Welche Bedeutung hat die Zentrifugation bei der Erforschung der Zelle?

Hi,

angenommen du nimmst ein Wasserglas, machst es voll Wasser und streust Sand rein, was beobachtet man dann? 

Die Sandkörner setzen sich langsam am Boden des Glases ab, man sagt auch sie "sedimentieren". Das liegt an der Gravitationsbeschleunigung der Erde. Die Sandkörner sind pro Sandkornvolumen "schwerer" (sie haben eine höhere Dichte), als ein gleiches Volumen Wasser, deshalb sinken sie im Kraftfeld der Erde in Wasser zu Boden (in Richtung Erdmittelpunkt). Wenn man einen Füller hochschmeißt, "sedimentiert" der in Luft relativ schnell, er kracht zu Boden, man verwendet Sedimentation, was soviel heißt wie sich absetzen, typischerweise bei Flüssigkeiten. 

Wenn man nun eine Lösung mit Makromolekülen (z.B. Proteine) oder Zellen oder Zellbestandteilen hat, "Chloroplasten", "Zellkerne", "Mitochondrien" u.s.w. und tut die in Wasser, kann man ewig und 3 Tage warten, ehe etwas sedimentiert ggf. sedimentiert auch während des Wartens nichts. D.h. diese Methode des reintuns und abwarten wäre untauglich. 

Wenn man die Stoffe aber nun in ein rotierendes Röhrchen überführt, dann herrscht in dem Röhrchen, durch die Rotation, ein Vielfaches der Erdbeschleunigung, die relative Zentrifugalbeschleunigung wird üblicherweise als Vielfaches der Erdbeschleunigung mit "g" angegeben. 

Wenn man z.B. jemanden herumwirbel und sich selbst dabei dreht, dann merkt man die Zentrifugalbeschleunigung, denn die herumgewirbelte Person schwenkt in die Waagerechte aus und die Zugkraft auf die haltenden Hände nimmt stark zu. 

So eine Handkurbelzentrifuge bringt es vielleicht auf 1.500 g, das wäre das 1.500-fache der Erdbeschleunigung, da setzt schon etwas Sedimentation ein. So eine Tischzentrifuge mit elektrischem Antrieb, bringt es vielleicht auf 10.000 g, mit einer Ultrazentrifuge, die einen eigenen Raum benötigt, erreicht man 500.000 g. In diesem Schwerefeld des rotierenden Systems fangen nun auch die Makromoleküle und Zellbestandteile an zu sedimentieren und genau das will man erreichen, da es auf dem Wege gelingt, ein Gemisch in seine Bestandteile zu trennen. Es ist also ein Trennverfahren. 

Man kann nun z.B. Lösungen herstellen, die eine sehr ähnliche Dichte derjenigen Dichte der Zellbestandteile hat, die man trennen möchte und die Lösung in dem Zentrifugenröhrchen vorsichtig aufschichten, von etwas höherer Dichte zu etwas geringerer Dichte, das nennt man einen "Dichtegradienten". In diesem Röhrchen sedimentieren die fraglichen Zellbestandteile in die Zone, die ihrer eigenen Dichte entspricht und bleiben dann stehen bzw. schweben. Trotz Rotation tritt keine Sedimentation mehr ein, da die Teilchen in der "Schwebedichte" bleiben. Auf dem Wege kann man Stoffe, die sich nur noch sehr geringfügig unterscheiden im Dichtegradienten voneinander separieren, wie in diesem Beispiel gezeigt: 

https://media.springernature.com/full/springer-static/image/art%3A10.1186%2F1471-2229-6-32/MediaObjects/12870_2006_Article_140_Fig1_HTML.jpg

Dort wurden in einem Dichtegradienten aus Rohrzuckerlösung (Saccharose) im Zentrifugenröhrchen, Bestandteile mit geringfügig unterschiedlicher Dichte und zwar Inhaltsstoffe aus pflanzlichen Chloroplasten (sog. Thylakoidmembranen), die man aus grünen Pflanzenblättern gewonnen hat, aufgetrennt. Da finden sich recht komplizierte Namen, z.B. "PSII core complex". Das wäre Photosystem II, das an der Photosynthese beteiligt ist https://www.ebi.ac.uk/interpro/potm/2004_11/Page2.htm oder "trimeric LHCII" wäre der sog. Lichtsammelkomplex oder Antennenkomplex ("light harvesting complex, LHC) von Photosytem II, welcher Sonnenlicht absorbiert und dem Reaktionszentrum photosynthetischen Lichtreaktion zuleitet. Wie man sieht, wird es zunehmend komplexer, wir sind in einer Pflanze, in einer Pflanzenzelle, in einem Zellorganell einer pflanzlichen Zelle (dem Chloroplast), dort in einem Proteinkomplex der Chloroplastenmembran (dem sog. Thylakoid). Chloroplasten sind Zellorganellen pflanzlicher Zellen, in ihnen läuft die Photosynthese ab. Um ihr Inneres zu verstehen oder zu untersuchen, muss man die Bestandteile mit solchen Methoden zunächst voneineinader trennen. Bild-Quelle:  https://bmcplantbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/1471-2229-6-32

Fassen wir zusammen: Teilchen wandern in dem (rotierenden) Röhrchen nur, wenn sie eine unterschiedliche Dichte, als die Lösung haben: Ist ihre Dichte geringer schwimmen sie auf, ist ihre Dichte größer, sedimentieren sie (sinken ab). Gibt es keinen Dichteunterschied, "schweben" sie in der betreffenden Zone des Röhrchens (typischerweise bei Dichtegradienten-Zentrifugation).

Die Teilchen im anfangs unsortierten Probengemisch wandern in ein Bereich, der ihrer "Schwebedichte" entspricht. Von dort bewegen sie sich dann nicht mehr weg. Sie liegen dann etwas anders als andere Teilchen und werden räumlich von ihnen getrennt. 

Das führt bei genügend langer Zentrifugationszeit, zu einer Auftrennung des Probengemischs nach Dichte der Teilchen, in dem Bsp. oben: 22 Stunden bei 280.000 g und 4°C. 

Man hat also nach dem Arbeitsschritt des Zentrifugierens verschiedene Zellbestandteile oder Inhaltsstoffe aufgetrennt und kann sie weiter untersuchen. Jedenfalls bedeutet es aber, dass die Zellen zuvor erst aufgeschlossen werden müssen. Das geht z.B. durch mörsern. Ein Mörser ist eine Porzellan- oder Tonschale mit einem Porzellanstößel (Pistill), mit dem man Pflanzenzellen zerreiben und auf dem Wege auch die Zellen öffnen kann https://de.wikipedia.org/wiki/M%C3%B6rser_(Werkzeug) das geht gut, wenn man sie vorher schockgefrostet hat, indem man etwas flüssigen Stickstoff mit -190°C drüber gießt, dann brechen die Zellen beim Mörsern auseinander und man hat einen Zellaufschluss aus Zellbestandteilen, Zellkernen, Mitochondrien, Plastiden, Membranen, Ribosomen, Proteinen, Zellwandtrümmern u.s.w., dann könnte man den Aufschluss in ein Röhrchen geben und zentrifugieren, die Inhaltsstoffe und Bestandteile trennen und anreichern, so dass man sie dann fraktionieren und weiter untersuchen kann. Diese Methode hat die Erforschung von Zellen möglich gemacht. Gruß, Cliff

Ungefähr die gleiche wie die Mikrowelle beim Essen aufwärmen...

Die Zentrifuge ist eines der wichtigsten Laborgeräte. Ihre Aufgaben aufzulisten, würde zu lange dauern.

LG