CENTRIFUGĒŠANA: NO KĀ TĀ SASTĀV, VEIDI, NOZĪME, PIEMĒRI - ĶĪMIJA - 2025

Centrifugēšana ir paņēmiens, metode vai procedūra, mehāniski vai fiziski atdalot molekulas vai daļiņas ar dažādu blīvumu un ir arī atrodas šķidrumā. Tās stūrakmens ir centrbēdzes spēka pielietojums, ko pieliek aprīkojums, ko sauc par centrifūgu.

Centrifugējot, šķidruma parauga sastāvdaļas var atdalīt un analizēt. Starp šiem komponentiem ir dažādas molekulas vai daļiņas. Daļiņas cita starpā attiecas uz dažādiem šūnu fragmentiem, šūnu organellām, pat dažāda veida šūnām.

Centrifūga. Avots: Matt Janicki caur Flickr

Teodors Svedgers tiek uzskatīts par vienu no vadošajiem centrifugēšanas pētījumu pionieriem. Nobela prēmija 1926. gadā noteica, ka molekulām vai daļiņām ar saviem izmēriem ir atšķirīgi sedimentācijas koeficienti S. "S" nāk no Svedgera par godu viņa darbam.

Tāpēc daļiņām ir raksturīgs sedimentācijas ātrums. Tas nozīmē, ka ne visi no tiem izturas vienādi ar centrbēdzes spēku, kas izteikts apgriezienos minūtē (apgr./min.), Vai kā funkciju no rotora rādiusa (relatīvais centrbēdzes spēks, g).

Starp faktoriem, kas nosaka S un tā ātrumu, ir, piemēram, molekulu vai daļiņu īpašības; barotnes īpašības; centrifugēšanas paņēmiens vai metode; un izmantoto centrifūgas veidu, starp citiem aspektiem.

Centrifugēšanu klasificē pēc tās lietderības. Preparātīvā, ja tas attiecas tikai uz parauga sastāvdaļu atdalīšanu; un analītikā, kad tas arī mēģina analizēt atdalīto molekulu vai daļiņu. No otras puses, to var arī klasificēt, pamatojoties uz procesa apstākļiem.

Centrifugēšana dažādajos veidos ir bijusi būtiska zinātnes atziņu pilnveidošanai. Pētniecības centros tas ir atvieglojis daudzu citu izpratni par sarežģītiem bioķīmiskiem un bioloģiskiem procesiem.

No kā tas sastāv? (process)

Centrifugēšanas pamats

Centrifugēšanas process balstās uz faktu, ka molekulas vai daļiņas, kas veido paraugu šķīdumā, rotēs, rotējot ierīcē, ko sauc par centrifūgu. Tas izraisa daļiņu atdalīšanos no apkārtējās vides, jo tās apmetas ar dažādu ātrumu.

Procesa pamatā ir sedimentācijas teorija. Saskaņā ar to daļiņas, kurām ir lielāks blīvums, nosēdīsies, bet pārējās vides vielas vai komponenti paliks suspendēti.

Kāpēc? Tā kā molekulām vai daļiņām ir savi izmēri, formas, masas, tilpumi un blīvumi. Tāpēc ne visiem no tiem izdodas nogulsnēties vienādi, kas pārvēršas atšķirīgā sedimentācijas koeficientā S; un attiecīgi ar atšķirīgu sedimentācijas ātrumu.

Šīs īpašības ļauj molekulām vai daļiņām atdalīties ar centrbēdzes spēku noteiktā centrifugēšanas ātrumā.

Centrbēdzes spēks

Centrbēdzes spēku ietekmē vairāki faktori, kas noteiks sedimentāciju: tie, kas raksturīgi molekulām vai daļiņām; tās vides īpašībām, kurā tās atrodamas; un faktori, kas saistīti ar centrifūgām, kur tiek veikta centrifugēšanas procedūra.

Saistībā ar molekulām vai daļiņām sedimentāciju ietekmē faktori, masa, īpatnējais tilpums un flotācijas koeficients.

Attiecībā uz vidi, kas tos ieskauj, svarīga ir pārvietotā šķīdinātāja masa, barotnes blīvums, pretestība un berzes koeficients.

Attiecībā uz centrifūgu vissvarīgākie sedimentācijas procesu ietekmējošie faktori ir rotora tips, leņķiskais ātrums, centrbēdzes spēks un attiecīgi arī centrbēdzes ātrums.

Centrifūgu veidi

Pastāv vairāku veidu centrifūgas, ar kurām paraugu var pakļaut atšķirīgiem centrifugēšanas ātrumiem.

Atkarībā no maksimālā ātruma, ko tie sasniedz, izteikts centrbēdzes paātrinājumā (relatīvais centrbēdzes spēks g), tos var vienkārši klasificēt kā centrifūgas, kuru maksimālais ātrums ir aptuveni 3000 g.

Lai gan tā sauktajās supercentrifūgās, lielāku ātrumu diapazonu var sasniegt tuvu 25 000 g. Un ultracentrifūgos ātrums ir daudz lielāks, sasniedzot 100 000 g.

