JoVE Science Education
Biochemistry
This content is Free Access.
JoVE Science Education Biochemistry
Dialysis: Diffusion Based Separation
  • 00:00Overview
  • 00:40Principles of Dialysis
  • 02:41Dialysis Procedure
  • 03:51Applications
  • 05:07Summary

דיאליזה: הפרדה מבוססת דיפוזיה

English

Share

Overview

דיאליזה היא טכניקה נפוצה המשמשת בביוכימיה להפרדת מולקולות המבוססות על דיפוזיה. בהליך זה, קרום חצי-אמין מאפשר תנועה של מולקולות מסוימות בהתבסס על גודל. שיטה זו יכולה להיות מיושמת על הסרת חוצץ, המכונה התפלה, או החלפת מולקולות חיץ או יונים מפתרון חלבון.

וידאו זה מכסה את עקרונות הדיאליזה יחד עם הליך כללי.  מספר יישומים של דיאליזה נבדקים, כולל הסרת ריאגנטים הדרגתיים בעקבות ultracentrifugation, הסרת דטרגנט לאחר מיצוי חלבון ממברנה, ואת שחזור של חלבונים על ידי שינוי סביבת הפתרון.

דגימות ביוכימיות בדרך כלל יש ריכוזי חיץ גבוהים שיכולים לשבש עיבוד וניתוח במורד הזרם. דיאליזה היא טכניקה נפוצה וזולה המשמשת להפרדת מולקולות המבוססות על דיפוזיה. השיטה משתמשת בממברנה חדירה למחצה המאפשרת תנועה של רכיבים מסוימים, בהתבסס על גודל. וידאו זה יציג את המושגים של דיאליזה, הליך כללי, וחלק מהשימושים שלה בביוכימיה.

ההיבט החשוב ביותר של דיאליזה הוא קרום חדיר למחצה, אשר יש נקבוביות להטיל חתך משקל מולקולרי, המאפשר מולקולות מתחת לגודל מסוים לעבור. לדוגמה, קרום 10k בדרך כלל ישמור על מולקולות גדולות מ 10 קילודלטון. עם זאת, ניתוק המשקל המולקולרי אינו גבול נפרד או מדויק. הממברנה מכילה בדרך כלל מגוון רחב של גדלי נקבוביות, כך שחלק קטן של מולקולות ליד הניתוק עלול ללכת לאיבוד.

מכיוון שהניתוק במשקל המולקולרי מוגדר באמצעות חלבונים כדוריים, מולקולות ליניאריות של מסה דומה, כמו DNA או RNA, עשויות לחמוק. ממברנות נבחרות בדרך כלל חצי עד שליש מהמשקל המולקולרי של המולקולה הרצויה.

כדי לבצע את ההליך, מדגם ממוקם לתוך הממברנה, אשר בתורו מתווסף נפח גדול של פתרון, הנקרא דיאליזה. עם הזמן, מולקולות קטנות יותר יפוזרו בחופשיות על פני הממברנה שבין המדגם לדיאליזה, בעוד הביומולקולות הגדולות יותר מוחזקות בפנים. דיאליזה היא תהליך איטי. זה נפוץ לאפשר לו לרוץ לילה, או אפילו על פני מספר ימים.

אם הדיאליזה היא מים טהורים, ריכוז המאגר הכולל יקטן, תהליך המכונה התפלה. אם הפתרון מכיל חלקיקים קטנים אחרים, חלקם יעברו לדגימה, מה שיוביל להחלפת חיץ. מכיוון שדיאליזה היא תהליך שיווי משקל, ניתן לרענן את הדיאליזה מספר פעמים כדי לעקור עוד יותר מולקולות קטנות. לאחר השלמת התהליך המדגם נאסף מחדש לעיבוד נוסף.

עכשיו שראיתם את היסודות של דיאליזה, בואו נסתכל על הליך כללי.

לפני תחילת ההליך, הממברנה מוכנסת מראש בדיאליזה. זה מקל על השימוש, ומסיר כל חומרים משמרים. לאחר מוכן, המדגם נאסף, בדרך כלל עם מזרק ולאחר מכן מתווסף למיכל הדיאליזה. זה יכול להיות צינורות חשופים, או כלול בתוך קלטת. עודף אוויר מוסר ממערך הדיאליזה כדי למקסם את שטח הפנים של הדגימה עם הממברנה. לאחר מכן ההתקנה ממוקמת בדיאליזה תוך ערבוב כדי למקסם את הדיפוזיה. זה צריך לצוף כדי לא לעכב ערבוב.

הדיאליזה משתנה במרווחי זמן רלוונטיים כאשר מתבצע שיווי משקל בין דגימה לדיאליזה. לאחר השינוי האחרון, התגובה בדרך כלל נותרת לרוץ בן לילה. לאחר פרק זמן מספיק, המדגם ללא מאגר או מוחלף מוסר מהקלטת. לאחר איסוף, המדגם ניתן לנתח או מעובד נוסף, בהתאם לאופי הניסוי.

עכשיו שבדקנו הליך דיאליזה כללי, בואו נראה כמה מהדרכים שבהן הטכניקה הזו משמשת בביוכימיה.

שיפועי צפיפות הם דרך נפוצה להפריד דגימות ביולוגיות מורכבות. מושג זה מסתמך על ההתפלגות על חלקיקים קטנים, בדרך כלל סוכרוז או יונים כלוריד צסיום. לאחר השלמת, ריאגנטים אלה בדרך כלל צריך להיות מוסר לפני המדגם שנאסף ניתן לעבד. דיאליזה מאפשרת להשתמש במדגם המטוהר לניתוח עתידי.

