ZENTRIFUGATION: WORAUS ES BESTEHT, TYPEN, WICHTIGKEIT, BEISPIELE - CHEMIE - 2024

Die Zentrifugation ist eine Technik, ein Verfahren oder ein Verfahren, bei dem Moleküle oder Partikel mit unterschiedlichen Dichten mechanisch oder physikalisch getrennt werden und auch in einem flüssigen Medium vorliegen. Sein Eckpfeiler ist die Anwendung der Zentrifugalkraft, die von einer als Zentrifuge bezeichneten Ausrüstung ausgeübt wird.

Durch Zentrifugation können die Komponenten einer Flüssigkeitsprobe getrennt und analysiert werden. Unter diesen Komponenten befinden sich die verschiedenen Klassen von Molekülen oder Partikeln. Als Partikel wird unter anderem auf verschiedene Zellfragmente, auf Zellorganellen, sogar auf verschiedene Zelltypen Bezug genommen.

Zentrifuge. Quelle: Matt Janicki über Flickr

Theodor Svedger gilt als einer der führenden Pioniere der Zentrifugationsforschung. Der Nobelpreis von 1926 stellte fest, dass Moleküle oder Partikel mit eigenen Größen unterschiedliche Sedimentationskoeffizienten S haben. Das "S" stammt von Svedger zu Ehren seiner Arbeit.

Die Partikel weisen daher charakteristische Sedimentationsraten auf. Dies bedeutet, dass sich nicht alle unter der Wirkung einer Zentrifugalkraft, ausgedrückt in Umdrehungen pro Minute (U / min), oder in Abhängigkeit vom Rotorradius (relative Zentrifugalkraft, g) gleich verhalten.

Zu den Faktoren, die S und seine Geschwindigkeit bestimmen, gehören beispielsweise die Eigenschaften der Moleküle oder Partikel; die Eigenschaften des Mediums; die Technik oder Methode der Zentrifugation; und die Art der verwendeten Zentrifuge unter anderem.

Die Zentrifugation wird nach ihrer Nützlichkeit klassifiziert. In präparativer Hinsicht, wenn es auf die Trennung der Bestandteile der Probe beschränkt ist; und in der Analytik, wenn auch versucht wird, das abgetrennte Molekül oder Teilchen zu analysieren. Zum anderen kann es auch anhand der Prozessbedingungen klassifiziert werden.

Die Zentrifugation in ihren verschiedenen Arten war für die Weiterentwicklung der wissenschaftlichen Erkenntnisse von wesentlicher Bedeutung. In Forschungszentren eingesetzt, hat es unter anderem das Verständnis komplexer biochemischer und biologischer Prozesse erleichtert.

Woraus besteht es? (Prozess)

Basis der Zentrifugation

Der Zentrifugationsprozess basiert auf der Tatsache, dass sich die Moleküle oder Partikel, aus denen eine Probe in Lösung besteht, drehen, wenn sie sich in einer als Zentrifuge bezeichneten Vorrichtung drehen. Dies bewirkt die Trennung der Partikel von der sie umgebenden Umgebung, wenn sie sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten absetzen.

Der Prozess basiert speziell auf der Sedimentationstheorie. Demnach setzen sich die Partikel mit einer höheren Dichte ab, während der Rest der Substanzen oder Bestandteile der Umgebung suspendiert bleibt.

Warum? Weil Moleküle oder Partikel ihre eigenen Größen, Formen, Massen, Volumina und Dichten haben. Daher gelingt es nicht allen, auf die gleiche Weise zu sedimentieren, was sich in einem anderen Sedimentationskoeffizienten S niederschlägt. und folglich mit einer anderen Sedimentationsrate.

Diese Eigenschaften ermöglichen es, dass Moleküle oder Partikel bei einer bestimmten Zentrifugationsgeschwindigkeit durch Zentrifugalkraft getrennt werden.

Zentrifugalkraft

Die Zentrifugalkraft wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst, die die Sedimentation bestimmen: diejenigen, die den Molekülen oder Partikeln eigen sind; auf die Merkmale der Umgebung, in der sie gefunden werden; und Faktoren, die sich auf die Zentrifugen beziehen, in denen das Zentrifugationsverfahren durchgeführt wird.

