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Cromatografia Biotecnologia Purificação de moléculas IBF-‐020 13/12/16 Purificação Proteína isolada proteína pura Características: solubilidade, tamanho, carga e capacidade de ligação a um dado ligante. Métodos de purificação proteína isolada Proteínas de uma célula Extração -‐Captura Purificação intermediária Polimento Fluxograma das etapas de purificação ORGANELAS Lisossomos Mitocôndria Golgi Núcleo SOBRENADANTE F 1 F 2 F 3 F 4 F 2 .1 F 2 .2 F 2 .3 F 2 .3.1 F 2 .3.2 . . . . . . F 2. 3.N Centrifugação Cromatografia Troca Iônica F 2.3.2.X Uma única proteína purificada (0.001g) - 0.1 a 0.5% total MATERIAL BIOLÓGICO DE PARTIDA: (100g) Cromatografia de Gel Filtração Cromatografia de afinidade Precipitação com Sal/Solvente Михаил Семенович Цвет Mikhail Semenovich TsweO 1906= separação da clorofila de uma mistura de pigmentos de plantas, através de uma coluna cheia de carbonato de cálcio! éter de petróleo CaCO3 mistura de pigmentos pigmentos separados Cromatografia Do grego: χρωµα: chroma, cor γραϕειν, grafein, grafia escrita em cores Ferramenta analíOca para a separação de misturas, combinada com análises qualitaOvas e quanOtaOvas das substâncias separadas Consiste em série de processos Rsico-‐químicos de separação de misturas em função de suas caracterísOcas moleculares Cromatografia Separação dos consOtuintes de uma mistura devido a interação diferencial do soluto entre 2 fases imiscíveis, a fase ESTACIONÁRIA (FE) e a fase MÓVEL (FM) SOLUTO FASE MÓVEL FASE ESTACIONÁRIA DEVEM SER INERTES Príncipio básico Os componentes das amostras são distribuídos entre duas fases, uma das quais permanece estacionária, enquanto a outra elui entre os inters_cios ou sobre a superRcie da fase estacionária (F.E.). O movimento da fase móvel (F.M.) resulta numa migração diferencial dos componentes da amostra. O mecanismo envolvido nesta migração diferencial vai depender do Opo uOlizado de fase móvel e de estacionária. Processo cromatográfico • Tipo de suporte • Modo de separação • Natureza da fase móvel • Composição da fase móvel • ObjeOvo da separação Coluna Planar Adsorção ParOção Troca iônica Exclusão de tamanhos Afinidade Cromatografia gasosa Cromatografia líquida Cromatografia supercríOca IsocráOca Gradiente AnalíOca PreparaOva Processo cromatográfico Resolução ü Alta pressão da CL clássica pressão ambiente ü Influência grande da FE na separação sendo que as propriedades das fases estacionárias podem estar sujeitas a alterações pela FM ü Separação de moléculas que se dissolvem na fase móvel (massa molar 32 a 4 milhões) ü Não necessita que a amostra seja voláOl (requisito da CG) ü Além do reduzido tempo e alta resolução, possui boa detectabilidade e bons resultados quali e quanOtaOvos Cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE /HPLC) Tempo Cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE /HPLC) ü Alto custo do equipamento e das colunas e acessórios ü Não há detector universal que abrange boa detectabilidade e baixo custo C on ce nt ra çã o Tempo ou volume Coletor de frações Tempo 1 Componentes da amostra se separam e saem da coluna com diferentes volumes de tampão Tempo n Amostra com diferentes componentes Resina embebida em tampão Tempo zero Cromatografia em coluna Tempo 2 Bomba • Leva a fase móvel desde o reservatório até a coluna • Vazão na faixa 0,1 ml/min (constante e sem pulsação) Bombeamento isocráOco ou por gradiente Bombeamento isocrá^co Bombeamento por gradiente Composição da fase móvel manOda constante Alterar a composição da fase móvel Tempo Resolução Detectores UNIVERSAIS: Geram sinal para qualquer substância