CromatogrammaCromatogramma C.L.C.L.

NN°° frazionifrazioni

Ass

orb

an

za a

278

A

sso

rba

nza

a 2

78

nm

nm

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 20 21 23 25 27 29 31 33

CromatogrammaCromatogramma CapuanoCapuano

NN°° frazionifrazioni

Ass

orb

an

za a

278

A

sso

rba

nza

a 2

78

nm

nm

Page 48: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

Le proteine si possono Le proteine si possono PURIFICAREPURIFICARE sfruttandosfruttando

DIMENSIONEDIMENSIONE

CARICA ELETTRICACARICA ELETTRICA

Page 49: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

•• Le molecole cariche interagiscono con gruppi funzionaliLe molecole cariche interagiscono con gruppi funzionali

presenti sulla fase stazionariapresenti sulla fase stazionaria

•• La forza del legame proteinaLa forza del legame proteina--matrice dipende dalla caricamatrice dipende dalla carica

netta della proteina netta della proteina

•• La separazione si basa sulle differenze di carica netta (perLa separazione si basa sulle differenze di carica netta (per

valori di pH definiti) delle diverse proteinevalori di pH definiti) delle diverse proteine

•• FASE STAZIONARIA FASE STAZIONARIA solida solida –– gruppi carichigruppi carichi

FASE MOBILE FASE MOBILE liquida liquida

•• Le matrici adoperate possono essere di polistirene, cellulosa, Le matrici adoperate possono essere di polistirene, cellulosa,

destranodestrano ed ed agarosioagarosio

Page 50: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

Si basa sullSi basa sull’’attrazione elettrostatica esistente tra attrazione elettrostatica esistente tra

proteine cariche e proteine cariche e GRUPPI IONICIGRUPPI IONICI di carica di carica

opposta presenti sulla opposta presenti sulla MATRICEMATRICE

Scambiatore cationicoScambiatore cationico Scambiatore anionicoScambiatore anionico

Page 51: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

Il meccanismo dello scambio ionico Il meccanismo dello scambio ionico èè definito in termini di definito in termini di

cinque passaggi distinti:cinque passaggi distinti:

�� Diffusione dello ione sulla superficie di scambioDiffusione dello ione sulla superficie di scambio

�� Diffusione dello ione allDiffusione dello ione all’’interno della matrice fino al sito di scambiointerno della matrice fino al sito di scambio

�� Scambio degli ioni al sito di scambioScambio degli ioni al sito di scambio

�� Diffusione dello ione che Diffusione dello ione che èè stato scambiato sulla superficie dello scambiatorestato scambiato sulla superficie dello scambiatore

�� Distacco selettivo della molecola di interesseDistacco selettivo della molecola di interesse

1.1. Variazioni di pH e/o di forza ionicaVariazioni di pH e/o di forza ionica

2.2. EluizioneEluizione per affinitper affinitàà →→ èè introdotto nel sistema uno ione che presenta introdotto nel sistema uno ione che presenta

affinitaffinitàà maggiore per lo scambiatore rispetto allo ione legato maggiore per lo scambiatore rispetto allo ione legato

