Se requiere una suscripción a JoVE para ver este contenido.  Inicie sesión o comience su prueba gratuita.
Density Gradient Ultracentrifugation
  • 00:00Descripción
  • 00:40Principles of Density Gradient Ultracentrifugation
  • 02:47Preparing a Sucrose Density Gradient
  • 04:51Centrifugation
  • 05:55Applications
  • 08:15Summary

אולטרה-צנטריפוגה הדרגתית של צפיפות

English

Compartir

Descripción

אולטרה-צנטריפוגה הדרגתית של צפיפות היא טכניקה נפוצה המשמשת לבודד ולטהר ביומולקולים ומבני תאים. טכניקה זו מנצלת את העובדה כי, בהשעיה, חלקיקים צפופים יותר מאשר הממס יהיה מ משקעים, בעוד אלה כי הם פחות צפופים יצוף. אולטרה-צנטריפוגה במהירות גבוהה משמשת להאצת תהליך זה על מנת להפריד ביומולקולים בתוך שיפוע צפיפות, אשר ניתן להקים על ידי שכבות נוזלים של ירידה בצפיפות בצינור צנטריפוגה.

הסרטון יכסה את העקרונות של אולטרה-צנטריפוגה הדרגתית בצפיפות, כולל הליך המדגים הכנת מדגם, יצירת שיפוע סוכרוז, אולטרה-צנטריפוגה ואיסוף של ניתוחים חלקיים. סעיף היישומים דן בבידוד של מתחמים מרובי חלבונים, בידוד מתחמי חומצת גרעין והפרדה באמצעות שיפועי צפיפות צסיום כלוריד.

אולטרה-צנטריפוגה הדרגתית בצפיפות היא גישה נפוצה לבודד ולטהר מבני תאים לניסויים ביוכימיים. הטכניקה משתמשת בצנטריפוגה במהירות גבוהה, או אולטרה, כדי להפריד באופן לא מבני רכיבים סלולריים במעבר צבע בצפיפות. וידאו זה מתאר את העקרונות של אולטרה-צנטריפוגה הדרגתית של צפיפות, מספק הליך כללי באמצעות מעבר צבע סוכרוז, ודן ביישומים מסוימים.

נתחיל בבחינת העקרונות של שיפועי אולטרה-צנטריפוגות וצפיפות. השעיה מכילה חלקיקים בממס נוזלי. בגלל כוח המשיכה, חלקיקים צפופים יותר מאשר משקעים ממס החוצה בעוד אלה פחות צפוף מאשר ממס לצוף. כך גדל ההבדל בצפיפות בין החלקיק לממס, כך ההפרדה מהירה יותר.

אולטרה-צנטריפוגה מכילה יחידה הנקראת רוטור, המסתובבת במהירויות מבוקרות מאוד, המדמה שדה כבידה חזק. בתוך שדה זה, ההבדלים בצפיפות בין החלקיקים לבין הממס מוגדלים.

כוח השדה תלוי במהירות הסיבוב. אפילו רוטור קטן במהירות סיבובית נמוכה יחסית יכול ליצור כוח חזק פי אלף משדה הכבידה של כדור הארץ.

אם צינור מכיל מספר נוזלים בצפיפות שונה, צנטריפוגה תשמור אותם בשכבות נפרדות לפי סדר הצפיפות, כאשר הנוזל הצפוף ביותר קרוב לבסיס. שכבות כאלה של נוזלים מרובים נקראות “שיפוע צפיפות”. ישנם שני סוגים. במעברי צבע שלב, נוזלים של צפיפות פוחתת הם בשכבות בקפידה אחד על השני. בשיפועים רציפים, הנוזלים מעורבים בממדים שונים, כך שהצפיפות יורדת בצורה חלקה מהבסיס כלפי מעלה.

ניתן להפריד אברונים תאיים באמצעות מעבר צבע צעד, באמצעות “צנטריפוגה הדרגתית של צפיפות איזופינית”. זהו הליך המרכז הפשוט והנפוץ ביותר.

