CENTRIFUGEREN: WAARUIT HET BESTAAT, SOORTEN, BELANG, VOORBEELDEN - CHEMIE - 2026

Het centrifugeren is een techniek, methode of procedure, waarbij moleculen of deeltjes met verschillende dichtheden mechanisch of fysiek worden gescheiden en die ook in een vloeibaar medium aanwezig zijn. De hoeksteen is de toepassing van middelpuntvliedende kracht, uitgeoefend door apparatuur die een centrifuge wordt genoemd.

Door centrifugeren kunnen de componenten van een vloeistofmonster worden gescheiden en geanalyseerd. Onder deze componenten bevinden zich de verschillende klassen van moleculen of deeltjes. Deeltjes verwijzen onder meer naar verschillende celfragmenten, organellen van cellen, zelfs verschillende soorten cellen.

Centrifugeer. Bron: Matt Janicki via Flickr

Theodor Svedger wordt beschouwd als een van de toonaangevende pioniers op het gebied van centrifugatieonderzoek. Nobelprijs in 1926 bepaalde dat moleculen of deeltjes met hun eigen grootte verschillende sedimentatiecoëfficiënten S hebben. De "S" komt van Svedger, ter ere van zijn werk.

De deeltjes hebben daarom karakteristieke sedimentatiesnelheden. Dit betekent dat ze zich niet allemaal op dezelfde manier gedragen onder invloed van een middelpuntvliedende kracht uitgedrukt in omwentelingen per minuut (rpm), of als functie van de straal van de rotor (relatieve middelpuntvliedende kracht, g).

Tot de factoren die S en zijn snelheid bepalen, behoren bijvoorbeeld de eigenschappen van de moleculen of deeltjes; de eigenschappen van het medium; de techniek of methode van centrifugeren; en het type centrifuge dat wordt gebruikt, naast andere aspecten.

Centrifugeren wordt geclassificeerd op basis van zijn bruikbaarheid. Ter voorbereiding, wanneer het beperkt is tot de scheiding van de componenten van het monster; en in analyse, wanneer het ook probeert om het gescheiden molecuul of deeltje te analyseren. Aan de andere kant kan het ook worden geclassificeerd op basis van de procesomstandigheden.

Centrifugeren in zijn verschillende soorten is essentieel geweest voor de vooruitgang van wetenschappelijke kennis. Het wordt gebruikt in onderzoekscentra en heeft het begrip van onder andere complexe biochemische en biologische processen vergemakkelijkt.

Waar bestaat het uit? (werkwijze)

Basis van centrifugeren

Het centrifugatieproces is gebaseerd op het feit dat de moleculen of deeltjes waaruit een monster in oplossing bestaat, zullen roteren wanneer ze roteren in een apparaat dat een centrifuge wordt genoemd. Dit veroorzaakt de scheiding van de deeltjes uit de omgeving die hen omringt, terwijl ze met verschillende snelheden bezinken.

Het proces is specifiek gebaseerd op de theorie van sedimentatie. Hierdoor zullen de deeltjes met een hogere dichtheid bezinken, terwijl de rest van de stoffen of componenten van de omgeving gesuspendeerd blijft.

Waarom? Omdat moleculen of deeltjes hun eigen afmetingen, vormen, massa's, volumes en dichtheden hebben. Daarom slagen ze er niet allemaal in om op dezelfde manier te sedimenteren, wat zich vertaalt in een andere sedimentatiecoëfficiënt S; en bijgevolg met een andere sedimentatiesnelheid.

Deze eigenschappen maken het mogelijk dat moleculen of deeltjes worden gescheiden door middelpuntvliedende kracht bij een gegeven centrifugatiesnelheid.

Centrifugale kracht

De middelpuntvliedende kracht wordt beïnvloed door verschillende factoren die de sedimentatie bepalen: die inherent zijn aan de moleculen of deeltjes; op de kenmerken van de omgeving waarin ze worden aangetroffen; en factoren die verband houden met de centrifuges waar de centrifugatieprocedure wordt uitgevoerd.

In relatie tot de moleculen of deeltjes zijn de massa, het specifieke volume en de flotatiefactor daarvan beïnvloedende factoren bij sedimentatie.

Met betrekking tot de omgeving die hen omringt, zijn de massa van het verplaatste oplosmiddel, de dichtheid van het medium, de weerstand tegen voortbeweging en de wrijvingscoëfficiënt belangrijk.

Wat betreft de centrifuge zijn de belangrijkste factoren die het sedimentatieproces beïnvloeden het type rotor, de hoeksnelheid, de middelpuntvliedende kracht en bijgevolg de centrifugaalsnelheid.

Soorten centrifuges

Er zijn verschillende soorten centrifuges waarmee het monster kan worden onderworpen aan verschillende centrifugatiesnelheden.

Afhankelijk van de maximale snelheid die ze bereiken, uitgedrukt in centrifugale versnelling (relatieve middelpuntvliedende kracht g), kunnen ze eenvoudig worden geclassificeerd als centrifuges met een maximale snelheid van ongeveer 3.000 g.

