CENTRIFUGÁCIA: Z ČOHO POZOSTÁVA, TYPY, VÝZNAM, PRÍKLADY - CHÉMIA - 2026

Odstreďovanie je metóda, metóda alebo postup, mechanicky alebo fyzicky oddeľovanie molekúl alebo častíc s rôznou hustotou, a sú tiež prítomné v kvapalnom médiu. Jej základným kameňom je použitie odstredivej sily, ktorú aplikuje zariadenie nazývané odstredivka.

Odstredením sa môžu zložky tekutej vzorky oddeliť a analyzovať. Medzi tieto zložky patria rôzne triedy molekúl alebo častíc. Ako častice sa odkazuje na rôzne bunkové fragmenty, na organely buniek, medzi inými aj na rôzne typy buniek.

Odstredivka. Zdroj: Matt Janicki cez Flickr

Theodor Svedger je považovaný za jedného z vedúcich priekopníkov v oblasti centrifugačného výskumu. Nobelova cena v roku 1926 určila, že molekuly alebo častice s ich vlastnou veľkosťou majú rôzne sedimentačné koeficienty S. „S“ pochádza zo Svedgera na počesť jeho práce.

Častice majú preto charakteristické rýchlosti sedimentácie. To znamená, že nie všetky z nich sa správajú rovnakým spôsobom pri pôsobení odstredivej sily vyjadrenej v otáčkach za minútu (ot / min) alebo v závislosti od polomeru rotora (relatívna odstredivá sila, g).

Medzi faktory, ktoré určujú S a jeho rýchlosť, patria napríklad vlastnosti molekúl alebo častíc; vlastnosti média; technika alebo metóda odstreďovania; a druh použitej odstredivky, okrem iných aspektov.

Odstredenie sa klasifikuje podľa jeho užitočnosti. Prípravné, ak je obmedzené na oddelenie zložiek vzorky; a v analytike, keď sa tiež snaží analyzovať separovanú molekulu alebo časticu. Na druhej strane ho možno klasifikovať aj na základe podmienok procesu.

Centrifugácia rôznych druhov bola nevyhnutná pre rozvoj vedeckých poznatkov. Používa sa vo výskumných centrách a okrem iného umožňuje pochopenie komplexných biochemických a biologických procesov.

Z čoho pozostáva? (Proces)

Základy centrifugácie

Proces odstreďovania je založený na skutočnosti, že molekuly alebo častice, ktoré tvoria vzorku v roztoku, sa budú otáčať, keď sa otáčajú v zariadení nazývanom odstredivka. To spôsobuje oddelenie častíc od prostredia, ktoré ich obklopuje, keď sa usadzujú pri rôznych rýchlostiach.

Tento proces je špecificky založený na teórii sedimentácie. Podľa tohto sa častice, ktoré majú vyššiu hustotu, budú usadzovať, zatiaľ čo zvyšok látok alebo zložiek životného prostredia zostane suspendovaný.

Prečo? Pretože molekuly alebo častice majú svoju vlastnú veľkosť, tvar, hmotnosť, objem a hustotu. Preto nie všetci z nich dokážu sedimentovať rovnakým spôsobom, čo sa premieta do iného sedimentačného koeficientu S; a následne pri inej rýchlosti sedimentácie.

Tieto vlastnosti sú také, ktoré umožňujú separáciu molekúl alebo častíc odstredivou silou pri danej rýchlosti odstreďovania.

Odstredivá sila

Odstredivá sila bude ovplyvnená niekoľkými faktormi, ktoré určujú sedimentáciu: faktory, ktoré sú vlastné molekulám alebo časticiam; k vlastnostiam prostredia, v ktorom sa nachádzajú; a faktory týkajúce sa odstrediviek, v ktorých sa vykonáva postup odstreďovania.

Vo vzťahu k molekulám alebo časticiam ovplyvňujú sedimentáciu faktory hmotnosť, špecifický objem a flotačný faktor.

Pokiaľ ide o prostredie, ktoré ich obklopuje, je dôležitá hmotnosť vytesneného rozpúšťadla, hustota média, odolnosť voči postupu a koeficient trenia.

Pokiaľ ide o odstredivku, najdôležitejšími faktormi ovplyvňujúcimi sedimentačný proces sú typ rotora, uhlová rýchlosť, odstredivá sila a následne odstredivá rýchlosť.

Druhy odstrediviek

Existuje niekoľko druhov odstrediviek, pomocou ktorých môže byť vzorka vystavená rôznym rýchlostiam odstreďovania.

V závislosti od maximálnej rýchlosti, ktorú dosahujú, vyjadrenú v odstredivom zrýchlení (relatívna odstredivá sila g), možno ich jednoducho klasifikovať ako odstredivky s maximálnou rýchlosťou približne 3 000 g.

Zatiaľ čo v tzv. Supercentrifugách je možné dosiahnuť väčší rozsah rýchlostí blízko k 25 000 g. A v ultracentrifugách je rýchlosť oveľa vyššia a dosahuje 100 000 g.

