Białka komórkowe można podzielić na dwie klasy: te, które są związane z błonami i te, które nie są. Białka niezwiązane z błoną znajdują się w cytozolu, nukleoplazmie i luminie organelli, takich jak retikulum endoplazmatyczne (ER). Istnieją dwie klasy białek związanych z błoną, integralne i obwodowe. Integralne białka błonowe są również znane jako białka transbłonowe, ponieważ jeden lub więcej segmentów łańcucha polipeptydowego obejmuje błonę, zwykle jako α-helisa złożona z aminokwasów hydrofobowych. Białka transbłonowe są kotranslacyjnie wprowadzane do błon w trakcie ich biosyntezy i pozostają tak skonfigurowane, dopóki nie zostaną katabolizowane. Białka błon obwodowych są wtórnie kierowane do błon, zwykle w wyniku modyfikacji potranslacyjnej cząsteczkami hydrofobowymi, takimi jak lipidy. W przeciwieństwie do integralnych białek błonowych, asocjacja białek błony obwodowej z błonami komórkowymi jest odwracalna i może być regulowana. Wiele białek błon obwodowych funkcjonuje w szlakach sygnałowych, a regulowane asocjacja z błonami jest jednym z mechanizmów aktywacji lub hamowania szlaku. Jednym z przykładów cząsteczki sygnałowej, która jest białkiem błony obwodowej, jest mała GTPaza, RAS. Po serii modyfikacji potranslacyjnych, które obejmują modyfikację lipidem farnezylu, zmodyfikowany C-koniec dojrzałego białka RAS wstawia się do cytoplazmatycznego płatka błony komórkowej. W szczególności błona plazmatyczna jest miejscem, w którym RAS angażuje swój dalszy efektor RAF1. Aby zapobiec konstytutywnej aktywacji szlaku kinazy białkowej aktywowanej mitogenem (MAPK), istnieje wiele poziomów kontroli RAS. Oprócz unieszkodliwiania RAS poprzez hydrolizę GTP do GDP, aktywny RAS może być również uwalniany z błony plazmatycznej poprzez modyfikacje lub interakcje z czynnikami rozpuszczającymi w celu zahamowania sygnalizacji. Chociaż obrazowanie fluorescencyjne na żywo daje biologom komórkowym możliwość obserwowania subkomórkowej lokalizacji białek obwodowych znakowanych białkami fluorescencyjnymi1, nadal istnieje krytyczna potrzeba oceny asocjacji błonowej białek endogennych półilościowo za pomocą prostych podejść biochemicznych.
Właściwa biochemiczna ocena podziału białek między frakcjami błonowymi i rozpuszczalnymi zależy krytycznie od dwóch czynników: homogenizacji komórkowej i efektywnego oddzielania frakcji błonowych i rozpuszczalnych. Chociaż niektóre protokoły, w tym najczęściej stosowane komercjalizowane zestawy, opierają się na homogenizacji komórek na bazie detergentów, metody te mogą zaciemniać analizę poprzez ekstrakcję białek błonowych do fazy rozpuszczalnej2. W związku z tym, mechaniczne metody rozbijania komórek nieoparte na detergentach zapewniają czystsze rezultaty. Istnieje kilka metod mechanicznego rozbijania komórek wyhodowanych w kulturze lub pobranych z krwi lub narządów. Należą do nich homogenizacja Dounce, rozbijanie cienkiej igły, homogenizacja łożysk kulkowych, sonikacja i kawitacja azotem. Tutaj oceniamy kawitację azotu i porównujemy ją z innymi metodami. Kawitacja azotu opiera się na azocie, który rozpuszcza się w cytoplazmie komórek pod wysokim ciśnieniem. Po zrównoważeniu zawiesina komórkowa jest nagle wystawiana na działanie ciśnienia atmosferycznego, tak że w cytoplazmie tworzą się pęcherzyki azotu, które rozrywają komórkę w wyniku ich musowania. Jeśli ciśnienie jest wystarczająco wysokie, musowanie azotem może zakłócić jądro3 i organelle związane z błoną, takie jak lizosomy4. Jeśli jednak ciśnienie jest utrzymywane na wystarczająco niskim poziomie, dekompresja zakłóci błonę plazmatyczną i ER, ale nie inne organelle, rozlewając w ten sposób zarówno cytozol, jak i nienaruszone organelle cytoplazmatyczne do homogenatu, który jest oznaczony jako kawitat5. Z tego powodu kawitacja azotowa jest metodą z wyboru do izolowania organelli, takich jak lizosomy i mitochondria.
Jest to jednak również doskonały sposób na przygotowanie homogenatu, który można łatwo podzielić na frakcje membranowe i rozpuszczalne. Zbiornik ciśnieniowy (zwany dalej "bombą") używany podczas kawitacji składa się z grubej obudowy ze stali nierdzewnej, która wytrzymuje wysokie ciśnienie, z wlotem do dostarczania azotu ze zbiornika i króćcem wylotowym z regulowanym zaworem spustowym.
Kawitacja azotowa jest stosowana do homogenizacji komórek od lat 60-tych6. W 1961 roku Hunter i Commerfold7 ustalili, że kawitacja azotowa jest realną opcją niszczenia tkanek ssaków. Od tego czasu naukowcy z powodzeniem dostosowali tę technikę do różnych komórek i tkanek, a kawitacja azotowa stała się podstawą wielu zastosowań, w tym w przygotowaniu błony8,9, preparacja jąder i organelli10,11i labilna ekstrakcja biochemiczna. Obecnie biolodzy komórkowi coraz częściej stosują inne metody homogenizacji komórek, ponieważ korzyści płynące z homogenizacji azotu nie są szeroko reklamowane, bomby azotowe są drogie i istnieje błędne przekonanie, że wymagana jest stosunkowo duża liczba komórek. Protokoły kawitacji azotu w celu uzyskania bezkomórkowych homogenatów z nienaruszonymi jądrami nie zostały opublikowane, a w większości opublikowanych ocen wykorzystano objętości 20 ml zawiesiny komórkowej. Aby dostosować tę klasyczną technikę do aktualnych wymagań pracy z próbkami na małą skalę, przedstawiamy zmodyfikowany protokół kawitacji azotowej zaprojektowany specjalnie dla hodowanych komórek. Po kawitacji azotu homogenat rozdziela się na frakcje rozpuszczalne (S) i błonowe (P) przez wirowanie różnicowe, najpierw z wolnym wirowaniem w celu usunięcia jąder i nieuszkodzonych komórek, a następnie z szybkim wirowaniem (>100 000 x g) w celu oddzielenia błon od frakcji rozpuszczalnej. Analizujemy skuteczność separacji za pomocą immunoblotów i porównujemy kawitację azotu z innymi technikami rozrywania mechanicznego. Badamy również efekt osmotyczny buforu homogenizacyjnego podczas kawitacji azotu.