Terwijl in de zogenaamde supercentrifuges een groter bereik aan snelheden kan worden bereikt van bijna 25.000 g. En in ultracentrifuges is de snelheid veel hoger, tot 100.000 g.

Volgens andere criteria zijn er tafelmodel microcentrifuges of centrifuges, die speciaal zijn om het centrifugatieproces uit te voeren met een klein monstervolume, met een bereik van 12.000 tot 15.000 g.

Er zijn centrifuges met een hoge capaciteit waarmee grotere, supersnelle monstervolumes kunnen worden gecentrifugeerd, zoals ultracentrifuges.

Over het algemeen moeten verschillende factoren worden beheerst om de rotor en het monster tegen oververhitting te beschermen. Hiervoor zijn onder meer ultracentrifuges gemaakt met speciale vacuüm- of koelcondities.

Rotor typen

Een van de bepalende elementen is het type rotor, een apparaat dat draait en waar de buizen worden geplaatst. Er zijn verschillende soorten rotoren. Tot de belangrijkste behoren swingarmrotors, rotors met vaste hoek en verticale rotors.

Bij kantelende rotoren zullen bij het plaatsen van de buizen in de inrichtingen van dit type rotor en bij het roteren de buizen een opstelling krijgen loodrecht op de rotatieas.

Bij rotoren met een vaste hoek zullen de monsters in een solide structuur worden geplaatst; zoals te zien op de afbeelding en in veel centrifuges.

En in de verticale rotoren in sommige ultracentrifuges gaan de buizen evenwijdig aan de rotatieas draaien.

Soorten centrifugeren

De soorten centrifugeren variëren afhankelijk van het doel van hun toepassing en de omstandigheden waarin het proces wordt uitgevoerd. Deze omstandigheden kunnen verschillen, afhankelijk van het type monster en de aard van wat moet worden gescheiden en / of geanalyseerd.

Er is een eerste classificatiecriterium op basis van het doel of het doel van de prestatie: preparatieve centrifugatie en analytische centrifugatie.

Preparatieve centrifugering

Het krijgt deze naam wanneer centrifugeren voornamelijk wordt gebruikt om moleculen, deeltjes, celfragmenten of cellen te isoleren of te scheiden voor later gebruik of analyse. De hoeveelheid monster die hiervoor doorgaans wordt gebruikt, is relatief groot.

Analytische centrifugatie

Analytische centrifugatie wordt uitgevoerd om de fysische eigenschappen, zoals de sedimentatiecoëfficiënt en de moleculaire massa van de bezonken deeltjes, te meten of te analyseren.

Centrifugeren op basis van dit doel kan worden uitgevoerd door verschillende gestandaardiseerde voorwaarden toe te passen; zoals bijvoorbeeld het geval is bij een van de analytische ultracentrifugatietechnieken, die het mogelijk maken om de afgescheiden moleculen of deeltjes te analyseren, zelfs als er sedimentatie plaatsvindt.

In sommige specifieke gevallen kan het gebruik van kwartscentrifugebuisjes nodig zijn. Ze laten dus de doorgang van zichtbaar en ultraviolet licht toe, aangezien tijdens het centrifugatieproces de moleculen worden geobserveerd en geanalyseerd met een optisch systeem.

Juist, er zijn andere classificatiecriteria afhankelijk van de kenmerken of omstandigheden waarin het centrifugatieproces wordt uitgevoerd. Dit zijn: differentiële centrifugatie, zone- of bandcentrifugatie en isopycnische of sedimentatie-evenwichtscentrifugatie.

Differentiële centrifugatie

Bij dit type centrifugeren wordt een monster gedurende een bepaalde tijd en snelheid aan een centrifugatie onderworpen, meestal met een hoekrotor.

Het is gebaseerd op de scheiding van deeltjes vanwege hun verschil in sedimentatiesnelheid, dat rechtstreeks verband houdt met hun grootte. Degenen die groter en groter zijn S, nestelen zich op de bodem van de buis; terwijl de kleinere zullen blijven hangen.

Bij dit type centrifugeren is een hangende afscheiding van het neerslag essentieel. Zwevende deeltjes moeten worden gedecanteerd of uit de buis worden verwijderd, zodat het sediment of de pellet in een ander oplosmiddel kan worden gesuspendeerd voor latere zuivering; dat wil zeggen, het wordt opnieuw gecentrifugeerd.

Dit type techniek is niet bruikbaar voor het scheiden van moleculen. In plaats daarvan kan het worden gebruikt om bijvoorbeeld cellulaire organellen, cellen en andere deeltjes te scheiden.

Zone- of bandcentrifugatie

De zone- of bandcentrifugatie zorgt voor de scheiding van de componenten van het monster op basis van het verschil van S bij het passeren door een medium met een voorgevormde dichtheidsgradiënt; zoals Ficoll of sucrose, bijvoorbeeld.

Het monster wordt bovenop de helling van de reageerbuis geplaatst. Vervolgens centrifugeert het met hoge snelheid en vindt de scheiding plaats in verschillende banden die langs het midden zijn gerangschikt (alsof het een gelatine is met meerdere lagen).

Deeltjes met een lagere S-waarde blijven aan het begin van het medium, terwijl de grotere of hogere S-deeltjes naar de onderkant van de buis gaan.