Podľa ďalších kritérií existujú stolné mikrocentrifugy alebo odstredivky, ktoré sú špeciálne na uskutočnenie procesu odstreďovania s malým objemom vzorky, dosahujúce rozsah 12 000 až 15 000 g.

Existujú vysokokapacitné odstredivky, ktoré umožňujú odstreďovanie väčších, vysokorýchlostných objemov vzoriek, ako sú ultracentrifugy.

Vo všeobecnosti sa musí kontrolovať niekoľko faktorov na ochranu rotora a vzorky pred prehriatím. Na tento účel boli okrem iného vytvorené ultracentrifugy so špeciálnymi vákuovými alebo chladiacimi podmienkami.

Typy rotorov

Jedným z určujúcich prvkov je typ rotora, zariadenie, ktoré sa otáča a kde sú umiestnené rúrky. Existujú rôzne typy rotorov. Medzi hlavné patria otočné rotory, rotory s pevným uhlom a vertikálne rotory.

Pri nakláňaní rotorov pri umiestňovaní rúrok do zariadení tohto typu rotora a pri otáčaní získajú rúrky usporiadanie kolmé na os otáčania.

U rotorov s pevným uhlom budú vzorky umiestnené vo vnútri pevnej štruktúry; ako je vidieť na obrázku a v mnohých odstredivkách.

A vo vertikálnych rotoroch sa v niektorých ultracentrifugách rúry otáčajú rovnobežne s osou rotácie.

Druhy odstreďovania

Druhy odstreďovania sa líšia podľa účelu ich aplikácie a podmienok, v ktorých sa proces uskutočňuje. Tieto podmienky sa môžu líšiť v závislosti od typu vzorky a povahy toho, čo sa má oddeliť a / alebo analyzovať.

Prvé klasifikačné kritérium vychádza z účelu alebo účelu jeho vykonávania: preparatívna centrifugácia a analytická centrifugácia.

Preparatívna centrifugácia

Tento názov dostáva, keď sa centrifugácia používa hlavne na izoláciu alebo oddelenie molekúl, častíc, fragmentov buniek alebo buniek na ich neskoršie použitie alebo analýzu. Množstvo vzorky, ktorá sa všeobecne používa na tento účel, je relatívne veľké.

Analytické odstredenie

Analytické odstreďovanie sa vykonáva za účelom merania alebo analýzy fyzikálnych vlastností, ako je sedimentačný koeficient a molekulová hmotnosť usadených častíc.

Centrifugácia založená na tomto cieli môže byť uskutočnená použitím rôznych štandardizovaných podmienok; ako je to napríklad v prípade jednej z analytických ultracentrifugačných techník, ktoré umožňujú analyzovať separované molekuly alebo častice, a to aj pri sedimentácii.

V niektorých špecifických prípadoch sa môže vyžadovať použitie skúmaviek z kremenných odstrediviek. Umožňujú tak priechod viditeľného a ultrafialového svetla, pretože počas procesu odstreďovania sú molekuly pozorované a analyzované optickým systémom.

Presne tak existujú ďalšie klasifikačné kritériá v závislosti od charakteristík alebo podmienok, v ktorých sa odstreďovací proces vykonáva. Sú to: diferenciálna centrifugácia, centrifugácia v zóne alebo v pásme a izopycnická alebo sedimentačná rovnovážna centrifugácia.

Diferenčná centrifugácia

Tento typ odstreďovania spočíva v tom, že sa vzorka podrobí odstreďovaniu, zvyčajne uhlovým rotorom, po špecifický čas a rýchlosť.

Je založená na separácii častíc kvôli ich rozdielu v rýchlosti sedimentácie, ktorá priamo súvisí s ich veľkosťou. Tie, ktoré sú väčšie a väčšie S, sa usadzujú na dne skúmavky; zatiaľ čo tie menšie budú pozastavené.

Pri tomto type odstreďovania je životne dôležitá separácia zrazeniny. Suspendované častice sa musia dekantovať alebo odstrániť z skúmavky tak, aby sa sediment alebo peleta mohla suspendovať v inom rozpúšťadle na následné čistenie; to znamená, že sa znova odstredí.

Tento typ techniky nie je vhodný na separáciu molekúl. Namiesto toho sa môže použiť na oddelenie napríklad bunkových organel, buniek, medzi inými časticami.

Odstreďovanie zóny alebo pásu

Odstredenie v zóne alebo páse vykonáva separáciu zložiek vzorky na základe rozdielu S pri prechode cez médium s vopred vytvoreným gradientom hustoty; ako Ficoll alebo sacharóza.

Vzorka sa umiestni na vrch gradientu skúmavky. Ďalej pokračuje vo vysokej rýchlosti odstreďovania a separácia prebieha v rôznych pásoch usporiadaných pozdĺž stredu (akoby to bola želatína s viacerými vrstvami).

Častice s nižšou hodnotou S zostávajú na začiatku média, zatiaľ čo častice, ktoré sú väčšie alebo majú vyššiu hodnotu S, smerujú k spodnej časti skúmavky.