eluída. SELETIVOS: Detectam apenas substâncias com determinada propriedade físico-química. DisposiOvos que geram sinal elétrico que é registrado na forma de um pico. A area desste pico é proporcional á quanOdade do analito Principias detectores ü Índice de refração (IR analito IR da fase móvel), baixa sensibilidade, detecção de carboidratos ü Espectrofotometria UV-‐visível FM não pode absorver no λ indicado, mais comumente aplicado, compostos aromáOcos ou com ligações C =O, N=O ü Fluorescência ü Eletroquímico Aplica-‐se um potencial alto no par de eletrodos na cela provocando reação de oxido-‐ redução do analito que gera uma corrente elétrica. Corrente ∝ [analito] ü Espectrometria de massa LC/MS Ao ser eluido, o analito já é direcionado ao espectrômetro com a fragmentação da biomolécula e a detecção de cada fragmento. Cada molécula tem uma perfil de fragmentos que a caracteriza e difere das demais (banco de dados). 18 A separação baseia-se na migração diferencial entre a F.E. e F.M. F.E.- permanece fixa na coluna F.M.- Carrega a amostra pela F.E. Injector Detector Column Solvents Mixer Pumps Waste Injector Detector Column SolventsPumps Mixer Chromatogram Start Injection mAU time Paramêtros cromatográficos Avaliar o desempenho cromatográfico e com isso auxiliar na oOmização do processo • Tempo de retenção • Fator de retenção • Fator de separação • Número de pratos • Resolução Paramêtros cromatográficos Tempo de retenção = Tr Fator de separação = α Tempo decorrido da injecção da amostra até o momento máximo do pico Relação do Tr de 2 moléculas Temperatura e vazão da FM constante = Tr tbm constante Paramêtros cromatográficos Número de pratos Tr = tempo de retenção W = Largura do pico É uma medida do tr e W dos picos Paramêtro mais preciso para definir a qualidade de um sistema cromatográfico Performace da cromatografia Paramêtros cromatográficos Resolução Fornece uma medida quanOtaOva da capacidade da coluna de separar 2 compostos Cromatografia de gel filtração ou de exclusão molecular Fase estacionária = esferas microscópicas de material polimérico hidratado e inerte Cromatografia de gel filtração ou de exclusão molecular . Cada resina/matrizes (Géis hidroRlicos reOculados) terá sua faixa de fracionamento . 100 a 80 milhões de Da Podem ser biodegradáveis = uso agentes anOmicrobianos como Azida de sódio Resinas para Gel-‐Filtração Sephadex G - 10 Dextrana 0.05 - 0.70 Sephadex G - 25 Dextrana 1 - 5 Sephadex G - 50 Dextrana 1 - 30 Sephadex G - 100 Dextrana 4 - 150 Sephadex G - 200 Dextrana 5 - 600 Bio - Gel P - 2 Policrilamida 0.1 - 1.8 Bio - Gel P - 6 Policrilamida 1 - 6 Bio - Gel P - 10 Policrilamida 1.5 - 20 Bio - Gel P - 30 Policrilamida 2.4 - 40 Bio - Gel P - 100 Policrilamida 5 - 100 Bio - Gel P - 300 Policrilamida 60 - 400 Sepharose 6B Agarose 10 - 4.000 Sepharose 4B Agarose 60 - 20.000 Sepharose 2B Agarose 70 - 40.000 NOME TIPO FAIXA DE RESOLUÇÃO (kD) *Sephadex e Sepharose: Amersham Pharmacia Biotech; Bio - Gel: Bio - Rad Laboratories Moléculas pequenas Moléculas pequenas Proteínas Proteínas Células, par_culas sub-‐celulares Existem diferentes ^pos de resinas para gel-‐filtração indica quais os tamanhos das par_culas que podem entrar nos poros da resina e serem fracionados. Acima ou abaixo da faixa, não há separação. Cromatografia de gel filtração ou de exclusão molecular . Cada resina/matrizes (Géis hidroRlicos reOculados) terá sua faixa de fracionamento . 