Met deze procedure kunnen de componenten die in de verschillende sedimentatiebanden worden aangetroffen, worden gescheiden. Het is belangrijk om de tijd goed te beheersen om te voorkomen dat alle moleculen of deeltjes van het monster op de bodem van de buis terechtkomen.

Isopycnische centrifugering en andere soorten

-Er zijn veel andere soorten centrifugering, zoals isopycnic. Dit is gespecialiseerd in het scheiden van macromoleculen, ook al zijn ze van hetzelfde type. DNA past heel goed in dit type macromoleculen, omdat het variaties vertoont in de sequenties en hoeveelheid van zijn stikstofbasen; en dus sedimenteren met verschillende snelheden.

-Er is ook ultracentrifugatie, waarmee de sedimentatiekenmerken van biomoleculen worden bestudeerd, een proces dat bijvoorbeeld met ultraviolet licht kan worden gevolgd.

Het is nuttig geweest bij het begrijpen van subcellulaire structuren of organellen. Het heeft ook vooruitgang mogelijk gemaakt in de moleculaire biologie en in de ontwikkeling van polymeren.

Toepassingen

Er zijn talloze gebieden van het dagelijkse leven waarin de verschillende soorten centrifugeren worden gebruikt. Ze worden onder meer gebruikt voor de gezondheidszorg, in bioanalytische laboratoria, in de farmaceutische industrie. Het belang ervan kan echter in twee woorden worden samengevat: scheiden en karakteriseren.

Scheidt deeltjes

In de chemie zijn verschillende centrifugatietechnieken om vele redenen buitengewoon belangrijk gebleken.

Het maakt het mogelijk om twee mengbare moleculen of deeltjes te scheiden. Helpt bij het verwijderen van ongewenste onzuiverheden, stoffen of deeltjes in een monster; bijvoorbeeld een monster waar je alleen eiwitten wilt bewaren.

In een biologisch monster, zoals bloed, kan het plasma door centrifugeren van de cellulaire component worden gescheiden. Dit draagt ​​bij aan de uitvoering van verschillende soorten biochemische of immunologische tests op plasma of serum, evenals voor routinematige of speciale onderzoeken.

Zelfs door centrifugeren kunnen de verschillende soorten cellen worden gescheiden. Uit een bloedmonster kunnen bijvoorbeeld rode bloedcellen worden gescheiden van leukocyten of witte bloedcellen, en ook van bloedplaatjes.

Dezelfde bruikbaarheid kan worden verkregen met centrifugeren in elk van de biologische vloeistoffen: urine, cerebrospinale vloeistof, vruchtwater, en vele andere. Op deze manier kan een grote verscheidenheid aan analyses worden uitgevoerd.

Als karakteriseringstechniek

Het heeft het ook mogelijk gemaakt om de kenmerken of hydrodynamische eigenschappen van veel moleculen te bestuderen of te analyseren; voornamelijk van complexe moleculen of macromoleculen.

Evenals talrijke macromoleculen zoals nucleïnezuren. Het heeft het zelfs gemakkelijker gemaakt om details van de subtypes van hetzelfde molecuul, zoals RNA, en vele andere toepassingen te karakteriseren.

Voorbeelden van centrifugeren

-Dankzij de verschillende centrifugatietechnieken is er vooruitgang geboekt in de exacte kennis van complexe biologische processen, zoals onder andere infectieuze en metabolische processen.

-Door centrifugatie zijn veel ultrastructurele en functionele aspecten van moleculen en biomoleculen opgehelderd. Onder dergelijke biomoleculen zijn de eiwitten insuline en hemoglobine; en aan de andere kant nucleïnezuren (DNA en RNA).

-Met de ondersteuning van centrifugeren is de kennis en het begrip van veel van de levensondersteunende processen uitgebreid. Een daarvan is de Krebs-cyclus.

In hetzelfde toepassingsgebied heeft het de kennis van de moleculen waaruit de ademhalingsketen bestaat, beïnvloed. Aldus licht geven aan het begrip van het complexe proces van oxidatieve fosforylering, of echte cellulaire ademhaling, naast vele andere processen.

-Tenslotte heeft het bijgedragen aan de studie van verschillende processen, zoals infectieziekten, door de analyse mogelijk te maken van de route die wordt gevolgd door het DNA dat wordt geïnjecteerd door een faag (bacterievirus) en de eiwitten die de gastheercel kan synthetiseren.

Referenties

1. Parul Kumar. (sf). Centrifuge: inleiding, soorten, gebruik en andere details (met diagram). Ontleend aan: biologydiscussion.com
2. Hoofdstuk 3 Centrifugeren. . Hersteld van: phys.sinica.edu.tw
3. Grondbeginselen van biochemie en toegepaste moleculaire biologie. (Graad in biologie) Onderwerp 2: centrifugeren. . Genomen uit: ehu.eus
4. Mathews, CK en Van Holde, KE (1998). Biochemie, 2e ed. McGraw-Hill Interamericana.
5. Wikipedia. (2018). Centrifugeren. Ontleend aan: en.wikipedia.org