Saskaņā ar citiem kritērijiem ir planšetdatoru mikrocentrifūgas vai centrifūgas, kas ir īpašas, lai veiktu centrifugēšanas procesu ar nelielu parauga daudzumu, sasniedzot diapazonu no 12 000 līdz 15 000 g.

Ir lielas ietilpības centrifūgas, kas ļauj centrifugēt lielākus, ātrdarbīgus paraugu apjomus, piemēram, ultracentrifūgas.

Parasti jākontrolē vairāki faktori, lai aizsargātu rotoru un paraugu no pārkaršanas. Tam, cita starpā, ir izveidoti ultracentrifūgi ar īpašiem vakuuma vai dzesēšanas apstākļiem.

Rotoru veidi

Viens no noteicošajiem elementiem ir rotora tips - ierīce, kas rotē un kur tiek novietotas caurules. Ir dažādi rotoru veidi. Starp galvenajiem ir swingarm rotori, fiksēta leņķa rotori un vertikālie rotori.

Noliekot rotorus, ievietojot caurules šāda veida rotora ierīcēs un rotējot, caurules iegūs izkārtojumu, kas ir perpendikulārs rotācijas asij.

Fiksēta leņķa rotoros paraugi atradīsies cietas struktūras iekšpusē; kā redzams attēlā un daudzās centrifūgās.

Un vertikālajos rotoros dažos ultracentrifūgos caurules rotēs paralēli griešanās asij.

Centrifugēšanas veidi

Centrifugēšanas veidi atšķiras atkarībā no to piemērošanas mērķa un procesa apstākļiem. Šie apstākļi var būt atšķirīgi atkarībā no parauga veida un atdalāmā un / vai analizējamā rakstura.

Ir pirmais klasifikācijas kritērijs, kura pamatā ir tā izpildes mērķis vai mērķis: preparāta centrifugēšana un analītiskā centrifugēšana.

Preparatīvā centrifugēšana

Šo nosaukumu tas saņem, ja centrifugēšanu galvenokārt izmanto, lai izolētu vai atdalītu molekulas, daļiņas, šūnu fragmentus vai šūnas to turpmākai izmantošanai vai analīzei. Šim nolūkam parasti tiek izmantots parauga daudzums.

Analītiskā centrifugēšana

Analītisko centrifugēšanu veic, lai izmērītu vai analizētu fizikālās īpašības, piemēram, sedimentācijas koeficientu un nostādināto daļiņu molekulmasu.

Centrifugēšanu, pamatojoties uz šo mērķi, var veikt, izmantojot dažādus standartizētus nosacījumus; kā tas ir, piemēram, gadījumā ar vienu no analītiskajām ultracentrifugēšanas metodēm, kas ļauj analizēt atdalītās molekulas vai daļiņas, pat ja notiek sedimentācija.

Dažos īpašos gadījumos var būt nepieciešama kvarca centrifūgas cauruļu izmantošana. Tādējādi tie ļauj izlaist redzamo un ultravioleto gaismu, jo centrifugēšanas procesā molekulas tiek novērotas un analizētas ar optisko sistēmu.

Tieši tāpat ir arī citi klasifikācijas kritēriji atkarībā no raksturlielumiem vai apstākļiem, kādos tiek veikts centrifugēšanas process. Tās ir: diferenciālā centrifugēšana, zonu vai joslu centrifugēšana un izopiccnic vai sedimentācijas līdzsvara centrifugēšana.

Diferenciālā centrifugēšana

Šis centrifugēšanas veids sastāv no parauga centrifugēšanas noteiktā laikā un ātrumā, parasti ar leņķa rotoru.

Tā pamatā ir daļiņu atdalīšana to atšķirības dēļ sedimentācijas ātrumā, kas ir tieši saistīta ar to lielumu. Tie, kas ir lielāki un lielāki, S apmetas caurules apakšā; savukārt mazāki paliks apturēti.

Šāda veida centrifugēšanā izšķiroša nozīme ir nogulšņu suspendētai atdalīšanai. Suspendētās daļiņas dekantē vai jāizņem no mēģenes, lai nogulšņus vai granulas varētu suspendēt citā šķīdinātājā turpmākai attīrīšanai; tas ir, to atkal centrifugē.

Šis paņēmiens nav noderīgs molekulu atdalīšanai. Tā vietā to var izmantot, lai, piemēram, atdalītu šūnu organellus, šūnas.

Zonu vai joslu centrifugēšana

Zonālā vai joslu centrifugēšana veic parauga sastāvdaļu atdalīšanu, pamatojoties uz S starpību, izejot caur barotni ar iepriekš izveidotu blīvuma gradientu; piemēram, Ficoll vai saharozi.

Paraugu novieto uz mēģenes gradienta. Pēc tam to centrifugē lielā ātrumā, un atdalīšana notiek dažādās joslās, kas sakārtotas pa vidu (it kā tas būtu želatīns ar vairākiem slāņiem).

Daļiņas ar zemāku S vērtību paliek barotnes sākumā, savukārt tās, kas ir lielākas vai ar augstāku S, iet caurulītes apakšdaļu.

