Universidad de Chile Facultad de Ciencias Químicas y Farmacéuticas Bioquímica I Trabajo Práctico N° 2 Cuantificación de la concentración de proteínas Objetivos: -‐ Determinar la concentración de proteínas en muestras problema utilizando los métodos de Bradford (Bradford y cols, 1976) y Biuret (Riegler y cols, 1914). -‐ Discutir las ventajas y desventajas de cada método. -‐ Aplicar los conceptos y metodologías relacionados con la elaboración de soluciones y realización de curvas de calibración. Antecedentes: Existen diversos métodos para la cuantificación de proteínas, siendo los basados en técnicas espectrofotométricas lo más conocidos. Estos métodos se basan en la formación de complejos contienen las proteínas, la capacidad de estos de absorber luz en alguna longitud de onda, y la relación lineal entre la absorbancia y la concentración del complejo formado. La capacidad intrínseca de las proteínas de absorber luz, también permite su cuantificación bajo los mismos principios descritos. Entre los métodos espectrofotométricos podemos mencionar, -‐ Métodos basados en la formación de complejos con colorantes, -‐ Método de Bradford -‐ Métodos basados en la formación de complejos de cobre, -‐ Reacción del Biuret -‐ Método del Ácido Bicinconínico -‐ Método de Lowry -‐ Métodos basados en la absorbancia natural de los aminoácidos con cadenas aromáticas: -‐ Medición de la absorbancia a 280 nm en muestras puras de proteínas -‐ Método de Warburg-‐Christian Al usar cualquier método espectrofotométrico es indispensable conocer su sensibilidad, intervalo de concentración de respuesta lineal y el coeficiente de extinción o factor de calibración. Como se determinó en el trabajo práctico anterior, esta información se obtiene mediante una curva de calibración. En general, no existe un método completamente satisfactorio para medir la concentración de proteínas de una muestra. La elección de un método dependerá de;
-‐ La naturaleza de la muestra (pura o mezcla de proteínas), -‐ La presencia de compuestos interferentes, -‐ La rapidez y sensibilidad requerida, -‐ Factores como la complejidad del ensayo y los costos, 1. Cuantificación de proteínas por métodos colorimétricos basados en su unión a colorantes: 1.1. Método de Bradford (Bradford y cols, 1976): Figura 1 Estructura química del Azul de Coomassie G-‐250 El reactivo de Bradford contiene un compuesto denominado azul de Coomassie G-‐250, el cual se encuentra disuelto en ácido fosfórico, H3PO4. En este ambiente ácido, el colorante azul de Coomassie presenta un color café rojizo, con un máximo de absorbancia a los 465 nm. Este compuesto puede formar complejos con proteínas, lo que determina un cambio de color, al azul, y un cambio del máximo de absorbancia a los 595 nm. La formación de complejos entre azul de Coomassie y proteínas se debe al establecimiento de interacciones no covalentes, particularmente a través de residuos de aminoácidos básicos (especialmente arginina, histidina y lisina) y aromáticos. Debido a que la cantidad de proteínas determina la cantidad de complejo formado con azul de Coomassie, la medición de absorbancia a 595 nm permite evaluar la concentración de proteínas. Este método permite la determinación de proteínas en un intervalo de concentraciones de 1 a 10 µg/ml. Figura 2 MÉTODO DE BRADFORD A. Formación del complejo entre el colorante Azul de Coomassie y las proteínas, B. Espectro de absorción del colorante Azul de Coomassie en presencia (máximo de absorbancia a los 595 nm) y ausencia de proteínas (máximo de absorbancia a los 465 nm)
A B