Page 52: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

Proteine con carica +Proteine con carica +

Proteine con carica Proteine con carica --

Page 53: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

-

--

--

-

--

-

--

- Scambiatore Scambiatore

Proteine con carica +Proteine con carica +

Proteine con carica Proteine con carica --

Page 54: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

--

--

-

-

--

-

- Scambiatore Scambiatore

Proteine con carica +Proteine con carica +

Proteine con carica Proteine con carica --

Page 55: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

--- -

-

-

- --

CENTRIFUGAZIONE CENTRIFUGAZIONE

- Scambiatore Scambiatore

Proteine con carica +Proteine con carica +

Proteine con carica Proteine con carica --

Page 56: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

--- -

-

-

- --

Soluzione di lavaggioSoluzione di lavaggio

Page 57: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

--- -

-

-

- --

Soluzione salina concentrataSoluzione salina concentrata

Page 58: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

--- - --- -

EluizioneEluizione

Page 59: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

R-CH2-COO-

R-CH2-COO-

R-CH2-COO-

R-CH2-COO-

R-CH2-COO-

R-CH2-COO-

+ +

+ + +

+

+ +

+

_ _

_ _ _

_

_ _

_ _ _

_

Page 60: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

R-CH2-COO-

R-CH2-COO-

R-CH2-COO-

R-CH2-COO-

R-CH2-COO-

R-CH2-COO-

+ +

+ + +

+

Na+

Na+

Cl-

Cl- Na+

Na+

Na+

Cl-

Cl-

Na+

Na+

+ +

+

Cl-

Cl-

Cl-

Page 61: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

R-CH2-COO-

R-CH2-COO-

R-CH2-COO-

R-CH2-COO-

R-CH2-COO-

R-CH2-COO-

+ +

+ + +

+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

Cl- Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

Page 62: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

--- - --- -

Cromatografia in Cromatografia in batchbatch

Page 63: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

Cromatografia su Cromatografia su COLONNACOLONNA

Page 64: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al
Page 65: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

[SALE]

Page 66: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

[SALE]

Page 67: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

RR--CHCH22--COOHCOOH == RR--CHCH22--COOCOO--

RR--CHCH22--CHCH22--CHCH22--SOSO33H = H = RR--CHCH22--CHCH22--CHCH22--SOSO33--

Gruppo Gruppo CARBOSSIMETILICOCARBOSSIMETILICO

scambiatore debole di cationiscambiatore debole di cationi

Gruppo Gruppo PROPILSOLFONICOPROPILSOLFONICO

scambiatore forte di cationiscambiatore forte di cationi

pKpKaa ~~ 4.54.5

pKpKaa < 1< 1

Effetti del pH sulla resina scambiatriceEffetti del pH sulla resina scambiatrice

Page 68: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

R RR R| || |

RR--CHCH22--N:N: == RR--CHCH22--NHNH++

| || |R RR R

Gruppo Gruppo amminico terziarioamminico terziario

scambiatore debole di anioniscambiatore debole di anioni

pKpKaa ~~ 8.58.5

RR| |

RR--CHCH22--NN++--RR| | R R

Ammina quaternariaAmmina quaternaria

scambiatore forte di anioniscambiatore forte di anioni

Effetti del pH sulla resina scambiatriceEffetti del pH sulla resina scambiatrice

Page 69: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

Effetti del Effetti del pH pH sulla carica delle molecole proteichesulla carica delle molecole proteiche

pHpH77 101044

pI = 5.5pI = 5.5

ProteinaProteinan+n+ ProteinaProteinann--

Page 70: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

pHpH77 101044

pI = 8.5pI = 8.5

ProteinaProteinan+n+ProteinaProteinann--

Effetti del Effetti del pH pH sulla carica delle molecole proteichesulla carica delle molecole proteiche

Page 71: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

�� Si definisceSi definisce capacitcapacitàà totale di scambiototale di scambio il numero di il numero di milliequivalentimilliequivalenti di ioni di ioni

scambiabili, riferito ai grammi di scambiatore secco o allscambiabili, riferito ai grammi di scambiatore secco o all’’unitunitàà di volume di volume

della resina idratatadella resina idratata

�� Elettroliti deboli, i quali sono ionizzati a valori estElettroliti deboli, i quali sono ionizzati a valori estremi di pH, potranno remi di pH, potranno

essere separati solo su scambiatori forti, in gessere separati solo su scambiatori forti, in grado di operare in un rado di operare in un

ampio intervallo di pHampio intervallo di pH

�� Per gli elettroliti forti si preferisce ricorrere a scambiatoriPer gli elettroliti forti si preferisce ricorrere a scambiatori deboli, i quali non deboli, i quali non

sono in grado di legare le impuritsono in grado di legare le impuritàà fornite di carica presenti nel fornite di carica presenti nel

campione e possiedono caratteristiche di eluizione miglioricampione e possiedono caratteristiche di eluizione migliori

�� Il pH del tampone adoperato deve essere di almeno una unitIl pH del tampone adoperato deve essere di almeno una unitàà inferiore o inferiore o

superiore al punto isoionico dei composti da separare superiore al punto isoionico dei composti da separare

