Методы биохимических исследований

Биохимические методы играют одну из ведущих ролей в ходе общего медицинского обследования, контроле течения заболеваний и оценке эффективности проводимого лечения. В медицине используются оптические методы, электрофорез, диализ и др.

Оптические методы

В основе абсорбционной спектрофотометрии, частным случаем которой является фотоколориметрия, лежат общие принципы способности веществ поглощать световую энергию по закону Бугера – Ламберта – Бера:

D = k  c  d;

где D – оптическая плотность раствора;

k – молярный коэффициент поглощения (экстинкция), который равен оптической плотности 1 М раствора при толщине слоя в 10 мм;

с – концентрация раствора, М;

d – толщина слоя жидкости, см.

Линейность зависимости D от с и d нарушается при высоких D. Область линейности этой зависимости определяется в предварительных экспериментах. Обычно линейная зависимость оптической плотности раствора от концентрации исследуемого вещества сохраняется в интервале значений от 0,1 до 0,8.

Спектрофотомерия – это измерение поглощения (пропускания) прозрачных растворов в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной зоне спектра (220 – 1100 нм).

В фотоколориметрии используется свет с длиной волны 400 – 700 нм (видимый спектр).

Измерение спектров осуществляют на специальных спектральных аппаратах, в которых пробу вещества помещают между источником света и фотоэлементом, регистрирующим свет. Каждое вещество имеет характерный спектр поглощения. Для аналитических целей используют длину волны, соответствующую максимуму поглощения исследуемого соединения (λ_max).

К приборам, измеряющим светопоглощение веществ, относятся фотоэлектроколориметры (ФЭК) и спектрофотометры (СФ).

ФЭК позволяют проводить измерения поглощения в видимой части спектра. Многие соединения, обладающие незначительным поглощением, вступая в реакцию с другими веществами, дают окрашенные продукты, количество которых пропорционально количеству исходного вещества, а также зависит от температуры и времени развития окраски, поэтому все пробы должны быть обработаны в одинаковых условиях. Таким образом, проводят количественное определение глюкозы, фруктозы, гликогена, белка, фосфатов и др.

Измерения проводят против холостой пробы (растворитель или раствор, содержащий все компоненты, кроме исследуемого вещества). Растворы для исследования должны быть прозрачными, без пузырьков воздуха, которые усиливают рассеивание света. Кюветы нужно заполнять до такого уровня, чтобы весь поток излучения проходил через слой раствора. Кюветы требуют специального ухода. Капли, царапины и грязь на их стенках сильно рассеивают и поглощают свет, что приводит к искажению результатов.

Способы расчёта концентрации светопоглощающих растворов:

• Расчёт концентрации веществ методом сравнения оптических плотностей стандартного раствора (раствора известной концентрации) и исследуемого раствора. Например, стандартный раствор имеет экстинкцию А (при известной концентрации С_станд), а экстинкция исследуемого раствора равна В. Составляем пропорцию, из которой находим концентрацию исследуемого раствора Х:

С_станд – А

Х – В

• Более точный способ – расчёт концентрации веществ по калибровочному графику, выражающему зависимость экстинкции от концентрации данного вещества. Для этого из стандартного раствора готовят серию разведений, проводят необходимые для метода химические реакции и, измерив экстинкции, строят график. Зная экстинкцию раствора неизвестной концентрации, по графику находят концентрацию данного раствора.

Электрофорез

Явление электрофореза – это перемещение заряженных частиц в электрическом поле.

Поведение частицы в электрическом поле описывается тремя основными характеристиками: скоростью движения частицы v, электрокинетическим потенциалом  и электрофоретической подвижностью U. -потенциал прямо пропорционален свободному (не скомпенсированному ионами среды) заряду частицы (Q) и обратно пропорционален ее радиусу (r). Скорость заряженной частицы прямо пропорциональна -потенциалу. Электрофоретическая подвижность U равна отношению скорости частицы к напряжённости электрического поля.

где Е – напряженность электрического поля, В/см;

– диэлектрическая постоянная среды,

 – вязкость среды.

Наиболее часто метод используют для аналитических целей – для разделения смеси заряженных веществ на фракции с последующим качественным и количественным их определением. Таким способом удается разделить, например, белки сыворотки крови на 5 фракций: альбумин и 4 фракции глобулинов. Эту задачу часто решают в клинической биохимии, так как соотношение фракций закономерно изменяется при многих патологических процессах.