Desventajas: -‐ Debido a que la formación del complejo proteína-‐Coomassie está determinada por la presencia de aminoácidos particulares, la cantidad de estos puede influenciar la determinación. -‐ Incompatible con detergentes en concentraciones que se utilizan normalmente en el laboratorio. -‐ Algunas sustancias particulares, incompatibles con este método, son; Buffer Systems ACES, pH 7.8 100 mM N-‐Acetylglucosamine in PBS, pH 7.2, 100 mM Bicine, pH 8.4 100 mM Bis-‐Tris, pH 6.5 100 mM Calcium chloride in TBS, pH 7.2 10 mM CelLytic B Reagent undiluted, no interference CHES, pH 9.0 100 mM Cobalt chloride in TBS, pH 7.2 10 mM EPPS, pH 8.0 100 mM Ferric chloride in TBS, pH 7.2 10 mM Glycine 100 mM HEPES, pH 7.5 100 mM Imidazole, pH 7.0 200 mM MES (0.1 M), NaCl (0.9%), pH 4.7 undiluted MES, pH 6.1 100 mM MOPS, pH 7.2 100 mM Nickel chloride in TBS, pH 7.2 10 mM PBS; Phosphate (0.1 M), NaCl (0.15 M), pH 7.2, undiluted PIPES, pH 6.8 100 mM Sodium acetate, pH 4.8 180 mM Sodium bicarbonate 0.1 M Sodium citrate, pH 4.8 or pH 6.4 200 mM Sodium Citrate (0.6 M), MOPS (0.1 M), pH 7.5, undiluted Sodium phosphate 0.1 M TBS; Tris (25 mM), NaCl (0.15 M), pH 7.6, undiluted Tricine, pH 8.0 100 mM Triethanolamine, pH 7.8 100 mM Tris 2.0 M Tris (25 mM), Glycine (192 mM), pH 8.0, undiluted Tris (25 mM), Glycine (192 mM), SDS (0.1%), pH 8.3, 1:2 dilution Zinc chloride in TBS, pH 7.2 10 mM
Buffer Additives Ammonium sulfate 1.0 M Aprotinin 10 mg/L Asparagine 10 mM Cesium bicarbonate 0.1 M Glucose 1.0 M Glycerol 10% Guanidine•HCl 3.5 M Hydrochloric Acid 0.1 M Imidazole, pH 7.0 200 mM Leupeptin 10 mg/L Phenol Red 0.5 mg/ml PMSF 1 mM Sodium azide 0.5% Sodium chloride 5.0 M Sodium Hydroxide 0.1 M
2. Cuantificación de proteínas por métodos colorimétricos basados en la formación de complejos de cobre: 2.1. Método de Biuret (Riegler y cols, 1914): El reactivo de Biuret está constituido de una mezcla de, KOH, Cu+2 y tartrato de sodio ((2R,3R)-‐2,3-‐ dihydroxybutanedioate, que permite estabilizar los iones Cu+2 en solución). Los iones Cu+2 del reactivo pueden formar complejos con péptidos (de 3 o más aminoácidos), a través de su interacción con los nitrógenos del enlace amida. El complejo de cobre formado presenta un color azul, con absorbancia a 540 nm. En condiciones alcalinas, posteriormente, se produce la reducción de Cu+2 a Cu+1.
Debido a que la formación de complejos de cobre depende de la cantidad de enlaces peptídicos (los cuales están determinados por la cantidad de proteínas), la evaluación de la absorbancia a 540 nm permite calcular la concentración de proteínas. Figura 3 MÉTODO DE BIURET +2 Formación del complejo proteína-‐Cu , el cual presenta un máximo de absorbancia a los 540 nm
OH-‐
PROTEÍNAS + Cu+2
Cu+2
Cu+1
AZUL A max = 540 nm
El nombre de este método, Biuret, tiene su origen en la siguiente reacción; Figura 4 REACCIÓN DE BIURET Corresponde a la condensación de dos moléculas de urea formando un compuesto denominado Biuret, la molécula más simple capaz de formar un 2 complejo con Cu
En esta reacción, el denominado compuesto Biuret (que corresponde a la condensación de 2 moléculas de urea), se compleja con Cu+2 en un medio alcalino. La molécula Biuret, es la forma química más pequeña capaz de formar un complejo con Cu+2. Ventajas: -‐ Es un método rápido y fácil de realizar. -‐ Presenta pocas interferencias. -‐ La determinación no se ve influenciada por la composición aminoacídica de la proteína. -‐ El complejo es estable durante 1 hora. Desventajas: -‐ Baja sensibilidad (requiere altas concentraciones de proteínas). El intervalo útil es desde 0,5 a 10 mg/ml de proteína.