In Bezug auf die Moleküle oder Partikel beeinflussen die Masse, das spezifische Volumen und der Flotationsfaktor derselben die Sedimentationsfaktoren.

In Bezug auf die Umgebung, die sie umgibt, sind die Masse des verdrängten Lösungsmittels, die Dichte des Mediums, der Vorschubwiderstand und der Reibungskoeffizient wichtig.

In Bezug auf die Zentrifuge sind die wichtigsten Faktoren, die den Sedimentationsprozess beeinflussen, der Rotortyp, die Winkelgeschwindigkeit, die Zentrifugalkraft und folglich die Zentrifugalgeschwindigkeit.

Arten von Zentrifugen

Es gibt verschiedene Arten von Zentrifugen, mit denen die Probe unterschiedlichen Zentrifugationsgeschwindigkeiten ausgesetzt werden kann.

Abhängig von der maximalen Geschwindigkeit, die sie erreichen, ausgedrückt in Zentrifugalbeschleunigung (relative Zentrifugalkraft g), können sie einfach als Zentrifugen mit einer maximalen Geschwindigkeit von ungefähr 3.000 g klassifiziert werden.

In den sogenannten Superzentrifugen kann ein größerer Drehzahlbereich nahe 25.000 g erreicht werden. Und in Ultrazentrifugen ist die Geschwindigkeit viel höher und erreicht 100.000 g.

Nach anderen Kriterien gibt es Tischmikrozentrifugen oder Zentrifugen, die speziell für die Durchführung des Zentrifugationsprozesses mit einem kleinen Probenvolumen im Bereich von 12.000 bis 15.000 g entwickelt wurden.

Es gibt Zentrifugen mit hoher Kapazität, die das Zentrifugieren größerer Hochgeschwindigkeitsprobenvolumina wie Ultrazentrifugen ermöglichen.

Im Allgemeinen müssen mehrere Faktoren gesteuert werden, um den Rotor und die Probe vor Überhitzung zu schützen. Hierzu wurden unter anderem Ultrazentrifugen mit speziellen Vakuum- oder Kühlbedingungen hergestellt.

Rotortypen

Eines der bestimmenden Elemente ist der Rotortyp, eine Vorrichtung, die sich dreht und wo die Rohre platziert sind. Es gibt verschiedene Arten von Rotoren. Zu den wichtigsten zählen Schwingenrotoren, Rotoren mit festem Winkel und vertikale Rotoren.

Beim Kippen von Rotoren erhalten die Rohre beim Platzieren der Rohre in den Vorrichtungen dieses Rotortyps und beim Drehen eine Anordnung senkrecht zur Rotationsachse.

Bei Rotoren mit festem Winkel befinden sich die Proben in einer festen Struktur. wie im Bild und in vielen Zentrifugen zu sehen.

Und in den vertikalen Rotoren einiger Ultrazentrifugen drehen sich die Rohre parallel zur Rotationsachse.

Arten der Zentrifugation

Die Arten der Zentrifugation variieren je nach Anwendungszweck und den Bedingungen, unter denen das Verfahren durchgeführt wird. Diese Bedingungen können je nach Art der Probe und der Art der zu trennenden und / oder zu analysierenden Probe unterschiedlich sein.

Es gibt ein erstes Klassifizierungskriterium, das auf dem Ziel oder Zweck seiner Leistung basiert: präparative Zentrifugation und analytische Zentrifugation.

Vorbereitende Zentrifugation

Es erhält diesen Namen, wenn durch Zentrifugation hauptsächlich Moleküle, Partikel, Zellfragmente oder Zellen für ihre spätere Verwendung oder Analyse isoliert oder getrennt werden. Die Probenmenge, die im Allgemeinen für diesen Zweck verwendet wird, ist relativ groß.

Analytische Zentrifugation

Eine analytische Zentrifugation wird durchgeführt, um die physikalischen Eigenschaften wie den Sedimentationskoeffizienten und die Molekülmasse der abgesetzten Partikel zu messen oder zu analysieren.