100 a 80 milhões de Da -‐ Fracionamento de alta resolução -‐ Separação de biomoléculas em grupos como para dessalinização da amostra Determinação de massa molecular Volume de eluição de um soluto desconhecido pode ser relacionado aos volumes de eluição de outras moléculas com massa molar conhecida! Definições Cromatografia de gel filtração ou de exclusão molecular Cromatografia de gel filtração ou de exclusão molecular Blue Dextran (MM= 2.000.000) Cromatografia de gel filtração ou de exclusão molecular Cromatografia de gel filtração ou de exclusão molecular A eluiçao de uma molécula é dada pelo seu coeficiente de distribuição (Kav) Kav = Ve -‐ Vo Vt -‐ Vo Ve – volume de eluição de uma certa proteína Vt – volume total da coluna Vo – volume morto da coluna, em que saem moléculas com massa acima da resolução da resina A eluiçao de uma molécula é dada pelo seu coeficiente de distribuição (Kav) Kav = a.log M + b a e b = constantes log M = massa molar da biomolécula Kav Log M Kav = Ve -‐ Vo Vt -‐ Vo Tipos de Resina de troca Iônica Perfil do cromatograma Cromatografia de troca iônica • Matriz da coluna = polímero sintético contando grupos carregados que se mantém em um ampla faixa de pH. Trocadoras cátiônicas Trocadoras aniônicas Trocadora de ânions Trocadora de cátions DEAE CM Adsorção Eluição + + + + + + + + Moléculas com a mesma carga, ou sem carga, não interagem com a resina, sendo as primeiras a sair da coluna Adição de sal ao tampão resulta em competição entre os íons em solução e as moléculas adsorvidas na resina. Dividida em duas etapas: 1) adsorção das proteínas com carga contrária à resina, e saída da coluna das proteínas com a mesma carga; 2) Eluição das proteínas adsorvidas. + + + + + + + + + + + Exemplo de uma resina catiônica ou trocadora de ânions, como o DEAE-celulose): Para a eluição, as condições de adsorção da coluna (pH ou força iônica) são alteradas para neutralizar a interação entre as proteínas e a resina. Mais frequentemente utiliza-se um aumento da concentração do sal no tampão, pois alterações de pH podem desnaturar proteínas, levando-as a precipitar dentro da coluna. Cromatografia de troca iônica PI ácido + básico - neutro -COOH -COO -NH3 H + + - H + -NH2 O processo da cromatografia de troca iônica depende da diferença de ponto isoelétrico das proteínas na amostra e das condições escolhidas de pH e de força iônica. Proteína P.I. Pepsina <1,0 Ovalbumina galinha 4,6 Albumina sérica humana 4,9 Tropomiosina 5,1 Insulina bovina 5,4 Fibrinogênio humano 5,8 Gama-globulina 6,6 Colágeno 6,6 Mioglobina equina 7,0 Hemoglobina humana 7,1 Ribonuclease A bovina 7,8 Citocromo C equino 10,6 Histona bovina 10,8 Lisozima, galinha 11,0 Salmina, salmão 12,1 Ponto Isoelétrico de algumas Proteínas Proteínas apresentam carga + quando em meio ácido em relação ao seu PI, e carga - quando em meio alcalino em relação ao seu pI. Nesse caso, a referência para se dizer que o meio é ácido ou básico é o PI da proteína, e não o pH do meio. A carga das proteínas varia em função do pH do meio, pois o pH influencia o estado de dissociação das cadeias laterais dos aminoácidos ácidose básicos. Para realizar uma troca iônica preciso Conhecer o pI da(s) proteína(s) de interesse ? Carboximetil~celulose (trocadora de cátions) Dietilaminoetil~celulose (trocadora de ânions) Gradientes de sal podem fracionar as proteínas adsorvidas na resina de acordo com a intensidade de suas cargas, que é dada pela diferença entre seus PIs e o pH do tampão de eluição. As proteínas não retidas (com a mesma carga da resina) não são separadas, sendo simplesmente “arrastadas” pelo tampão (ou seja, não são repelidas pela resina). _ = = _ + + + + + (+) (+) (+) (+) 0. 10 M 0. 15 M 0. 20 M Eluição NaCl Não retidas DEAE + + 0. 10 M 0. 15 M 0. 