Page 72: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

•• Scambiatore cationico forteScambiatore cationico forte

•• pH 1pH 1--2 (tutti gli 2 (tutti gli aaaa si legano)si legano)

•• Eluizione tramite aumento di pH e forza ionica:Eluizione tramite aumento di pH e forza ionica:1.1. aaaa acidi (es. acidi (es. aspartatoaspartato e glutammato)e glutammato)

2.2. aaaa neutri (es. neutri (es. glicinaglicina e valina)e valina)

3.3. aaaa basici (es. lisina e basici (es. lisina e argininaarginina))

•• Rivelazione tramite Rivelazione tramite ninidrinaninidrina

Page 73: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

VANTAGGIVANTAGGI

•• PossibilitPossibilitàà di caricare grandi volumidi caricare grandi volumi

•• Eluizione della proteina di interesse in un piccolo volumeEluizione della proteina di interesse in un piccolo volume

SVANTAGGI SVANTAGGI

• Esecuzione in due tempi

• Eluizione in un tampone a pH e forza ionica diversi dal

tampone iniziale

• Possibilità di selezionare solo molecole ionizzabili

Page 74: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

Determinazione della concentrazione proteica Determinazione della concentrazione proteica

mediante METODO DI BRADFORDmediante METODO DI BRADFORD

Il colorante Il colorante CoomassieCoomassie®® BrilliantBrilliant Blue GBlue G--250 nella sua 250 nella sua

forma libera presenta un massimo di assorbimento a 465 forma libera presenta un massimo di assorbimento a 465

nmnm ((marronemarrone) ) →→ il legame alle proteine determina uno il legame alle proteine determina uno

spostamento del massimo di assorbimento del colorante a spostamento del massimo di assorbimento del colorante a

595 595 nmnm ((blublu))

La quantità di colorante che si lega è proporzionale alla

quantità di proteine presenti nel campione in esame

L’incremento di assorbanza a 595 nm (intensità del colore

blu) è proporzionale alla concentrazione proteica

Page 75: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

1 mg/ml 2 mg/ml 4 mg/ml 8 mg/ml 16 mg/ml

COSTRUZIONE DI UNA RETTA DI TARATURA

�� Proteina a concentrazione nota (BSA)Proteina a concentrazione nota (BSA)

�� Colorante (Colorante (BradfordBradford))

Page 76: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

8

4

2

1

--

Camp.

µl

8

4

2

1

Bianco

Camp.

492

496

498

499

500

H20

µl

500

500

500

500

500

Bradford

µl

0,561,0000,9981,001

0,3660,8040,8110,796

0,2440,6820,6840,68

0,1810,6190,6390,598

0,4380,4530,423

µg/ml∆∆∆∆MAbs 595 nm

Page 77: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

y = 0,0511 x

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0 2 4 6 8

µµµµg di proteina

Ass

orb

an

za a

595

nm

Page 78: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

10

10

10

10

10

8

4

2

1

Camp.

µl

#4

#3

#2

# 1

pool

8

4

2

1

Bianco

Camp.

490

490

490

490

490

492

496

498

499

500

H20

µl

500

500

500

500

500

500

500

500

500

500

Bradford

µl

0,561,0000,9981,001

0,3660,8040,8110,796

0,2440,6820,6840,68

0,1810,6190,6390,598

0,4380,4530,423

µg/µµµµl∆∆∆∆MAbs 595 nm

Page 79: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando

DIMENSIONE

CARICA ELETTRICA

AFFINITAAFFINITA’’ PER ALTRE MOLECOLEPER ALTRE MOLECOLE

Page 80: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

�� Si basa sulla specificitSi basa sulla specificitàà delle interazioni biologiche per ottenere la delle interazioni biologiche per ottenere la

separazione e la purificazione delle molecoleseparazione e la purificazione delle molecole