* La formación de este complejo de Cu+2 y su posterior reducción a un ion cuproso, Cu+, son la base para el desarrollo de métodos de mayor sensibilidad como el método de Lowry (Lowry y cols, 1951) y el método del ácido bicinconínico (Smith y cols, 1985). 2.2. Método del Ácido Bicinconínico BCA (Smith y cols, 1985): Este método se fundamenta en la determinación de absorbancia a 562 nm, longitud de onda a la cual absorbe el compuesto formado en este ensayo, que corresponde a un complejo de BCA con iones Cu+1. La formación de este complejo se produce en 2 etapas; Primera etapa: corresponde a una reacción de Biuret típica, en la cual péptidos que contengan 3 o más residuos aminoacídicos actúan como quelantes de iones Cu+2, el cual en condiciones alcalinas es reducido a Cu+, generándose un complejo de color azul que absorbe a 540 nm. Segunda etapa: Los iones Cu+1, generados en la primera etapa, forman un complejo con 2 moléculas de BCA, el cual presenta un color violeta con absorbancia en los 562 nm. Figura 5 MÉTODO DEL Á CIDO BICINCONÍNICO, BCA +2 +1 Implica la reducción del Cu a Cu , y la posterior formación de un complejo con BCA, el cual presenta un máximo de absorbancia a los 562 nm
Cu+1 + 2 BCA
Complejo BCA – Cu+1
VIOLETA A max = 562 nm
Por lo tanto, debido a que el número de enlaces peptídicos determina la cantidad de Cu+1 producido, la determinación de absorbancia a 562 nm, dada por el complejo BCA-‐Cu+1, permite estimar la concentración de proteínas. Ventajas: -‐ Compatible con surfactantes y denaturantes (es el método que presenta menos interferencias). -‐ Muy sensible. -‐ La determinación presenta escasa variación entre proteínas (similar al método de Lowry y menor a los métodos basados en Azul de Coomassie). -‐ Fácil y rápido de realizar.
Desventajas: -‐ Incompatible con agentes reductores y sustancias que puedan quelar Cu. ¿Por qué? -‐ Aminoácidos libres reductores (triptófano, tirosina y cisteína) pueden afectar la determinación. -‐ La determinación es dependiente de la composición aminoácidica de la proteína, siendo influenciada por el contenido de residuos de triptófano, tirosina y cisteína. 2.3. Método de Lowry (Lowry y cols, 1951): Este método se basa en la detección de la forma reducida del reactivo de Folin-‐Ciocalteu, la cual presenta un color azul intenso que absorbe a los 750 nm. Reactivo de Folin-‐Ciocalteu: Na2MoO4 + Na2WoO4 + H3PO4. La formación del compuesto coloreado requiere de 2 etapas. Primera etapa: corresponde a una reacción de Biuret típica (la cual también está presente el método del BCA). Recordemos que en esta etapa se produce Cu+. Segunda etapa: se incorpora el reactivo de Folin-‐Ciocalteu, el cual es reducido por el Cu+ (esto también puede ser influenciado por residuos de aminoácidos reductores. La forma reducida del reactivo es azul intenso, y absorbe a los 750 nm. Debido a que el número de enlaces peptídicos determina la cantidad de Cu+1 producido, la magnitud de la forma reducida del reactivo de Folin-‐Ciocalteu es proporcional a la cantidad de proteínas. Figura 6 MÉTODO DE LOWRY +1 Implica la reducción del reactivo de Folin-‐Ciocalteu acoplada a la oxidación del Cu . L a forma reducida del reactivo presenta un máximo de absorbancia a los 750 nm Forma oxidada Forma reducida
Reactivo de Folin-‐Ciocalteu
AZUL A max = 750 nm
Reactivo de Folin-‐Ciocalteu
+1
Cu -‐ PROTEÍNAS
OH
-‐
Cu+2 -‐ PROTEÍNAS
Ventajas: -‐ Buena sensibilidad y precisión. Desventajas: -‐ Incompatible con agentes reductores, sustancias que puedan quelar el Cu y detergentes. -‐ Aminoácidos libres reductores pueden influenciar la determinación. -‐ La determinación es dependiente de la composición aminoácidica de la proteína, siendo influenciada por el contenido de residuos de triptófano, tirosina y cisteína. -‐ Requiere mayor tiempo.