20 M Eluição NaCl + (-) (-) (-) + + + _ = = _ (-) Não retidas CM Cromatografia de troca iônica Tipos de Resina de troca Iônica Existem vários tipos de resinas de troca iônica disponíveis no mercado. NOME TIPO GRUPO IONIZÁVEL OBSERVAÇÕES Dowex 1 Fortemente básica Ø - CH 2 N+(CH 3 ) 3 Troca aniônica resina de polistireno Dowex 50 Fortemente básica Ø - SO 3 -H Troca Catiônica resina de polistireno DEAE - celulose Básica Dietilaminoetil Fracionamento de proteínas - CH 2 CH 2 N+(C 2 H 5 ) 2 ácidas e neutras CM - celulose Ácida Carboximetil Fracionamento de proteínas - CH 2 COOH básicas e neutras DEAE - Sephadex Gel de dextrano Dietilaminoetil Combinação de gel filtração básico - CH 2 CH 2 N+(C 2 H 5 ) 2 e troca iônica de proteínas ácidas e neutras CM - Sephadex Gel de dextrano Carboximetil Combinação de gel filtração ácido - CH 2 COOH e troca iônica de proteínas básicas e neutras * Dowex: Dow Chemical Co.; Sephadex: Amersham Pharmacia Biotech; Bio - Gel: Bio Rad Laboratories Tipos de resina de troca iônica Tipos de Resina de troca Iônica Perfil do cromatograma Cromatografia de afinidade Resina sólida Ligação especíica da proteína ao ligante da matriz Ligante imobilizado na matriz Proteínas com diferentes síOos de ligação Proteínas com diferentes sí^os de ligação Ligante imobilizado na matriz Proteína de interesse • Fase estacionária= ligante ligado covalentemnte ao suporte • Fase móvel = solvente aquoso • Interações não covalentes • Eluição Rendimento Eluição: condições que interferem na ligação da proteína ao ligante, como mudanças no pH e/ou força iônica, ou por compeOção com o ligante livre (imidazol) IMAC -‐ Cromatografia de afinidade com metal imobilizado • interação entre as proteínas e os ions metálicos imobilizados num suporte sólido. • suportes contendo ions de Cu2+ ,Ni2+ , Zn2+ ou Co2+ são apropriados para o fracionamento de proteínas com base no seu conteúdo relaOvo de resíduos de hisOdina, cisteína, cadeias laterais aromáOcas de aminoácidos e de grupos N-‐terminal acessíveis de aminoácidos. • cauda de his Cromatografia de afinidade Ligante grupo-específico Especificidade Concanavalina A Grupos glicosil- ou manosil- Cibacron Blue Várias enzimas, albumina lisina Plasminogênio, RNA ribossomal arginina proteinases tipo tripsina benzamidina proteinases tipo tripsina calmodulina Proteínas reguladas por calmodulina heparina Fatores de coagulação, lipases, hormônios, receptores estoróides, etc Metais de transição Proteínas e peptídeos com resíduos de His expostos 1. Mono-‐específicos -‐ ligação específica da molécula-‐alvo -‐ análogos de substratos ou inibidores de enzimas -‐ agonistas ou antagonistas de receptores -‐ haptenos ou determinantes anOgênicos de anOcorpos -‐ ligantes com “tag” ou “marcação” -‐ glutaOona-‐S-‐transferase -‐ poli-‐HisOdina 2. Grupo-‐específico: ligantes para separação de grupos: Cromatografia de afinidade 3 passos cromatográficos consecutivos usados para purificar uma proteína. Em A, resultados de uma coluna de troca iônica; B, Filtração em gel e C, Cromatografia de afinidade. Cromatografia multimodal • Ligantes interagem com as moléculas fixadas na resina por 2 ou mais modos de ação!! Grau de complexidade maior, maior seletividade • Condições de grande desafio para os métodos tradicionais Cromatografia multimodal Lembrando... Apresentações 20/12 Paper 1 (plant-‐based) -‐ Grupo trio: Luiz, Rafael e Anny Paper 2 (EVs)-‐ Dupla: Maria Clara e Wlademir Paper 3 (VLPs purificaOon) -‐ Dupla: Amanda e Ingrid Apresentações 03/01 Paper 4(HPLC sOgmasterol) -‐ Dupla: Quézia e Gabriely Paper 5-‐ (polyG) -‐Dupla: Pamela e Lucas Paper 6 (Enzyme-‐assisted) -‐Dupla: Giovanna e Anderson Atividade avaliativa
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