�� UnUn ligandoligando specifico per la molecola di interesse specifico per la molecola di interesse èè legato legato

covalentemente ad una matrice insolubilecovalentemente ad una matrice insolubile

�� EE’’ necessario che le molecole da isolare siano in grado di legare necessario che le molecole da isolare siano in grado di legare il il

ligandoligando in maniera specifica e in maniera specifica e reversibilereversibile

�� FASE STAZIONARIA FASE STAZIONARIA solida solida –– ligando immobilizzatoligando immobilizzato

FASE MOBILEFASE MOBILE liquida liquida

Page 81: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

•• Deve possedere un numero sufficiente di gruppi chimici, ai qualDeve possedere un numero sufficiente di gruppi chimici, ai quali i

possa essere legato possa essere legato covalentementecovalentemente lo specifico lo specifico ligandoligando

•• Deve essere stabile nelle condizioni di legame e duraDeve essere stabile nelle condizioni di legame e durante la nte la

successiva eluizionesuccessiva eluizione

•• Deve interagire solo debolmente con le altre macromolecoDeve interagire solo debolmente con le altre macromolecole, le,

riducendo cosriducendo cosìì al minimo lal minimo l’’adsorbimento aspecificoadsorbimento aspecifico

•• Le matrici piLe matrici piùù utilizzate sono i utilizzate sono i destranidestrani ((SephacrylSephacryl SS), ), agarosioagarosio

((SepharoseSepharose, , BioBio--GelGel AA), ), poliacrilammidepoliacrilammide ((BioBio--GelGel PP), polistirene ), polistirene

((BioBio--BeadsBeads SS), cellulosa), cellulosa

Page 82: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

�� Per evitare che il legame del Per evitare che il legame del ligandoligando alla matrice possa interferire con la sua capacitalla matrice possa interferire con la sua capacitàà

di legarsi poi alla macromolecola, di legarsi poi alla macromolecola, èè preferibile interporre unpreferibile interporre un braccio spaziatorebraccio spaziatore tra tra

ligandoligando e matricee matrice

�� La suaLa sua lunghezzalunghezza èè critica per lcritica per l’’efficienza della cromatografia (la lunghezza ottimale efficienza della cromatografia (la lunghezza ottimale èè

tra 6 e 8 atomi di carbonio):tra 6 e 8 atomi di carbonio):

1) Se troppo corto può ostacolare il legame tra il 1) Se troppo corto può ostacolare il legame tra il ligandoligando e la molecola da e la molecola da

purificarepurificare

2) Se troppo lungo può instaurare interazioni idrofobiche2) Se troppo lungo può instaurare interazioni idrofobiche con le molecole con le molecole

proteiche proteiche

Page 83: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

GENERICOGENERICO: un : un ligandoligando che mostri unache mostri una selettivitselettivitàà di gruppodi gruppo, dal momento che , dal momento che

èè in grado di legare gruppi affini di molecole che possiedono unain grado di legare gruppi affini di molecole che possiedono una

similaritsimilaritàà chimica insita molto ampia, ad es. chimica insita molto ampia, ad es. polypoly--(U) per (U) per mRNAmRNA

SPECIFICOSPECIFICO: un : un ligandoligando che sia in grado di legare in maniera specifica una che sia in grado di legare in maniera specifica una

data molecola, ad es. un analogo di un substrato perdata molecola, ad es. un analogo di un substrato per purificare purificare

un enzima o ioni nickel per code di istun enzima o ioni nickel per code di istidinaidina

Page 84: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

Legame di un Legame di un ligandoligando al braccio spaziatore al braccio spaziatore

legato alla matricelegato alla matrice

LL’’immobilizzazione può provocare limmobilizzazione può provocare l’’inattivazione del inattivazione del ligandoligando perchperchéé ne ne

altera la struttura tridimensionale o rende inaccessibile il sitaltera la struttura tridimensionale o rende inaccessibile il sito di legame o di legame