חלבונים מסוימים נמצאים בתוך דו-שכבתי השומנים של התא, והם נחקרים בדרך כלל על ידי שילובם לתוך שלל שומנים כדורי המכונה ליפוזומים. החלבונים והשומנים מופקים תחילה עם חומר ניקוי. דיאליזה יכול לשמש כדי להסיר לאט את חומר הניקוי, יצירת פרוטאוליפוזומים.

לאחר הטיהור, חלבונים מסוימים מטופלים לא נכון, או denatured, המוביל לאובדן פונקציונליות. ניתן להסיר את התרכובות הגורמות לשינויים אלה במבנה באמצעות דיאליזה, מה שמוביל לרפורמציה של ניתוחים מתפקדים.

הרגע צפית בסרטון של ג’וב בדיאליזה. עכשיו אתה צריך להבין שיטה זו המבוססת על דיפוזיה, הליך ניסיוני פשוט, ואת השימוש בטכניקה זו.

תודה שצפיתם!

Procedure

דיאליזה היא טכניקה נפוצה המשמשת בביוכימיה להפרדת מולקולות המבוססות על דיפוזיה. בהליך זה, קרום חצי-אמין מאפשר תנועה של מולקולות מסוימות בהתבסס על גודל. שיטה זו יכולה להיות מיושמת על הסרת חוצץ, המכונה התפלה, או החלפת מולקולות חיץ או יונים מפתרון חלבון. וידאו זה מכסה את עקרונות הדיאליזה יחד עם הליך כללי.  מספר יישומים של דיאליזה נבדקים, כולל הסרת ריאגנטים הדרגתיים בעקבות ultracentrifugation, הסרת דטרגנט לאחר מיצוי חלבון ממברנה, ואת שחזור של חלבונים על ידי שינוי סביבת הפתרון.

Disclosures

No conflicts of interest declared.

Transcript

Biochemical samples typically have high buffer concentrations that can disrupt downstream processing and analysis. Dialysis is a common, inexpensive technique used to separate molecules based on diffusion. The method utilizes a semi-permeable membrane that allows the movement of certain components, based on size. This video will show the concepts of dialysis, a general procedure, and some of its uses in biochemistry.

The most important aspect of dialysis is a semi-permeable membrane, which has pores that impose a molecular weight cut-off, allowing molecules below a certain size to pass through. For example, a 10k membrane will generally retain molecules larger than 10 kilodaltons. However, the molecular weight cutoff is not a discrete or precise boundary. The membrane typically contains a broad range of pore sizes, so a small fraction of molecules near the cutoff may be lost.

Since the molecular weight cutoff is defined using globular proteins, linear molecules of similar mass, like DNA or RNA, may slip through. Membranes are typically chosen one half to one third the molecular weight of the desired molecule.

To perform the procedure, a sample is placed into the membrane, which is in turn added to a large volume of solution, called the dialysate. Over time, smaller molecules will diffuse freely across the membrane between the sample and the dialysate, while the larger biomolecules are held within. Dialysis is a slow process. It is common to allow it to run overnight, or even across multiple days.

If the dialysate is pure water, the overall buffer concentration will decrease, a process known as desalting. If the solution contains other small particles, some will move into the sample, leading to buffer exchange. Because dialysis is an equilibrium process, the dialysate can be refreshed multiple times to further displace small molecules. Once the process is complete the sample is re-collected for further processing.

Now that you’ve seen the basics of dialysis, let’s take a look at a general procedure.

Before beginning the procedure, the membrane is presoaked in dialysate. This makes it easier to use, and removes any preservatives. Once ready, the sample is collected, typically with a syringe and is then added to the dialysis container. This can be bare tubing, or contained within a cassette. Excess air is removed from the dialysis setup to maximize the sample’s surface area with the membrane. The setup is then placed into the dialysate with stirring to maximize the diffusion. It should float to not inhibit stirring.

The dialysate is changed at relevant intervals as equilibrium between sample and dialysate is reached. After the last change, the reaction is typically left to run overnight. After a sufficient time period, the buffer-free or -exchanged sample is removed from the cassette. Once collected, the sample can be analyzed or further processed, depending on the nature of the experiment.

Now that we’ve looked at a general dialysis procedure, let’s see some of the ways this technique is used in biochemistry.

Density gradients are a common way to separate complex biological samples. This concept relies on the distribution on small particles, typically sucrose or cesium chloride ions. Once complete, these reagents typically need to be removed before the collected sample can be processed. Dialysis makes it possible to utilize the purified sample for future analysis.

Certain proteins are found within a cell’s lipid bilayer, and are usually studied by interspersing them into spherical lipid vesicles known as liposomes. The proteins and lipids are first extracted with a detergent. Dialysis can be used to slowly remove the detergent, forming proteoliposomes.

After purification, some proteins are misfolded, or denatured, leading to a loss in functionality. The compounds that cause these changes in structure can be removed with dialysis, leading to the reformation of functioning analytes.

You’ve just watched JoVE’s video on dialysis. You should now understand this diffusion-based method, a simple experimental procedure, and the use of this technique.

Thanks for watching!

Tags

Cite This
JoVE Science Education Database. JoVE Science Education. Dialysis: Diffusion Based Separation. JoVE, Cambridge, MA, (2023).

Related Videos