Die Zentrifuge ist ein unverzichtbares Werkzeug im biochemischen Labor. Egal, ob Sie mit Zellen, Proteinen oder DNA arbeiten – irgendwann müssen unerwünschte Bestandteile abgetrennt werden. Neben anderen Techniken wie Filtration oder Chromatographie ist die Zentrifugation eine bewährte und einfach anzuwendende Methode.
Die Grundlagen der Zentrifugation
Bei der Zentrifugation werden die festen Partikel in einem Gemisch mit einem flüssigen Medium aufgrund ihrer unterschiedlichen Sedimentationsgeschwindigkeiten in einem Zentrifugalkraftfeld getrennt. Die Sedimentation hängt von Größe, Form und Dichte der Bestandteile ab. Größere und schwerere Partikel sedimentieren schneller als kleinere und leichtere. Die Dichte und die Viskosität des Mediums beeinflussen ebenfalls die Sedimentationsgeschwindigkeit. In einem Medium mit hoher Viskosität sedimentieren Teilchen langsamer als in einem Medium mit niedriger Viskosität. Durch Zentrifugation können daher Gemische von Partikeln mit unterschiedlichen Größen und Dichten getrennt werden.
Der schwedische Chemiker The (Theodor) Svedberg im Jahr 1926
Der schwedische Chemiker The (Theodor) Svedberg (1884 – 1971), Nobelpreisträger für Chemie im Jahr 1926, war der erste, der diese Zusammenhänge mathematisch beschrieb und die Sedimentationsgeschwindigkeit von Teilchen mit seiner bekannten Svedberg-Gleichung berechnen konnte.
Eine wichtige Größe in der Biochemie ist der Sedimentationskoeffizient, der das Verhältnis zwischen Sedimentationsgeschwindigkeit und Zentrifugalbeschleunigung darstellt. Dieser Koeffizient spiegelt eine charakteristische Eigenschaft des Moleküls wider und kann experimentell bestimmt werden. Er wird in Svedberg-Einheiten (S) angegeben, wobei 1 S = 1013 Sekunden entspricht. Viele biochemische Partikel haben bekannte S-Werte, und einige sind sogar Teil ihrer wissenschaftlichen Bezeichnung geworden, wie zum Beispiel das prokaryotische Ribosom 30S-RNA.
Aufbau und Ausstattung einer typischen Zentrifuge im Labor
Eine Zentrifuge besteht aus einem Rotor, der mit einem Motor auf die gewünschten Umdrehungen angetrieben wird. Der Rotor ist mit Zentrifugenröhrchen oder Zentrifugenbechern ausgestattet, die das zu untersuchende Material aufnehmen. Die Bauweise der Rotoren richtet sich nach dem Probenvolumen und dem Anwendungsbereich. Tischzentrifugen werden für kleinere Probemengen im Mikro- und Milliliterbereich verwendet, während größere Zentrifugen mehrere hundert Milliliter aufnehmen können. Die relative Zentrifugalbeschleunigung variiert von einigen tausend g bis zu mehreren Millionen g. Für hohe Umdrehungszahlen werden Ultrazentrifugen im Vakuum verwendet, um den Luftwiderstand zu minimieren.
Kleine Tischzentrifuge für Laboranwendungen | © HaJo88 – de.wikipedia.org
Verschiedene Zentrifugationsverfahren für unterschiedliche Fragestellungen
Es gibt drei verschiedene Techniken der Zentrifugation: die differentielle Zentrifugation, die isopyknische Zentrifugation und die Zonenzentrifugation. Jedes Verfahren nutzt unterschiedliche physikalische Parameter zur Trennung der Bestandteile.
Die differentielle Zentrifugation
Bei der differentiellen Zentrifugation werden die verschiedenen Bestandteile einer Probe durch ihre unterschiedlichen Sedimentationsgeschwindigkeiten getrennt. Dies ist der erste Schritt bei der Probenvorbereitung im Labor. Die Probe wird nacheinander bei verschiedenen Zentrifugalkräften zentrifugiert, und der Überstand wird im nächsten Schritt erneut zentrifugiert. Auf diese Weise werden verschiedene Zellfraktionen getrennt. Die differentielle Zentrifugation ermöglicht eine einfache Auftrennung der Zellbestandteile.
Schematische Darstellung der differentiellen Zentrifugation
Die isopyknische und Zonenzentrifugation
Bei der isopyknischen Zentrifugation werden Teilchen mit ähnlichen Größen, aber unterschiedlichen Dichten getrennt. Eine Probe wird auf einen Dichtegradienten aufgegeben, der sich beim Zentrifugieren bildet. Die Teilchen wandern aufgrund ihrer unterschiedlichen Dichten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und trennen sich in diskreten Banden. Diese Banden können abgesaugt und separat untersucht werden. Bei der Zonenzentrifugation wird die Probe auf einen diskontinuierlichen Dichtegradienten aufgegeben. Die Teilchen sedimentieren in charakteristischen Banden und können ebenfalls separat analysiert werden.
Die analytische Ultrazentrifugation
Eine besondere Form der Zentrifugation ist die analytische Ultrazentrifugation. Hierbei wird eine Kombination aus Ultrazentrifuge und einem optischen Detektor verwendet, um die Konzentrationen der sedimentierenden Teilchen zu messen. Dies ermöglicht die genaue Bestimmung der Sedimentationskoeffizienten von Molekülen und die Untersuchung von molekularen Wechselwirkungen.
Die Zentrifugation ist eine der wichtigsten und weit verbreiteten Techniken im biochemischen Labor. Mit ihren verschiedenen Verfahren und Anwendungen trägt sie zu vielen wissenschaftlichen Erkenntnissen bei und ermöglicht die Trennung und Analyse verschiedener Bestandteile in Proben.
