Techniklexikon

Ultrazentrifugierung

Biophysik, Methode zur Fraktionierung von Suspensionen von Makromolekülen und ihrer Komplexe, insbesondere in der Biophysik zur Analyse und Gewinnung von Biomakromolekülen und zellulären Substrukturen (Zelle), mit Hilfe schnell drehender Ultrazentrifugen. Die Technik wurde erstmals von T. Svedberg entwickelt. Moderne Ultrazentrifugen erreichen bis zu 70 000 Umdrehungen pro Minute und Trägheitskräfte bis zum 500 000fachen der natürlichen Schwerkraft. Hohe Winkelgeschwindigkeiten sind entscheidend, weil im typischen Massenbereich von (Bio-)Makromolekülen die Diffusion ausreichend ist, um eine Sedimentation bei der normalen Schwerkraft zu verhindern. Die Sedimentationsgeschwindigkeit eines Teilchens im Feld der Fliehkraft wächst mit seiner molekularen Masse, seine Diffusionsgeschwindigkeit sinkt dabei entsprechend.

Neben der molekularen Masse beeinflussen die Sedimentationsgeschwindigkeit auch die Partikeldichte (Teilchen mit hoher Dichte sedimentieren schneller), die Viskosität der Lösung (je visköser, desto langsamere Sedimentation), die Temperatur (je geringer die Temperatur, desto geringere Diffusion) und die Schwerkraft.

Als leicht bestimmbares Charakteristikum eines Teilchens unter definierten Sedimentationsbedingungen wird die Svedberg-Konstante K (oder der Svedberg-Koeffizient) genutzt:  (v: Sedimentationsgeschwindigkeit, w: Winkelgeschwindigkeit, r: Abstand zum Rotationsmittelpunkt). K wird in Svedberg-Einheiten gemessen (1 S = 10^-13 s). Die Svedberg-Konstanten von Proteinen und Nukleinsäuren liegen normalerweise zwischen 4 S und 40 S.

Es gibt viele technische Varianten der Ultrazentrifugierung. Dazu gehören die Ultrazentrifugierung im Dichtegradienten (z.B. von CsCl oder Saccharose) und die differentielle Zentrifugierung (mit stufenweise steigende Umdrehungszahlen).