-‐ Algunos interferentes específicos son; urea, guanidina·∙HCl, sacarosa, sulfato de amonio, Tris·∙HCl > 0.1M, acetato de sodio >1M o fosfato de sodio, EDTA. 3. Cuantificación de proteínas por métodos basados en su absorbancia natural: 3.1. Cuantificación de proteínas por medición de absorbancia a 280 nm: Las proteínas presentan un máximo de absorbancia a los 280 nm como consecuencia de la presencia de los aminoácidos aromáticos triptófano y tirosina (también contribuyen, aunque en menor grado, fenilalanina y los puentes disulfuro). Por lo tanto, es posible cuantificar proteínas a través de la medición directa de la absorbancia a 280 nm, esto es, sin un tratamiento previo, aunque como en todas las metodologías se requiere la realización de una curva de calibración. Ventajas: -‐ Fácil y rápido de realizar. -‐ Es un método de determinación directa, ya que no involucra una reacción. -‐ Bajo costo. -‐ Requiere pequeñas cantidades de muestra. -‐ La muestra puede ser recuperada. Desventajas: -‐ Debe utilizarse en muestras puras de proteínas que no presenten contenido de ácidos nucleicos, ya que estos últimos presentan un máximo de absorbancia a 260 nm (cercano a los 280 nm a los cuales se ubica en máximo de absorbancia de las proteínas), lo cual puede afectar la determinación. -‐ Elevada variabilidad. Debido a que la absorbancia a 280 nm depende del contenido de tirosina y triptófano, existe diferencia en la absorbancia a 280 nm entre diferentes proteínas. -‐ Incompatible con detergentes y agentes denaturantes. 3.2. Cuantificación de proteínas por medición de absorbancia a 280 y 260 nm, Método de Warburg-‐Christian (Warburg y Christian, 1941): Este ensayo se realiza en las mismas condiciones que el anterior, y tiene como objetivo establecer la concentración de proteínas excluyendo la interferencia de los ácidos nucleicos. Consiste en medir la absorbancia a 260 y 280 nm, longitudes de onda a las cuales presentan un máximo de absorbancia ácidos nucleicos y proteínas respectivamente. El cociente de estas absorbancias permite establecer el porcentaje de ácidos nucleicos en la muestra, y un factor de corrección que posibilita determinar la concentración de proteínas excluyendo la interferencia de los ácidos nucleicos.
Conociendo el factor de corrección previamente mencionado, se puede determinar la concentración de proteínas de la siguiente manera; 𝒎𝒈 𝑷𝒓𝒐𝒕𝒆í𝒏𝒂 = 𝑨𝟐𝟖𝟎 ×𝑭𝒂𝒄𝒕𝒐𝒓 𝒅𝒆 𝒄𝒐𝒓𝒓𝒆𝒄𝒄𝒊ó𝒏 𝒎𝒍
A continuación se muestra el porcentaje de ácidos nucleicos y factor de corrección en función de la relación A280/A260; Razón A280/A260 1.75 1.60 1.50 1.40 1.30 1.25 1.20 1.15 1.10 1.05 1.00 0.96 0.92 0.88 0.86
% Ácidos Nucleicos 0 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 3.75 4.25 5.00 5.25
Factor de corrección para una celda de 1 cm 1.105 1.075 1.05 1.025 0.995 0.975 0.95 0.91 0.87 0.835 0.80 0.785 0.755 0.715 0.705
Razón A280/A260 0.84 0.82 0.80 0.78 0.76 0.74 0.72 0.70 0.68 0.66 0.65 0.64 0.62 0.60 0.49
% Ácidos Nucleicos 5.50 6.00 6.50 7.25 8.00 8.75 9.50 10.75 12.00 13.50 14.50 15.25 17.5 20.00 100.0
Factor de corrección para una celda de 1 cm 0.69 0.67 0.645 0.615 0.59 0.565 0.54 0.51 0.48 0.45 0.43 0.415 0.38 0.35
3.3. Otras metodologías de cuantificación basadas en la absorbancia natural de las proteínas: También es posible cuantificar proteínas a través de la determinación de absorbancia a entre 220 y 240 nm, donde presentan un máximo de absorbancia los enlaces peptídicos y los grupos carboxílicos. Sin embargo, esto es útil solo para muestras puras de proteínas, ya que muchas sustancias presentan absorbancia en este intervalo de longitud de onda. Actividad N° 1, Determinación de la concentración de proteínas en muestra problema mediante el método de Bradford a) Reactivos: Reactivo de Bradford, solución patrón de BSA, muestra problema. b) Procedimiento: 1. Preparación de las soluciones patrón: El método mide adecuadamente concentraciones de proteína entre 1 y 10 µg/ml. En consecuencia, genere una tabla para preparar 5 soluciones dentro de ese intervalo de concentraciones. Considere que cada solución de proteína debe contener 200 µl del reactivo Bradford y el volumen de la alícuota de la solución patrón. El volumen final de cada solución debe ser de 1 ml. Utilice la siguiente tabla como referencia para realizar la curva de calibración.
2. Medición de absorbancia de las soluciones patrón. Una vez preparadas las soluciones patón proceda a medir la absorbancia a 595 nm. Consideraciones: -‐ Recuerde realizar el blanco correspondiente. -‐ El reactivo de Bradford debe ser el último componente en ser agregado, ¿Por qué? -‐ El reactivo de Bradford es bastante viscoso por lo que es imprescindible agitar vigorosamente las soluciones una vez agregado el reactivo. -‐ Mezcle bien, espere 5 min antes de realizar la medición de absorbancia. -‐ Para obtener el error del método realice las mediciones en triplicado. Registre sus datos en la siguiente tabla.