Электрофорез подразделяется на фронтальный, или свободный (электрофорез в жидкой среде), и зональный (электрофорез в поддерживающих средах). В качестве поддерживающих сред применяются различные инертные пористые природные либо синтетические материалы: бумага, ацетилцеллюлоза, крахмал в виде влажных зерен и в виде геля, гель агара либо агарозы, полиакриламидный синтетический гель – ПААГ. Задача поддерживающей среды – стабилизировать жидкость, уменьшить диффузию, а в ряде случаев – создать дополнительный механизм разделения. Например, в некоторых вариантах метода разделение по электрофоретической подвижности можно сочетать с разделением по молекулярной массе (наилучшим образом это достигается в ПААГ).

Одной из высокоразрешающих разновидностей метода является диск-электрофорез (от английского «discontinuos» – прерывистый, неоднородный). В этом методе движение молекул проходит вначале через концентрирующий крупнопористый гель, где разделяемая смесь концентрируется благодаря движению между 2-мя сортами ионов. Движущиеся впереди пробы ведущие ионы (принадлежат сильному электролиту) и находящиеся позади пробы замыкающие ионы (принадлежат слабому электролиту) создают разную напряженность поля по обе стороны зоны, занятой пробой. Вследствие этого «фронт» пробы тормозится, а «тыл», напротив, подгоняется. Таким путем достигается эффект концентрирования. Затем проба переходит в разделяющий гель с иным значением рН буферного раствора и другим размером пор (дополнительный механизм разделения). Вследствие изменения рН (а значит, и степени диссоциации слабого электролита) замыкающие ионы опережают пробу, которая перемещается теперь на фоне замыкающих ионов – и оказывается в однородной по рН мелкопористой среде. В этом втором, разделяющем геле происходит обычный электрофорез. Повышение разрешающей способности метода достигается за счет того, что перед разделением проба концентрируются в виде очень узкой стартовой зоны, и таким образом удается разделить даже вещества, мало отличающиеся друг от друга по свойствам.

Хроматография

Хроматографические методы основаны на динамическом раз­делении смеси веществ. Общий принцип хроматографии состоит в том, что непрерывный поток подвижной фазы, содержащей анализируемый образец, направленно проходит через стационарную фазу, которая, в зависимости от своей природы, взаимодействует в различной степени с компонентами образца.

Распределение соединения между двумя несмешивающимися фазами определяется коэффициентом распределения, который для каждого конкретного вещества в системе из двух фаз при данной температуре постоянен и выражается отношением концентрации вещества в подвижной фазе к его концентрации в стационарной фазе. Фазы для хроматографического разделения выбирают так, чтобы коэффициенты распределения компонентов смеси в них были различными.

В зависимости от агрегатного состояния подвижной фазы хроматографические методы делят на газовую и жидкостную хроматографию; в зависимости от геометрической формы стационарной фазы – на колоночную и плоскостную (бумажную или тонкослойную).

В зависимости от механизма разделения веществ выделяют следующие виды хроматографии:

• Адсорбционная хроматография основана на различной адсорбируемости компонентов разделяемой смеси на поверхности раздела фаз. Эти различия связаны главным образом с различиями в дипольных моментах (в полярности) разделяемых веществ, а также подвижной и неподвижной фаз хроматографической системы. Так, из полярной подвижной фазы на неполярном адсорбенте лучше адсорбируются неполярные вещества. Примером неполярного адсорбента может служить активированный уголь, сажа; полярного – окислы металлов, гидроокиси, некоторые соли, силикагель, полисахариды.

• Абсорбционная, или распределительная, хроматография основана на различной абсорбируемости (поглощении всем объемом стационарной жидкой фазы, растворимости в ней) компонентов разделяемой смеси. В основе метода также лежит соотношение дипольных моментов разделяемых веществ и компонентов хроматографической системы. Примером распределительной хроматографии может служить разделение аминокислот в системе бутанол – вода либо фенол – вода. Стационарная полярная фаза – вода – удерживается инертным пористым твердым телом – бумагой, силикагелем и т. п. Бутанол – неполярная подвижная фаза – содержит компоненты разделяемой смеси и движется относительно воды, удерживаемой твердой пористой подложкой.

• Хемосорбционные методы основаны на использовании хемосорбции. Наиболее распространенным из них является ионообменный метод, в котором используются различия в константах диссоциации разделяемых веществ-электролитов. Разделяемые вещества в виде катионов или анионов обратимо обмениваются на катионы или анионы, содержащиеся в стационарной твердой фазе (катионите или анионите соответственно). Подвижная фаза – полярный растворитель (обычно буферный или солевой водный раствор). В качестве твердого пористого тела, содержащего прикрепленные к нему обмениваемые ионы, служат природные или синтетические полимеры – ионообменные смолы (целлюлоза, декстран, агароза, полиакриламид, полистирол).

