Под словом «частица» условимся подразумевать (если об этом пойдет речь) и крупные макромолекулы белков или нуклеиновых кислот.

1. При одинаковых плотностях частицы большего размера оседают намного быстрее, чем мелкие .

2. Скорость оседания («седиментации») увеличивается с увеличением плотности частиц. Особенно сильно это проявляется в условиях, когда плотность среды близка к плотности частицы. Возможна ситуация, когда мелкие, но более плотные частицы будут оседать быстрее, чем крупные.

3. Скорость оседания частиц пропорциональная квадрату числа оборотов ротора в минуту.

4. Чем больше вязкость среды, тем медленнее оседание частиц.

5. Скорость седиментации пропорциональна расстоянию частицы от оси вращения ротора. Это расстояние увеличивается по мере продвижения частицы вдоль оси пробирки, поэтому при постоянстве прочих условий скорость седиментации должна непрерывно (хотя и медленно) возрастать. Если это нежелательно, то следует повышать плотность или вязкость среды в радиальном направлении так, чтобы они компенсировали увеличение радиуса вращения.

Имеет смысл ввести понятие «плавучей плотности» частиц. Дело в том, что проявляющая себя при ультрацентрифугировании плотность частицы обусловлена не только ее химическим составом и пространственной структурой. К примеру, она сильно зависит от степени «гидратации» частицы — количества прочно связанной с ней воды. Эта вода движется вместе с частицей, значительно уменьшая ее эффективную плотность. Количество этой воды заметно уменьшается в присутствии высоких концентраций ионов или иных гидрофильных молекул, тоже связывающих воду (свободной воды не хватает!). С другой стороны, некоторые ионы или молекулы могут сами прочно связываться с частицами, увеличивая их эффективную плотность.

Поэтому для данного типа частиц, оседающих в данной среде, вводят понятие «плавучей плотности». Ее можно определить экспериментально, измерив плотность среды в точке, где движение частицы прекращается ввиду равенства нулю скобки в формуле 1 (см. ниже — «равновесное ультрацентрифугирование»).

Наконец, отклонение формы частицы от сферической тоже сказывается (не очень сильно) на скорости их оседания. В связи с этим стоит напомнить, что как макромолекулы белков, так и молекулы достаточно высокополимерных нуклеиновых кислот в растворе сворачиваются в хаотические клубки, форма которых близка к сферической.

Раздельное осаждение частиц

Предположим, что из гомогената клеток, уже освобожденного низкоскоростным центрифугированием от ядра, митохондрий и обрывков наружной оболочки, требуется выделить рибосомы, внутренние мембраны и еще более мелкие частицы. Можно так подобрать умеренную скорость вращения углового ротора (при значительном объеме пробирок), что в осадок попадут только самые крупные частицы, даже те из них, которые вначале находились вблизи мениска. Менее крупные частицы при этом почти полностью останутся в надосадочной жидкости (супернатанте), за исключением тех, которые с самого начала уже находились у дна пробирки — они войдут в состав осадка. Для хорошей очистки крупных частиц супернатант осторожно сливают, осадок вновь суспендируют (в буфере) в полном объеме пробирки и снова центрифугируют в тех же условиях. Эту операцию можно повторить 2—3 раза, после чего осадок окажется практически однородным. Здесь есть одно тонкое место, относящееся к суспендированию осадков. Крайне нежелательно образование комков, взвешенных в жидкости. Они могут долгое время не расходиться, удерживая внутри себя менее крупные частицы. Чтобы этого избежать, необходимо каждый раз с минимальным количеством буфера, или вовсе без него, долгое время стеклянной палочкой растирать осадок по окрестным стенкам пробирки. Палочка должна быть не слишком тонкой, — всего в 3-4 раза меньше по диаметру, чем пробирка, — и заканчиваться ровной сферой без каплевидного утолщения. (Искусство экспериментатора в немалой степени состоит в предусмотрительности по отношению к подобным «мелочам».) Осадки могут быть и невидимы, но их все равно надо растирать. Для ориентировки можно предварительно пометить пробирки у верхнего края краской и устанавливать в ротор этой меткой кнаружи.

Первый слитый супернатант можно центрифугировать повторно на большей скорости и точно таким же образом очистить в нем частицы средних размеров. Зетем, если надо, собрать и самые мелкие.

Зонально-скоростное ультрацентрифугирование

Особенности этого типа центрифугирования отражены в самом его названии: «скоростное» — потому что частицы разделяются по скорости их оседания, причем плотность их значительно больше, чем плотность среды; «зональное» — так как частицы различных размеров оседают более или менее тонкими слоями — «зонами». Осадков не образуется. Центрифугирование ведут в бакет-роторах. После того, как зоны достигнут оптимального распределения по длине пробирки, центрифугирование прекращают, и зоны частиц описанным ниже способом извлекают одну за другой.

Здесь, в отличие от предыдщуего случая, частицы разных размеров очищаются не раздельно, а одновременно — при одном центрифугировании.

Исходную смесь частиц разных размеров (хотя бы тот же наполовину очищенный гомогенат клеток) наносят тонким слоем на более плотную (чем буфер гомогената) среду, заполняющую пробирку бакет-ротора. В ходе центрифугирования наиболее тяжелые частицы быстро продвигаются в направлении дна пробирки, в определенной степени сохраняя очертания исходного слоя, где они были распределены. За ними, с отставанияем, но тоже в виде отдельного слоя двигаются менее крупные частицы, затем еще более мелкие и т. д. Так образуются дискретные зоны частиц разных размеров.

Для того, чтобы зоны оставались узкими, необходимо противодействовать конвекции жидкости, в которой движутся частицы. Эффективный способ подавления конвекции — увеличение плотности этой жидкости вдоль радиуса вращения в направлении от мениска ко дну пробирки. Например, можно заполнять пробирку бакет-ротора водным раствором сахарозы, концентрация которой нарастает по направлению ко дну пробирки. А затем уже на этот «градиент сахарозы» (как его для краткости называют) наслаивать препарат — смесь подлежащих разделению частиц.

Кроме того при зонально-скоростном центрифугировании желательно избавиться от упомянутого ранее увеличения скорости движения частиц по мере их продвижения вдоль пробирки. В противном случае может сложиться ситуация, когда ниболее тяжелые частицы достигнут дна пробирки раньше, чем две зоны легких частиц успеют отделиться друг от друга. Как видно из формулы 1, увеличение плотности среды уже частично нейтрализует влияние удаления зоны от мениска. Но не очень эфективно, особенно если плотности частиц значительно больше плотности среды. Куда эффективнее может влиять увеличение вязкости. Поэтому для создания «тормозящего градиента» целесообразно использовать градиент концентрации вещества, которое обладало бы обоими желательными качествами (+химическая нейтральность). Пожалуй, лучше всего этому требованию отвечают растворы сахарозы, как это видно из нижеследующей таблицы, где р выражено в г/см3, а г — в сантипуазах. Все при температуре +5°С — обычной при обработке биологических препаратов.