הליך זה משמש להפרדת המבנים התאיים. ככל שהאברון צפוף יותר, כך הוא יורד – עם מיטוכונדריה בחלק העליון וחומצות גרעין לכיוון הקרקעית.

עכשיו שאתה יודע את העקרונות מאחורי הטכניקה, בואו נראה את זה במעבדה.

לפני תחילת ההליך, יש לציין את דירוגי המהירות והצפיפות של היצרן, ואת ultracentrifuge בדק קורוזיה. הליך זה משתמש רוטור דלי מתנדנד.

ראשית, החומר התאי מוכן על ידי הומוגניזציה התאים, אשר משחרר באופן לא מבני את האברונים שלהם. הומוגנט עשוי להיות מופרד באמצעות צנטריפוגה במהירות נמוכה ראשונית, כדי להסיר רכיבים בצפיפות נמוכה. לאחר מכן, פתרונות סוכרוז מוכנים.

סוכרוז מתווסף בכמויות הולכות וגדלות כך שכל פתרון מרוכז יותר, ולכן צפוף יותר מקודמו. הצפיפות המדויקת של הפתרונות תהיה תלויה ברכיבים שיש להפריד, המשתנים בין אורגניזמים. הפתרונות צריכים להיות צפיפות בין אלה של הרכיבים להיות מופרדים, עם הפתרון האחרון צפוף יותר מאשר המרכיב הצפוף ביותר של הניתוח. טכניקות להפרדת רכיבים צפופים יותר סוכרוז, כמו חומצות גרעין, מתוארות ביישומים.

שיפוע סוכרוז נוצר כעת בצינור צנטריפוגה נקי. פיפטה משמשת כדי לצייר את פתרון סוכרוז המרוכז ביותר. כשהצינור מוחזק זקוף, קצה הפיפטה ממוקם גבוה על הקיר, והנוזל מתחלק בהתמדה כלפי מטה. חשוב שאזור העבודה יישאר נקי מתנודות והפרעות אחרות.

לאחר החלפת הקצה, מוסיפים את הפתרונות הנותרים על מנת להקטין את הצפיפות. הם מחולקים בקפידה כדי ליצור שכבות נפרדות ולהימנע ערבוב. לבסוף, כחצי מיליליטר של המדגם הסלולר מתווסף על גבי השיפוע, ואת הצינור נשקל. זה משמש כדי לאזן את התפלגות המשקל, השלב הבא של התהליך.

צנטריפוגה צריכה להתחיל בהקדם האפשרי. הצינור ממוקם ברוטור, אשר מאוזן לאחר מכן על ידי הצבת פתרונות ריקים במשקל שווה בחריצים מנוגדים. הרוטור ממוקם ב האולטרה-צנטריפוגה והמערכת אטומה. הטמפרטורה ומהירות הסיבוב וזמן מוגדרים. ערכים אופייניים הם 4 °C (70 °F) עם כוח של מעל 100,000 x g עבור 16 שעות.

לאחר צנטריפוגה, הצינור הוא נסוג מן הרוטור, דואג לשמור אותו זקוף ולא מופרע. הרכיבים התאיים השונים מחולקים לפסים נפרדים בין שכבות הפתרון. ניתן לאסוף את השברים במזרק. לחלופין, ניתן לנקב את תחתית הצינור עם מחט מעוקרת עדינה ואת היציאה שנאספה בצינורות סטריליים. הרכיבים התאיים מבודדים כעת. הם יכולים להיות מאוחסנים ב -80 מעלות צלזיוס.

עכשיו שראינו את ההליך הבסיסי, בואו נסתכל על כמה יישומים.

יישום טיפוסי הוא בידוד של מתחמי חלבון מרובים בתאי צמח. בדוגמה זו, מתחמים האחראים על זרימת אלקטרונים מחזוריים מבודדים מן thylakoid, האתר של תגובת האור בפוטוסינתזה. הליך זה משתמש בפתרונות נפרדים של 14 עד 45% סוכרוז. צנטריפוגה מתרחשת מעל 100,000 x g עבור 14 שעות ב 4 °C (70 °F).