• Гель-хроматография, или молекулярно-ситовая хроматография, основана на разделении веществ в соответствии с их размерами (молекулярными массами). В этом методе используются те же пористые тела, что служат основой для ионообменной хроматографии, но без прикрепленных к ним ионогенных групп. Материал стационарной фазы представляет собой сферические гранулы определенного размера, внутри которых имеются поры. Размер пор также стандартен и выбирается так, чтобы обеспечить хорошую разрешающую способность метода. Наиболее крупные молекулы не могут проникнуть во внутренние мелкие поры и передвигаются только по промежуткам между гранулами. Они идут с наибольшей скоростью. Более мелкие частицы движутся с разными скоростями, в зависимости от того, какая доля объема внутренних пор доступна для них в соответствии с их размерами. Медленнее всех движутся самые мелкие молекулы.

• Аффинная хроматография. Метод основан на специфическом сродстве (affinity) некоторых биологически активных веществ друг к другу. Один из партнеров – аффинант – обездвиживают (иммобилизуют) на твёрдой пористой подложке, вместе с которой он образует стационарную фазу. Второй партнер содержится в подвижной фазе. Аффинная хроматография позволяет выделить его из смеси любой степени сложности. Так, при пропускании через крахмал был выделен из панкреатического сока только один из его компонентов – фермент амилаза, для которого крахмал является субстратом. Наиболее распространенные пары веществ: фермент и субстрат, фермент и ингибитор, фермент и кофермент, антитело и антиген, рецептор и сигнальная молекула, транспортный белок и транспортируемое им вещество, комплементарные друг другу нуклеотиды. Аффинная хроматография широко используется для очистки антигенов и антител, гормонов, рецепторов, транспортных белков, ферментов и т. п.

Метод центрифугирования

Разделение и исследование веществ с помощью центрифугирования основано на разной скорости оседания (седиментации) в центробежном поле частиц, имеющих разную плотность, форму или размеры.

Коэффициент седиментации зависит от молекулярной массы и формы частицы, а также от плотности и вязкости среды выделения, что используется для определения молекулярной массы.

Простейшая задача центрифугирования заключается в отделении осаждённых веществ от растворов как этап выполнения аналитических работ. Например, отделение белков от других органических соединений после осаждения. Подбирая скорости центрифугирования и определенные среды выделения, можно избирательно осаждать разные субклеточные структуры: ядра, митохондрии, лизосомы, рибосомы, эндоплазматический ретикулум.

Радиоизотопные методы

Основаны на способности нестабильных радиоизотопов испускать частицы или электромагнитное излучение, которые фиксируются специальными методами.

Основными преимуществами методов с применением радиоизотопных меток являются их чувствительность и возможность вводить метки в живой организм, что позволяет исследовать метаболические превращения, механизмы и скорости поглощения и переноса веществ в интактном организме, возраст биологических образцов.

Больному вводят радиоактивный органотропный изотоп, обладающий способностью концентрироваться в тканях определенного органа. Затем детектор аппарата для сканирования (он носит название гамма-топографа, или сканера). перемещается по определенной траектории над объектом исследования и воспринимает импульсы от органа, ставшего источником ионизирующего излучения. Поскольку интенсивность излучения исследуемого органа вследствие накопления в нем радиоактивного изотопа значительно выше, чем интенсивность излучения окружающих органов и тканей, то плотность штрихов или точек на участке сканограммы, соответствующей этому органу, значительно выше. Таким образом, в процессе исследования на сканограмме удается получить «тень» органа. При очаговом поражении паренхимы органа (опухоль, киста, абсцесс и др.) на сканограмме появляются очаги разрежения. Сканирование позволяет определить смещение, увеличение или уменьшение размеров органа, а также снижение его функциональной активности (по диффузному уменьшению плотности сканограммы). Сканирование применяется для исследования структуры щитовидной железы, печени, почек, реже – других органов.

Радиоизотопы используются при исследовании функций различных органов по скорости всасывания, накопления в каком-либо органе и выделения из организма радиоактивного изотопа. Так, при изучении функции щитовидной железы изучается динамика поглощения йодида натрия щитовидной железой и определение концентрации белоксвязанного изотопа в плазме крови больного. Радиоактивные изотопы также применяются для изучения выделительной функции почек, всасывания в тонкой кишке и при некоторых других исследованиях.

МОДУЛЬ 1. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ МЕТАБОЛИЗМА