Eine auf diesem Ziel basierende Zentrifugation kann durchgeführt werden, indem verschiedene standardisierte Bedingungen angewendet werden; wie dies beispielsweise bei einer der analytischen Ultrazentrifugationstechniken der Fall ist, mit der die getrennten Moleküle oder Partikel analysiert werden können, selbst wenn eine Sedimentation stattfindet.

In bestimmten Fällen kann die Verwendung von Quarzzentrifugenröhrchen erforderlich sein. Sie ermöglichen somit den Durchgang von sichtbarem und ultraviolettem Licht, da während des Zentrifugationsprozesses die Moleküle mit einem optischen System beobachtet und analysiert werden.

Genau genommen gibt es andere Klassifizierungskriterien in Abhängigkeit von den Eigenschaften oder Bedingungen, unter denen der Zentrifugationsprozess durchgeführt wird. Dies sind: Differentialzentrifugation, Zonen- oder Bandzentrifugation und Isopycnic- oder Sedimentationsgleichgewichtszentrifugation.

Differentialzentrifugation

Diese Art der Zentrifugation besteht darin, eine Probe für eine bestimmte Zeit und Geschwindigkeit einer Zentrifugation zu unterziehen, im Allgemeinen mit einem Winkelrotor.

Es basiert auf der Trennung von Partikeln aufgrund ihrer unterschiedlichen Sedimentationsgeschwindigkeit, die in direktem Zusammenhang mit ihrer Größe steht. Diejenigen, die immer größer sind, setzen sich am Boden der Röhre ab; während diejenigen, die kleiner sind, suspendiert bleiben.

Eine suspendierte Trennung des Niederschlags ist bei dieser Art der Zentrifugation von entscheidender Bedeutung. Suspendierte Partikel müssen dekantiert oder aus dem Röhrchen entfernt werden, damit das Sediment oder Pellet zur anschließenden Reinigung in einem anderen Lösungsmittel suspendiert werden kann. das heißt, es wird wieder zentrifugiert.

Diese Art von Technik ist zum Trennen von Molekülen nicht nützlich. Stattdessen kann es verwendet werden, um beispielsweise zelluläre Organellen, Zellen und andere Partikel zu trennen.

Zonen- oder Bandzentrifugation

Die Zonen- oder Bandzentrifugation führt die Trennung der Komponenten der Probe basierend auf der Differenz von S durch, wenn sie durch ein Medium mit einem vorgeformten Dichtegradienten geleitet wird; wie Ficoll oder Saccharose zum Beispiel.

Die Probe wird auf den Gradienten des Reagenzglases gelegt. Als nächstes wird mit hoher Geschwindigkeit zentrifugiert und die Trennung erfolgt in verschiedenen Bändern, die entlang der Mitte angeordnet sind (als wäre es eine Gelatine mit mehreren Schichten).

Partikel mit einem niedrigeren Wert von S verbleiben am Anfang des Mediums, während Partikel, die größer sind oder ein höheres S haben, zum Boden des Röhrchens gehen.

Mit diesem Verfahren können die in den verschiedenen Sedimentationsbändern gefundenen Komponenten getrennt werden. Es ist wichtig, die Zeit gut zu kontrollieren, um zu vermeiden, dass sich alle Moleküle oder Partikel der Probe am Boden des Röhrchens absetzen.

Isopycnic Zentrifugation und andere Arten

-Es gibt viele andere Arten der Zentrifugation, wie z. B. Isopycnic. Dies ist auf die Trennung von Makromolekülen spezialisiert, auch wenn diese vom gleichen Typ sind. DNA passt sehr gut in diese Art von Makromolekülen, da sie Variationen in den Sequenzen und der Menge ihrer stickstoffhaltigen Basen aufweist; und daher Sediment mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten.

-Es gibt auch eine Ultrazentrifugation, durch die die Sedimentationseigenschaften von Biomolekülen untersucht werden, ein Prozess, der beispielsweise mit ultraviolettem Licht überwacht werden kann.