Izmantojot šo procedūru, dažādās sedimentācijas joslās atrastos komponentus var atdalīt. Ir svarīgi labi kontrolēt laiku, lai izvairītos no tā, ka visas parauga molekulas vai daļiņas nosēžas mēģenes apakšā.

Izopicnic centrifugēšana un citi veidi

-Ir daudz citu centrifugēšanas veidu, piemēram, izopicnic. Tas specializējas makromolekulu atdalīšanā, pat ja tās ir viena veida. DNS ļoti labi iederas šāda veida makromolekulās, jo tas satur dažādas slāpekļa bāzu secības un daudzuma izmaiņas; un tāpēc nogulumi dažādos ātrumos.

- Ir arī ultracentrifugēšana, ar kuras palīdzību tiek pētītas biomolekulu sedimentācijas īpašības - process, ko var uzraudzīt, piemēram, izmantojot ultravioleto gaismu.

Tas ir noderējis, lai izprastu subcelulārās struktūras vai organellus. Tas ļāva arī progresēt molekulārajā bioloģijā un polimēru attīstībā.

Lietojumprogrammas

Ikdienas dzīvē ir neskaitāmas jomas, kurās tiek izmantoti dažādi centrifugēšanas veidi. Tos citu starpā izmanto veselības dienestam, bioanalīzes laboratorijās, farmācijas rūpniecībā. Tomēr tā nozīmi var apkopot divos vārdos: atdalīt un raksturot.

Atdala daļiņas

Ķīmijā dažādas centrifugēšanas metodes ir izrādījušās ārkārtīgi svarīgas daudzu iemeslu dēļ.

Tas ļauj atdalīt divas viegli sajaucamas molekulas vai daļiņas. Palīdz noņemt nevēlamus piemaisījumus, vielas vai daļiņas paraugā; piemēram, paraugs, kurā vēlaties saglabāt tikai olbaltumvielas.

Bioloģiskā paraugā, piemēram, asinīs, plazmu var atdalīt no šūnu komponenta, centrifugējot. Tas veicina dažāda veida bioķīmisko vai imunoloģisko testu veikšanu ar plazmu vai serumu, kā arī ikdienas vai īpašiem pētījumiem.

Pat centrifugēšana ļauj atdalīt dažāda veida šūnas. Piemēram, no asins parauga sarkanās asins šūnas var atdalīt no leikocītiem vai baltajām asins šūnām, kā arī no trombocītiem.

To pašu lietderību var iegūt, centrifugējot jebkuru no bioloģiskajiem šķidrumiem: urīnu, cerebrospinālo šķidrumu, amnija šķidrumu un daudzus citus. Tādā veidā var veikt ļoti dažādas analīzes.

Kā raksturošanas paņēmiens

Tas arī ļāva izpētīt vai analizēt daudzu molekulu īpašības vai hidrodinamiskās īpašības; galvenokārt no sarežģītām molekulām vai makromolekulām.

Kā arī daudzas makromolekulas, piemēram, nukleīnskābes. Tas daudzos citos lietojumos ir pat atvieglojis vienas un tās pašas molekulas, piemēram, RNS, apakštipu raksturošanu.

Centrifugēšanas piemēri

-Pateicoties dažādajām centrifugēšanas metodēm, ir panākts progress precīzās zināšanās par sarežģītiem bioloģiskiem procesiem, piemēram, infekcijas slimībām un metabolismu.

-Centrifugēšanas ceļā ir noskaidroti daudzi molekulu un biomolekulu ultrastrukturālie un funkcionālie aspekti. Starp šādām biomolekulēm ir olbaltumvielas insulīns un hemoglobīns; un, no otras puses, nukleīnskābes (DNS un RNS).

- Ar centrifugēšanas atbalstu ir paplašinātas zināšanas un izpratne par daudziem procesiem, kas uztur dzīvību. Viens no tiem ir Krebsa cikls.

Šajā pašā lietderības laukā tas ir ietekmējis zināšanas par molekulām, kas veido elpošanas ķēdi. Tādējādi daudzu citu procesu starpā dod iespēju saprast sarežģīto oksidatīvās fosforilēšanās jeb patiesās šūnu elpošanas procesu.

-Visbeidzot, tas ir devis ieguldījumu dažādu procesu, piemēram, infekcijas slimības, izpētē, ļaujot analizēt ceļu, kam seko fāga (baktēriju vīrusa) ievadīta DNS, un olbaltumvielas, kuras saimnieka šūna var sintezēt.

Atsauces

1. Paruls Kumars. (sf). Centrifūga: ievads, veidi, pielietojums un cita informācija (ar diagrammu). Iegūts no: biologydiscussion.com
2. 3. nodaļa Centrifugēšana. . Atgūts no: phys.sinica.edu.tw
3. Bioķīmijas un lietišķās molekulārās bioloģijas pamati. (Bioloģijas bakalaurs) 2. tēma: centrifugēšana. . Iegūts no: ehu.eus
4. Mathews, CK un Van Holde, KE (1998). Bioķīmija, 2. izdevums McGraw-Hill Interamericana.
5. Wikipedia. (2018). Centrifugēšana. Iegūts no: en.wikipedia.org