【물리학 - 전자기학】 05. 전기영동

 

전기영동

Electrophoresis

 

그림 1. 전기장 내 고분자의 전기영동 [출처: Wikipedia, "Electrophoresis"]

 

전기영동: 대전된 입자 또는 용해된 하전 분자가 균일한 전기장의 영향 아래 점성 유체를 따라 상대적으로 운동하는 현상

• 유체 속에서 대전된 입자는 고분자(macromolecule)로 전하의 특성에 따라 분리된다. ⇒ 고분자는 분자량이 1만 이상으로 질량 분포가 균질하지 않아 녹는점과 끓는점 또한 일정하지 않다.

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고분자의 이동 방향에 따라 두 가지로 나뉜다.

1. 카타포레시스(cataphoresis): 양전하를 가진 입자 전기영동, 음극(cathode)을 향해 움직이며, 양극(anode)에서 출발한다.
2. 아나포레시스(anaphoresis): 음전하를 가진 입자 전기영동, 양극을 향해 움직이며, 음극에서 출발[그림 2]한다.

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그림 2. 아나포레시스

 

 

 

예를 들어 DNA를 전기영동하는 경우 DNA에 존재하는 인산기(phosphate)에 의해 DNA는 음전하를 띠게 되고, 아나포레시스를 통해 DNA의 절편들을 구분[그림 3]할 수 있게 된다.

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그림 3. DNA의 인산기(좌)와 DNA 전기영동(우)

 

 

스웨덴의 생물학자 아르네 티셀리우스(Arne W. K. Tiselius, 1902-1971)가 혈청 단백질을 분류하는 과정에서 전기영동 기술을 정교하게 고안했으며, 이 공로를 인정받아 1948년 노벨 화학상을 수상하였다.

Arne W. K. Tiselius, 1902-1971

 

 

전기영동의 원리

Principle of Electrophoresis

 

전기영동은 하전된 분자 또는 입자가 전기장 하에서 액체 내에 움직이는 현상으로, 양극 또는 음극을 향해 이동하며 이때 전기장이 힘을 가한다. 단, 입자 표면에 존재하는 전기 이중층(double layer)[그림 1]에 의해 그 힘이 조정된다.

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우선 전기영동에서 고분자는 전기력을 다음 식과 같이 받는다.

 

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이때 움직이는 입자는 유체 속을 움직이며 점성 저항력 또한 받는다. 점성 저항력은 스토크스의 법칙을 따른다.

 

 

• η: 고분자가 들어있는 유체의 점성
• r: 고분자의 반지름
• v: 전기영동이 된 입자의 이동속도
• 전기영동 시 고분자의 움직임은 전기력과 점성 저항력이 서로 반대 방향으로 팽팽하게 작용하여 '준정상 상태(quasi-steady)'의 정상흐름을 보여준다.

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힘의 평형 관계에 의해 전기력과 스토크스 법칙은 아래와 같이 쓸 수 있다.

 

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전기장에 의한 고분자의 이동속도는 결국 아래와 같이 정리된다.

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전기영동 시 고분자 이동속도

 

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<물리량>

• μ_ep: 고분자 이동도 또는 전기영동 이동도
• E: 고분자에 가해진 전기장 크기
• v: 고분자의 정상흐름 속도

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고분자의 정상흐름 속도는 아래과 같은 요소들에 의해 결정된다.

• 고분자의 반지름 r이 작을수록 전기영동 시 고분자 이동속도는 빨라진다.
• 고분자가 들어있는 용액 또는 유체의 점도가 작을수록 전기영동 시 고분자 이동속도는 빨라진다.
• 고분자에 걸어준 전기장의 크기가 클수록 전기영동 시 고분자 이동속도는 빨라진다.
• 고분자 내의 전하량이 클수록 전기영동 시 고분자 이동속도는 빨라진다.

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예를 들어 두 종류의 DNA 조각이 있을 때 육안으로는 둘 중 누가 더 큰 것인지 판단할 수 없다. 따라서 전기영동을 통해 둘의 이동속도를 구분함으로써 그 크기의 비를 간접적으로 구할 수 있는데 식은 다음과 같다.

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만약 DNA 조각 A가 DNA 조각 B보다 전기영동 이동속도가 더 빨랐다면, 주어진 전기장 등 나머지 조건이 동일하므로 조각 A의 반지름이 조각 B의 반지름보다 작을 것이다.

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아가로스 겔 | Agarose Gel

 

그림 4. 전기영동에서 아가로스 겔의 위치

 

아가로스 겔은 우뭇가사리 등 홍조류로부터 추출되는 물질로 DNA 전기영동에서 완충용액으로 사용된다. 아가로스 겔 내에서 DNA 조각 등 고분자는 점성 저항을 받는다.

• 아가로스의 농도가 높을수록 더욱 촘촘한 그물망이 형성되므로 DNA 조각의 통과 속도는 느려진다. ⇒ 아가로스의 농도를 더 높일수록 더 작은 사이즈의 DNA 조각을 추출[표 1]할 수 있다.

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표 1. 아가로스 농도와 DNA 조각의 분자량 [출처: Molecular cloning]

 

 

그림 5. DNA 전기영동

 

 

[그림 5]와 같이 아가로스 겔 내부에 DNA를 놓고 전기영동을 하였을 때, 전기장을 걸어준 시간이 길수록 (1)DNA 조각들이 일제히 (+)극(아래쪽)을 향해 이동하면서 동시에 (2)다양한 DNA 조각들이 검출되는 것을 알 수 있다. 이때 (+)극에 가까운 DNA 조각일수록 (물리적으로) 그 반지름은 먼 것보다 더욱 작은 것이며, 이 조각들 자체가 생명체가 가지고 있는 분절된 정보 단위이기 때문에, 종(種, species)들간의 유사성을 판단하는 단서이기도 하다.