Týmto postupom je možné oddeliť zložky nachádzajúce sa v rôznych sedimentačných pásmoch. Je dôležité dobre kontrolovať čas, aby sa zabránilo tomu, že všetky molekuly alebo častice vzorky sa usadzujú na dne skúmavky.

Izopycnická centrifugácia a iné typy

- Existuje mnoho ďalších typov odstreďovania, ako je izopycnic. To sa špecializuje na oddeľovanie makromolekúl, aj keď sú rovnakého typu. DNA sa veľmi dobre hodí do tohto typu makromolekúl, pretože predstavuje variácie v sekvenciách a množstve svojich dusíkatých báz; a preto sedimentuje pri rôznych rýchlostiach.

- Existuje tiež ultracentrifugácia, pri ktorej sa študujú sedimentačné vlastnosti biomolekúl, čo je proces, ktorý je možné monitorovať napríklad pomocou ultrafialového svetla.

Bol užitočný pri porozumení subcelulárnych štruktúr alebo organel. Umožnil tiež pokrok v molekulárnej biológii a vo vývoji polymérov.

aplikácia

Existuje nespočetné množstvo oblastí každodenného života, v ktorých sa používajú rôzne typy odstreďovania. Používajú sa okrem iného v zdravotníctve, v bioanalytických laboratóriách, vo farmaceutickom priemysle. Jeho význam však možno zhrnúť dvoma slovami: oddelenými a charakterizujúcimi.

Oddeľuje častice

V chémii sa z mnohých dôvodov ukázali ako veľmi dôležité rôzne techniky odstreďovania.

Umožňuje oddeliť dve miešateľné molekuly alebo častice. Pomáha odstraňovať nežiaduce nečistoty, látky alebo častice vo vzorke; napríklad vzorka, v ktorej chcete iba konzervovať proteíny.

V biologickej vzorke, ako je napríklad krv, sa plazma môže oddeliť od bunkovej zložky odstredením. Prispieva to k uskutočňovaniu rôznych typov biochemických alebo imunologických testov v plazme alebo sére, ako aj k rutinným alebo špeciálnym štúdiám.

Rovnomerná centrifugácia umožňuje oddelenie rôznych typov buniek. Napríklad zo vzorky krvi sa môžu červené krvinky oddeliť od leukocytov alebo bielych krviniek a tiež od krvných doštičiek.

Rovnakú užitočnosť je možné získať odstredením v ktorejkoľvek z biologických tekutín: moč, cerebrospinálna tekutina, plodová voda. Týmto spôsobom je možné vykonať celý rad analýz.

Ako charakterizačná technika

Umožnil tiež študovať alebo analyzovať charakteristiky alebo hydrodynamické vlastnosti mnohých molekúl; hlavne komplexných molekúl alebo makromolekúl.

Rovnako ako mnoho makromolekúl, ako sú nukleové kyseliny. Medzi mnohými ďalšími aplikáciami dokonca uľahčila charakterizáciu podrobností o podtypoch tej istej molekuly, ako je RNA.

Príklady odstreďovania

- Vďaka rôznym technikám odstreďovania sa okrem iného dosiahol pokrok v presných znalostiach zložitých biologických procesov, ako sú infekčné choroby a metabolizmus.

- Prostredníctvom centrifugácie bolo objasnených mnoho ultraštrukturálnych a funkčných aspektov molekúl a biomolekúl. Spomedzi takýchto biomolekúl sú to proteíny inzulín a hemoglobín; a na druhej strane nukleové kyseliny (DNA a RNA).

- S podporou odstredenia sa rozšírili znalosti a porozumenie mnohých procesov, ktoré udržujú život. Jedným z nich je Krebsov cyklus.

V tej istej oblasti užitočnosti to ovplyvnilo znalosť molekúl, ktoré tvoria dýchací reťazec. Poskytnutie svetla pre pochopenie komplexného procesu oxidačnej fosforylácie alebo skutočného bunkového dýchania, medzi mnohými inými procesmi.

- Napokon prispelo k štúdiu rôznych procesov, ako napríklad infekčných chorôb, tým, že umožnilo analýzu cesty, po ktorej nasleduje DNA injikovaná fágom (bakteriálny vírus) a bielkoviny, ktoré môže hostiteľská bunka syntetizovať.

Referencie

1. Parul Kumar. (SF). Odstredivka: Úvod, typy, použitia a ďalšie podrobnosti (so schémou). Prevzaté z: biologydiscussion.com
2. Kapitola 3 Odstredenie. , Získané z: phys.sinica.edu.tw
3. Základy biochémie a aplikovanej molekulárnej biológie. (Bakalár biológie) Téma 2: odstreďovanie. , Prevzaté z: ehu.eus
4. Mathews, CK a Van Holde, KE (1998). Biochemistry, 2. vyd. McGraw-Hill Interamericana.
5. Wikipedia. (2018). Odstreďovanie. Prevzaté z: en.wikipedia.org