מכיוון שצרידות גרעין צפופות יותר מ סוכרוז, צנטריפוגה איזופתית אינה יכולה להפריד ביניהן לאברונים באופן לא-טבעי.

טכניקה אחרת, המכונה “צנטריפוגה שיעור-zonal” משמש. הוא מפריד בין אברונים על סמך שיעורי המשפך שלהם, התלויים לא רק בצפיפות שלהם, אלא גם בקונפורציות שלהם. מעבר צבע רציף משמש להפרדת הרכיבים בהתבסס על מאפיין זה.

הצעדים הפרוצדורליים דומים לאלה של מקרים איזופיקים. בדוגמה זו, מתחמי ריבוזום RNA מבודדים באמצעות שיפוע רציף של 5% עד 20%, צנטריפוגות ב 230,000 x g. צנטריפוגה מופרעת לאחר מספר שעות כדי למנוע משקעים משותפים.

גדילי חומצת גרעין ניתן להפריד אחד מהשני על בסיס צפיפות.

הסיבה לכך היא גדילים עשירים גואנין וציטוצין צפופים יותר מאלה עשירים אדנין ותיאמין. במקרה זה, השיפוע לא יכול להיות עשוי סוכרוז, כי סוכרוז הוא פחות צפוף מאשר חומצות גרעין. במקום זאת, שיפועים צסיום כלוריד, בדרך כלל מ 1.65 כדי 1.75 גרם / מ”ל משמשים, שכן יש להם צפיפות מספקת וצמיגות נמוכה.

כאן אנו רואים דנ”א פלנקטון מטוהר באמצעות שיפוע צסיום כלוריד רציף. צנטריפוגה מתרחשת מעל 1,000,000 x g עבור 18 שעות תחת ואקום.

הרגע צפית בסרטון של JoVE על אולטרה-צנטריפוגה עם שיפוע צפיפות סוכרוז. כעת עליך להבין כיצד פועל מעבר צבע של צפיפות, כיצד לבנות מעבר צבע צעד וכיצד לטעון ולהפעיל אולטרה-צנטריפוגה. תודה שצפיתם!

Procedimiento

אולטרה-צנטריפוגה הדרגתית של צפיפות היא טכניקה נפוצה המשמשת לבודד ולטהר ביומולקולים ומבני תאים. טכניקה זו מנצלת את העובדה כי, בהשעיה, חלקיקים צפופים יותר מאשר הממס יהיה מ משקעים, בעוד אלה כי הם פחות צפופים יצוף. אולטרה-צנטריפוגה במהירות גבוהה משמשת להאצת תהליך זה על מנת להפריד ביומולקולים בתוך שיפוע צ…

Divulgaciones

No conflicts of interest declared.

Transcripción

Density gradient ultracentrifugation is a common approach to isolate and purify cell structures for biochemical experiments. The technique uses a high-speed, or ultra, centrifuge to nondestructively separate cellular components in a density gradient. This video describes the principles of density gradient ultracentrifugation, provides a general procedure using a sucrose gradient, and discusses some applications.

Let’s start by examining the principles of ultracentrifuges and density gradients. A suspension contains particles in a liquid solvent. Because of gravity, particles denser than the solvent sediment out while those less dense than the solvent float. The greater the difference in density between the particle and the solvent, the faster the separation.

An ultracentrifuge contains a unit called a rotor, which rotates at highly controlled speeds, simulating a strong gravitational field. Within this field, the differences in density between particles and the solvent are magnified.

The strength of the field depends on the speed of rotation. Even a small rotor at a relatively low rotational speed can create a force thousands of times stronger than the earth’s gravitational field.

If a tube contains several liquids of different densities, centrifugation will keep them in separate layers in order of density, with the densest liquid closest to the base. Such a layering of multiple liquids is called a “density gradient.” There are two types. In step gradients, liquids of decreasing density are carefully layered on top one another. In continuous gradients, the liquids are mixed in varying proportions, so the density decreases smoothly from the base upwards.

Cellular organelles can be separated using a step gradient, through “isopycnic density-gradient centrifugation.” This is the simplest and most common centrifugation procedure.

