$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Dichtheidsgradient ultracentrifugatie is een veelgebruikte methode om celstructuren te isoleren en zuiveren voor biochemische experimenten. De techniek gebruikt een hogesnelheids- of ultracentrifuge om cellulaire componenten in een dichtheidsgradiënt niet-destructief te scheiden. Deze video beschrijft de principes van dichtheidsgradient ultracentrifugatie, geeft een algemene procedure met behulp van een sucrosegradiënt en bespreekt enkele toepassingen.
Laten we beginnen met het onderzoeken van de principes van ultracentrifuges en dichtheidsgradiënten. Een suspensie bevat deeltjes in een vloeibaar oplosmiddel. Door de zwaartekracht sedimenteren deeltjes die dichter zijn dan het oplosmiddel uit, terwijl deeltjes die minder dicht zijn dan het oplosmiddel blijven drijven. Hoe groter het verschil in dichtheid tussen het deeltje en het oplosmiddel, hoe sneller de scheiding.
Een ultracentrifuge bevat een eenheid genaamd een rotor, die met hoog gecontroleerde snelheden draait en een sterk zwaartekrachtveld simuleert. Binnen dit veld worden de verschillen in dichtheid tussen deeltjes en het oplosmiddel vergroot.
De sterkte van het veld hangt af van de rotatiesnelheid. Zelfs een kleine rotor bij een relatief lage rotatiesnelheid kan een kracht creëren die duizenden keren sterker is dan het zwaartekrachtveld van de aarde.
Als een buis verschillende vloeistoffen met verschillende dichtheden bevat, zal centrifugatie ze in afzonderlijke lagen houden in volgorde van dichtheid, waarbij de dichtste vloeistof het dichtst bij de basis ligt. Een dergelijke stapeling van meerdere vloeistoffen wordt een 'dichtheidsgradiënt' genoemd. Er zijn twee typen. In stapgradiënten worden vloeistoffen met afnemende dichtheid zorgvuldig op elkaar gelegd. In continue gradiënten worden de vloeistoffen in verschillende verhoudingen gemengd, zodat de dichtheid vanaf de basis naar boven toe soepel afneemt.
Cellulaire organellen kunnen worden gescheiden met behulp van een stapgradiënt, door middel van 'isopycnische dichtheidsgradiënt centrifugatie.' Dit is de eenvoudigste en meest gebruikelijke centrifugatieprocedure.
Deze procedure wordt gebruikt om de celstructuren te scheiden. Hoe dichter het orgaan, hoe verder het daalt-met mitochondriën aan de bovenkant en nucleïnezuren naar de onderkant.
Nu u de principes achter de techniek kent, laten we het in het laboratorium zien.
Voordat de procedure wordt gestart, moeten de snelheids- en dichtheidsclassificaties van de fabrikant worden opgemerkt en moet de ultracentrifuge worden gecontroleerd op corrosie. Deze procedure gebruikt een swingende-bucket rotor.
Eerst wordt het cellulaire materiaal voorbereid door de cellen te homogeniseren, wat hun organellen niet-destructief vrijmaakt. Het homogenaat kan worden gefractioneerd door middel van voorafgaande centrifugatie bij lage snelheid, om componenten met lage dichtheid te verwijderen. Vervolgens worden de sucrose-oplossingen bereid.
Sucrose wordt in toenemende hoeveelheden toegevoegd zodat elke oplossing meer geconcentreerd, en dus dichter, is dan de vorige. De exacte dichtheden van de oplossingen zijn afhankelijk van de componenten die moeten worden gescheiden, die variëren tussen organismen. De oplossingen moeten dichtheden hebben tussen die van de componenten die moeten worden gescheiden, met de laatste oplossing dichter dan het dichtste component van de analyt. Technieken voor het scheiden van componenten die dichter zijn dan sucrose, zoals nucleïnezuren, worden beschreven in de toepassingen.
De sucrosegradiënt wordt nu gemaakt in een schone centrifugebuis. Een pipet wordt gebruikt om de meest geconcentreerde sucrose-oplossing op te trekken. Met de buis rechtop gehouden, wordt de pipetpunt hoog tegen de muur geplaatst en wordt de vloeistof gestaag naar beneden gedispenseerd. Het is belangrijk dat het werkgebied vrij wordt gehouden van trillingen en andere storingen.
Na het vervangen van de punt worden de resterende oplossingen toegevoegd in volgorde van afnemende dichtheid. Ze worden zorgvuldig gedispenseerd om duidelijke lagen te vormen en vermenging te voorkomen. Ten slotte wordt ongeveer een halve milliliter van het cellulaire monster bovenop de gradiënt toegevoegd en wordt de buis gewogen. Dit wordt gebruikt om de gewichtsverdeling in evenwicht te brengen, de volgende stap van het proces.
Centrifugatie moet zo snel mogelijk beginnen. De buis wordt in de rotor geplaatst, die vervolgens wordt gebalanceerd door het plaatsen van lege oplossingen van gelijk gewicht in tegenoverliggende sleuven. De rotor wordt in de ultracentrifuge geplaatst en het systeem wordt afgesloten. De temperatuur en rotatiesnelheid en tijd worden ingesteld. Typische waarden zijn 4 °C met een kracht van meer dan 100.000 x g gedurende 16 uur.
Na centrifugatie wordt de buis uit de rotor gehaald, waarbij moet worden gezorgd dat deze rechtop en ongestoord blijft. De verschillende cellulaire componenten zijn gefractioneerd in afzonderlijke banden tussen de oplossingslagen. De fracties kunnen worden verzameld met een spuit. Als alternatief kan de bodem van de buis worden doorboord met een fijne, gesteriliseerde naald en kan de uitstroming worden verzameld in steriele buisjes. De cellulaire componenten zijn nu geïsoleerd. Ze kunnen worden bewaard bij -80 °C.
Nu we de basisprocedure hebben gezien, laten we eens kijken naar enkele toepassingen.
Een typische toepassing is de isolatie van multi-eiwitcomplexen in plantencellen. In dit voorbeeld worden complexen die verantwoordelijk zijn voor cyclische elektronenstroom geïsoleerd uit de thylakoïde, de plaats van de lichtreactie in fotosynthese. Deze procedure gebruikt discrete oplossingen van 14 tot 45% sucrose. Centrifugatie vindt plaats over 100.000 x g gedurende 14 uur bij 4 °C.
Omdat nucleïnezuren dichter zijn dan sucrose, kan isopycnische centrifugatie ze niet niet-destructief van organellen scheiden.
Een andere techniek, bekend als'snelheid-zonale centrifugatie' wordt gebruikt. Het scheidt organellen op basis van hun sedimentatiesnelheden, die niet alleen afhankelijk zijn van hun dichtheden, maar ook van hun conformatie. Een continue gradiënt wordt gebruikt om de componenten op basis van deze eigenschap te scheiden.
De procedurele stappen zijn vergelijkbaar met die voor isopycnische gevallen