Page 85: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

NON SPECIFICANON SPECIFICA::

si basa su variazioni di pH, della forza ionica o si basa su variazioni di pH, della forza ionica o

sullsull’’aggiunta di un agente denaturanteaggiunta di un agente denaturante

SPECIFICASPECIFICA::

si aggiunge un competitore, vale a dire un composto si aggiunge un competitore, vale a dire un composto

che ha una maggiore affinitche ha una maggiore affinitàà per la molecola da per la molecola da

purificare rispetto al purificare rispetto al ligandoligando legato legato covalentementecovalentemente

alla matricealla matrice

Page 86: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

CROMATOGRAFIA DI AFFINITACROMATOGRAFIA DI AFFINITA’’

per purificare una ribonucleasiper purificare una ribonucleasi

Analogo del substratoAnalogo del substrato

legato legato covalentementecovalentemente

alla resinaalla resina

pirimidinapirimidina

Page 87: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

o aggiunta del o aggiunta del

competitorecompetitore

Page 88: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

VANTAGGI

• PossibilitPossibilitàà di caricare grandi volumidi caricare grandi volumi

•• Eluizione del composto di interesse in un piccolo volumeEluizione del composto di interesse in un piccolo volume

•• Elevata specificitElevata specificitàà di selezionedi selezione

SVANTAGGISVANTAGGI

• Esecuzione in piEsecuzione in piùù tempi tempi

•• Richiesta conoscenza delle caratteristiche della molecola Richiesta conoscenza delle caratteristiche della molecola

da selezionare (meccanismo dda selezionare (meccanismo d’’azione, affinitazione, affinitàà per altri per altri

ligandiligandi, ...), ...)

•• Eluizione in un tampone a pH e/o forza ionica diversi dal Eluizione in un tampone a pH e/o forza ionica diversi dal

tampone inizialetampone iniziale

•• In molti casi il campione eluito In molti casi il campione eluito èè contaminato dallcontaminato dall’’agente agente

““spiazzantespiazzante””

Page 89: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

Cromatografia per interazione idrofobica

• PRINCIPIO: sfrutta l’idrofobicità superficiale delle proteine (residui Aa. non polari)

• FASE STAZIONARIA: matrice inerte a cui sono legati gruppi idrofobici (radicali o gruppi ottilici, fenilici, butilici

• FASE MOBILE tampone polare– A concentrazione salina decrescente (riduzione degli

effetti idrofobici)

– A concentrazione di detergente crescente

– Con variazione di pH

Page 90: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

Cromatografia di ripartizione• Fase diretta• fase stazionaria: polare,

• eluente apolare

• Fase inversa• fase stazionaria apolare,

• eluente polare

Si – O – C18H37

Page 91: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

Cromatografia liquido-solido o infase normale

FASE STAZIONARIA:Matrice di silica, allumina,

fasi legate a GRUPPI amino-, ciano-, o fenilici

FASE MOBILE NON POLARE

Come esano, isopropanolo

• Eccellente per analiti non polari,isomeri, separazione in gruppi omogenei in polarità

Page 92: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

Cromatografia in fase inversa

Separazione basata sulla ripartizione• dell’analita in una fase stazionaria• idrofobica legata a gel di silice• FASE MOBILE polare come

miscele di metanolo/acetonitrile e acqua;

• Analiti polari eluiscono prima mentre i non polari sono piùritenuti

• Modo HPLC più comune

• Per analiti polari (solubili in acqua), di media polarità, e talvolta non-polari

Page 93: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

Interazione idrofobica

• ELUIZIONE: • gradiente discendente di forza ionica• Gradiente ascendente di solventi organici

(alcoli)• In alcuni casi il legame è così forte che

si devono usare detergenti

• UTILE PER LA SEPARAZIONE DI PROTEINE DI MEMBRANA

Page 94: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

High Performance Liquid

Chromatography (HPLC)

• Elevato numero di piatti teorici

• Ridotta dimensione delle particelle di

matrice

• Elevata pressione della colonna

Page 95: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al
Page 96: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al
Page 97: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al
Page 98: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al

Colonne per HPLC

Pressione fino a 55 MPa (550 Bar)

Page 99: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al
Page 100: Le proteine si possono PURIFICARE sfruttando DIMENSIONE ...omero.farm.unipi.it/matdidFarm/16/11-12 lezione_cromatografia.pdf · L'invenzione della cromatografia viene attribuita al