This procedure is used to separate the cellular structures. The more dense the organelle, the further it descends-with mitochondria at the top and nucleic acids towards the bottom.

Now that you know the principles behind the technique, let’s see it in the lab.

Before the procedure is started, the manufacturer’s speed and density ratings should be noted, and the ultracentrifuge checked for corrosion. This procedure uses a swinging-bucket rotor.

First, the cellular material is prepared by homogenizing the cells, which nondestructively releases their organelles. The homogenate may be fractionated through preliminary low-speed centrifugation, to remove low-density components. Next, the sucrose solutions are prepared.

Sucrose is added in increasing amounts so each solution is more concentrated, and therefore denser, than the preceding one. The exact densities of the solutions will depend on the components to be separated, which vary between organisms. The solutions should have densities between those of the components to be separated, with the last solution denser than the densest component of the analyte. Techniques for separating components denser than sucrose, like nucleic acids, are described in the applications.

The sucrose gradient is now created in a clean centrifuge tube. A pipette is used to draw up the most concentrated sucrose solution. With the tube held upright, the pipette tip is placed high against the wall, and the liquid dispensed steadily down. It’s important that the working area is kept free of vibrations and other disturbances.

After replacing the tip, the remaining solutions are added in order of decreasing density. They are dispensed carefully to form distinct layers and avoid mixing. Finally, about half a milliliter of the cellular sample is added atop the gradient, and the tube is weighed. This is used to balance the weight distribution, the next step of the process.

Centrifugation should begin as soon as possible. The tube is placed in the rotor, which is then balanced by placing blank solutions of equal weight in opposing slots. The rotor is placed in the ultracentrifuge and the system sealed. The temperature and rotation speed and time are set. Typical values are 4 °C with a force of over 100,000 x g for 16 h.

After centrifugation, the tube is withdrawn from the rotor, taking care to keep it upright and undisturbed. The different cellular components have fractionated into discrete bands between the solution layers. The fractions can be collected with a syringe. Alternately, the bottom of the tube can be punctured with a fine, sterilized needle and the outflow collected in sterile tubes. The cellular components have now been isolated. They can be stored at -80 °C.

Now that we’ve seen the basic procedure, let’s look at some applications.

A typical application is the isolation of multi-protein complexes in plant cells. In this example, complexes responsible for cyclic electron flow are being isolated from the thylakoid, the site of the light reaction in photosynthesis. This procedure uses discrete solutions of 14 to 45% sucrose. Centrifugation occurs over 100,000 x g for 14 h at 4 °C.

Because nucleic acids are denser than sucrose, isopycnic centrifugation cannot separate them from organelles nondestructively.

A different technique, known as “rate-zonal centrifugation” is used. It separates organelles based on their sedimentation rates, which depend not only on their densities, but also on their conformations. A continuous gradient is used to separate the components based on this property.

The procedural steps are similar to those for isopycnic cases. In this example, RNA-ribosome complexes are isolated using a continuous gradient of 5% to 20%, centrifuged at 230,000 x g. Centrifugation is interrupted after a few hours to prevent co-precipitation.

Nucleic acid strands can be separated from each other on the basis of density.

This is because strands rich in guanine and cytosine are denser than those rich in adenine and thiamine. In this case, the gradient cannot be made of sucrose, because sucrose is less dense than nucleic acids. Instead, cesium chloride gradients, typically from 1.65 to 1.75 g/mL are used, as they have sufficient density and a low viscosity.

Here we see plankton DNA being purified using a continuous cesium chloride gradient. Centrifugation occurs at over 1,000,000 x g for 18 h under vacuum.

You’ve just watched JoVE’s video on ultracentrifugation with a sucrose density gradient. You should now understand how a density gradient works, how to construct a step gradient, and how to load and operate an ultracentrifuge. Thanks for watching!

Tags

Cite This
JoVE Science Education Database. JoVE Science Education. Density Gradient Ultracentrifugation. JoVE, Cambridge, MA, (2023).

Videos relacionados