СЕДИМЕНТАЦИЯ

Седиментация (лат. sedimentum оседание) — оседание диспергированных частиц или растворенных молекул под влиянием сил гравитационного или центробежного поля. Качественный или количественный анализ Седиментации может иметь диагностическую ценность, напр, определение скорости Седиментации эритроцитов — так наз. реакция оседания эритроцитов (см. Липопротеиды). Тем не менее Изучение С. природных соединений осуществляют гл. обр. в научно-исследовательских целях. Это объясняется сложностью аппаратуры, что ограничивает возможности широкого использования метода Седиментации в клинической практике.

В случае дисперсий (см. Суспензии) скорость Седиментации (v) описывается уравнением Стокса:

v = [2r²g(ρ'-ρ)]/9η,

где ρ' и r — плотность и радиус диспергированных частиц соответственно, ρ и η — плотность и вязкость окружающей среды соответственно, g — ускорение силы тяжести. Это уравнение справедливо для сферических частиц с гладкой поверхностью, оседающих с небольшой скоростью. Практическое использование уравнения Стокса требует внесения ряда поправок. Скорость С. оценивают по накоплению осадка, изменению плотности суспензий, по изменению концентрации частиц на определенном уровне, применяя для этого методы взвешивания, измерения гидростатического давления или плотности суспензии.

Важной характеристикой дисперсных систем является распределение диспергированных частиц по размерам, что может быть установлено изучением С. во времени. Такой седиментометрический анализ представляет интерес при описании свойств дисперсий, образованных полимерами, лекарственными веществами и др.

В случае р-ров макромолекул С. достигается применением ультрацентрифугирования (см.), при к-ром ускорение центробежной силы может в сотни тысяч раз превышать ускорение силы тяжести (g). При этом скорость С. характеризуется коэффициентом седиментации (s):

s = (dx/dt)*(1/ω²x) = M(1 - vρ)/f,

где х — расстояние границы С. от оси вращения ротора центрифуги, t — время С., ω — угловая скорость вращения ротора центрифуги, М — молекулярный вес (масса), V — парциальный удельный объем, f — фрикционный коэффициент, свидетельствующий о степени асимметрии седиментирующих частиц или макромолекул, ρ — плотность растворителя, d — дискретное увеличение показателя, зарегистрированное за время наблюдения, в данном случае — расстояния, пройденного седиментирующей частицей (dx), и времени, за к-рое это расстояние пройдено (dt). Определение величины s осуществляют с помощью ультрацентрифугирования, затем эти коэффициенты при помощи табличных поправок на плотность, вязкость, температуру приводят к так наз. стандартным условиям, при к-рых С. происходила бы в воде при 20° и при бесконечном разбавлении седиментирующего вещества, т. е. при нулевой его концентрации. Т. о. получают величину константы С. (s_20°,w). Коэффициенты и константы С. выражают в сведбергах; один сведберг (1 S) равен 1*10^-13 сек. Нек-рые вещества, напр, лииопротеиды, плотность к-рых меньше плотности растворителя, при ультрацентрифугировании не седиментируют, а флотируют, т. е. всплывают. В этом случае коэффициент флотации обозначают s_f; его измеряют при строго определенных значениях плотности растворителя, напр, для ряда липопротеидов сыворотки крови при 1,063 г/мл, и к стандартным условиям (вода при 20°) не приводят. Константы С. и коэффициенты флотации являются важными физ.-хим. параметрами полисахаридов (см.) и других биол. полимеров; их иногда используют для обозначения таких полимеров, напр, говорят о 7S- и 19S-иммуноглобулинах, о фракции липопротеидов с s_f 20—400 S.

Изучение С. в ультрацентрифугах дает возможность, помимо определения величин s, s_20°,w и s_f, определить молекулярный вес вещества. Для этого ранее использовали уравнение Сведберга:

М = sRT/[D(1 - Vρ)],

где R — газовая постоянная, Т — температура по шкале Кельвина, D — коэффициент диффузии, V — парциальный удельный объем, ρ — плотность растворителя. Однако из-за сложности определения величин D уравнение Сведберга для установления молекулярных весов на практике почти не используют. Молекулярные веса обычно устанавливают методами седиментационного равновесия, к-рое возникает при сравнительно небольших скоростях вращения ротора центрифуги, когда перенос вещества за счет С. уравновешивается его обратным переносом за счет диффузии, т. е. через любое сечение слоя жидкости в ячейке ультрацентрифуги эффективного переноса вещества не происходит. В таком случае молекулярный вес определяют по уравнению:

M = RT/[D(1 - Vρ)ω²] * (dc/dx)/cx,

где с — концентрация исследуемого вещества, остальные обозначения те же, что и в уравнениях, приведенных выше.

Для препаративных работ с белками, нуклеиновыми к-тами, вирусами, субклеточными компонентами (рибосомами, ядрами, митохондриями) и др. широко используется С. в градиенте концентрации сахарозы, а также в градиенте концентрации D₂О (оксидейтерия) или глицерина, к-рый создается для предотвращения конвекционного размывания зон седиментирующих веществ. Градиент концентрации сахарозы (напр., от 5 до 20%) создается заранее в пробирке препаративной ультрацентрифуги, затем на р-р сахарозы наслаивается р-р исследуемых веществ. После ультрацентрифугирования исследуемые вещества располагаются в виде зон в зависимости от их коэффициентов Седиментации. Эти зоны тем или иным способом отбирают и входящие в них вещества анализируют.

Для исследования гл. обр. нуклеиновых к-т и нуклеопротеидов используют С. в градиенте плотности, создаваемом солями тяжелых металлов, чаще всего хлористым или сернокислым цезием, а также метризамидом — органическим веществом, содержащим йод. Напр., при ультрацентрифугировании нуклеиновых к-т в р-ре хлористого цезия (концентрацией до 2 М) происходит С. хлористого цезия и создание градиента его плотности. В нек-рой зоне пробирки произведение V*ρ = 1 (V — парциальный удельный объем нуклеиновой к-ты, ρ — плотность р-ра хлористого цезия), в этой зоне плотности седиментирующих частиц и р-ра соли равны, т. e. s = 0, следовательно, исследуемые вещества будут седиментировать от мениска и флотировать со дна пробирки центрифуги до тех пор пока не попадут в зону с V*ρ = 1, где они и остаются. Метод позволяет проводить разделение веществ по их парциальным удельным объемам (или плотностям), поэтому он получил название равновесного центрифугирования в градиенте плотности. Определяемая с его помощью величина плавучей плотности макромолекул выражается в г/мл и является важной характеристикой нуклеиновых к-т, белков и вирусных частиц.

Библиография: Боуэн Т. Введение в ультрацентрифугирование. пер. с англ., М., 1973; Остерман Л. А. Методы исследования белков и нуклеиновых кислот, Электрофорез и ультрацентрифугирование, М., 1981; Фигуровский Н.А. Седиментометрический анализ, М.—Л., 1948; Фрайфелдер Д. Физическая биохимия, пер. с англ., с. 275, М., 1980; Sheeler P. Centrifugation in biology and medical science, N. Y., 1981.

В. О. Шпикитер.