Es war nützlich, um subzelluläre Strukturen oder Organellen zu verstehen. Es hat auch Fortschritte in der Molekularbiologie und bei der Entwicklung von Polymeren ermöglicht.

Anwendungen

Es gibt unzählige Bereiche des täglichen Lebens, in denen die verschiedenen Arten der Zentrifugation eingesetzt werden. Sie werden unter anderem im Gesundheitswesen, in bioanalytischen Labors, in der Pharmaindustrie eingesetzt. Seine Bedeutung kann jedoch in zwei Worten zusammengefasst werden: trennen und charakterisieren.

Trennt Partikel

In der Chemie haben sich verschiedene Zentrifugationstechniken aus vielen Gründen als äußerst wichtig erwiesen.

Es ermöglicht die Trennung von zwei mischbaren Molekülen oder Partikeln. Hilft bei der Entfernung unerwünschter Verunreinigungen, Substanzen oder Partikel in einer Probe; Zum Beispiel eine Probe, bei der Sie nur Proteine ​​konservieren möchten.

In einer biologischen Probe wie Blut kann das Plasma durch Zentrifugation von der Zellkomponente getrennt werden. Dies trägt zur Durchführung verschiedener Arten von biochemischen oder immunologischen Tests an Plasma oder Serum sowie für Routine- oder Spezialstudien bei.

Selbst durch Zentrifugation können die verschiedenen Zelltypen getrennt werden. Beispielsweise können aus einer Blutprobe rote Blutkörperchen von Leukozyten oder weißen Blutkörperchen sowie von Blutplättchen getrennt werden.

Der gleiche Nutzen kann durch Zentrifugation in einer der biologischen Flüssigkeiten erzielt werden: Urin, Liquor cerebrospinalis, Fruchtwasser, unter vielen anderen. Auf diese Weise können unterschiedlichste Analysen durchgeführt werden.

Als Charakterisierungstechnik

Es hat auch ermöglicht, die Eigenschaften oder hydrodynamischen Eigenschaften vieler Moleküle zu untersuchen oder zu analysieren; hauptsächlich von komplexen Molekülen oder Makromolekülen.

Sowie zahlreiche Makromoleküle wie Nukleinsäuren. Es hat es unter vielen anderen Anwendungen sogar einfacher gemacht, Details der Subtypen desselben Moleküls wie RNA zu charakterisieren.

Beispiele für Zentrifugation

- Dank der verschiedenen Zentrifugationstechniken wurden Fortschritte bei der genauen Kenntnis komplexer biologischer Prozesse wie Infektionskrankheiten und Stoffwechsel erzielt.

- Durch Zentrifugation wurden viele ultrastrukturelle und funktionelle Aspekte von Molekülen und Biomolekülen aufgeklärt. Unter solchen Biomolekülen sind die Proteine ​​Insulin und Hämoglobin; und andererseits Nukleinsäuren (DNA und RNA).

- Mit der Unterstützung der Zentrifugation wurde das Wissen und Verständnis vieler lebenserhaltender Prozesse erweitert. Einer von ihnen ist der Krebszyklus.

In diesem Bereich der Nützlichkeit hat es das Wissen über die Moleküle beeinflusst, aus denen die Atmungskette besteht. Dies gibt unter anderem Aufschluss über das Verständnis des komplexen Prozesses der oxidativen Phosphorylierung oder der echten Zellatmung.

- Schließlich hat es zur Untersuchung verschiedener Prozesse wie Infektionskrankheiten beigetragen, indem es die Analyse des Weges ermöglichte, dem die von einem Phagen (Bakterienvirus) injizierte DNA und die von der Wirtszelle synthetisierten Proteine ​​folgen.

Verweise

1. Parul Kumar. (sf). Zentrifuge: Einführung, Typen, Verwendungen und andere Details (mit Diagramm). Entnommen aus: Biologydiscussion.com
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3. Grundlagen der Biochemie und Angewandten Molekularbiologie. (Bachelor of Biology) Thema 2: Zentrifugation. . Entnommen aus: ehu.eus
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5. Wikipedia. (2018). Zentrifugation. Entnommen aus: en.wikipedia.org