3. Medición de la absorbancia de las muestras problema. Prepare las muestras problema según lo que se indica en la siguiente tabla y realice la medición de absorbancia como lo hizo anteriormente. Mida la absorbancia de la muestra problema más de una vez, con ello podrá obtener la concentración de la muestra con el error de la determinación.
Actividad N° 2, Determinación de la concentración de proteínas en muestras problema mediante el método de Biuret a) Reactivos: Reactivo de Biuret, solución patrón de BSA, muestra problema. b) Procedimiento: 1. Preparación de las soluciones patrón: Siguiendo la misma lógica que en caso del método de Bradford, prepare 5 soluciones entre 0,5 a 5 mg/ml de proteína. Considere que debe agregar 500 µL de reactivo de Biuret a cada solución, y obtener un volumen final de 1ml. Utilice la siguiente tabla como referencia para realizar la curva de calibración.
2. Medición de absorbancia de las soluciones patrón: Agregue finalmente el reactivo de Biuret, mezclar y luego de 20 minutos medir la absorbancia a 540 nm. Para obtener el error del método realice las mediciones en triplicado. Recuerde realizar el blanco correspondiente. Registre sus mediciones en la siguiente Tabla.
3. Medición de la absorbancia de las muestras problema. Prepare las muestras problema según lo que se indica en la siguiente tabla y realice la medición de absorbancia como lo hizo anteriormente. Realice 3 veces la medición de la muestra para obtener el error de la determinación.
Preguntas:
-‐ ¿Qué información se debe conocer antes de medir la concentración de proteínas de una muestra? -‐ ¿Por qué cree Ud. que es conveniente determinar la concentración de proteínas utilizando más de un método? -‐ Tratamiento estadístico. ¿Cómo expresará el error en las mediciones?, ¿Cómo determinará el número de cifras significativas y el error asociado al reportar la concentración de la muestra problema? -‐ Observe la ecuación que define la ley de Lamber y Beer y explique por qué algunos métodos para medir proteínas son más sensibles que otros?
Referencias: -‐ Aitken, A., Learmonth, M. (1996). P rotein D etermination b y U V A bsorption. The Protein Protocols Handbook. 3-‐6. -‐ Bradford, M. M. (1976). A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-‐dye binding. Analytical biochemistry 72, 248-‐254. -‐ Lowry, O. H., Rosebrough, N. J., Farr, A. L., and Randall, R. J. (1951). Protein measurement with the Folin phenol reagent. The Journal of Biological Chemistry 193, 265-‐275. -‐ Riegler, E., A (1914). Colorimetric Method for the Determination of Plasma Albumin, Z. Analytical biochemistry 53, 242. -‐ Smith, P. K., Krohn, R. I., Hermanson, G. T., Mallia, A. K., Gartner, F. H., Provenzano, M. D., Fujimoto, E. K., Goeke, N. M., Olson, B. J., and Klenk, D. C. (1985). Measurement of protein using bicinchoninic acid. Analytical biochemistry 150, 76-‐ 85. Anexo. -‐ Thermo Scientific Pierce Protein Assay Technical Handbook. Versión 2. 15-‐30. -‐ Warburg, O. and Christian, W (1941). Biochemistry. Z. 310, 384-‐421.
Trabajo Práctico N° 2 Cuantificación de la concentración de proteínas Nombre _____________________________________ Grupo_________ Fecha________________ 1. Datos actividad 1, determinación de la concentración de proteínas mediante el método de Bradford. 1.1. Datos curva de calibración: Solución Concentración Absorbancia de BSA 1era Medición 1 2 3 4 5 1.2. Datos muestra: Medición Volumen de muestra utilizado en 1 ml de solución 1 2 3
Absorbancia 2da Medición
Absorbancia 3era Medición
Factor de dilución
Absorbancia
2. Datos actividad 2, determinación de la concentración de proteínas mediante el método de Biuret. 2.1. Datos curva de calibración: Solución Concentración Absorbancia de BSA 1era Medición 1 2 3 4 5 2.2. Datos muestra: Medición Volumen de muestra utilizado en 1 ml de solución 1 2 3
Absorbancia 2da Medición
Absorbancia 3era Medición
Factor de dilución
Absorbancia