Биофизическая химия. Том 2 - Кантон Ч.
Скачать (прямая ссылка):
силы и поэтому движутся (в среднем) с одинаковыми скоростями. Таким
образом, граница движется со скоростью усредненной седиментирующей
частицы. Отметим, что в том случае, когда частицы имеют меньшую, чем у
растворителя, плотность, они будут подниматься, а не опускаться - как,
например, сливки, которые в конце концов собираются на поверхности
цельного молока.
Теперь рассмотрим такой вопрос: почему большие частицы (с большей, чем у
воды, плотностью) седиментируют, а плотные, но малые частицы - нет? Как
мы увидим ниже, скорость седиментации частицы возрастает с увеличением
молекулярной массы, а скорость диффузии при этом падает. В предельном
случае больших частиц, таких, как песчинки, седиментация полностью
преобладает, и здесь наблюдается очень резкая граница. В предельном
случае очень малых частиц почти полностью преобладает диффузия, и никакой
границы не образуется. Однако для любых частиц, более плотных, чем
растворитель, существует все же отличная от нуля вероятность .того, что
они окажутся ближе ко дну сосуда, чем к поверхности. Позднее мы вычислим
эту вероятность.
224
ГЛАВА 11
РИС. 11.1. Осаждение песка в сосуде под действием силы тяжести.
Предполагается, что в начальный момент времени водная суспензия
однородна. Обратите внимание на возникновение с течением времени резкой
границы, выше которой находится одна вода, а ниже - песок при той же
равнормерной концентрации, что и в начале опыта. Вторая резкая граница
отмечает верхний уровень песка, образовавшего осадок на дне.
Для того чтобы происходила заметная седиментация типичных белков или
нуклеиновых кислот, нужны силы, значительно превосходящие силу земного
притяжения. Такие силы можно получить, поместив частицы в ускоряющее
поле. В случае линейного ускорения сила определяется простым выражением F
= та, однако трудно поддерживать постоянное линейное ускорение в течение
длительного времени. Логической альтернативой является центробежное
ускорение. Радиальная сила, возникающая при вращении предмета, имеющего
массу т, равна
F = та>2 г (П-1)
где г - расстояние от центра вращения, а ш - угловая скорость, которая
измеряется в радианах в секунду. На массу в 1 г, которая вращается со
скоростью 60 ООО об/мин, при радиусе вращения 10 см действует сила 3,95 ¦
108 дин. Это более чем в 400 ООО раз превосходит силу тяжести (равную 980
дин у поверхности Земли). Может показаться, что это очень большая сила,
однако ее недостаточно для того, чтобы можно было пренебречь диффузией
для большей части белков и нуклеиновых кислот. При описании движения
макромолекул в ультрацентрифуге мы должны рассматривать его как результат
одновременно протекающих процессов седиментации и диффузии.
УЛЬТРАЦЕНТРИФУГА
При конструировании ультрацентрифуг - приборов, в которых исследуемый
раствор вращается со скоростями вплоть до 70 000 об/мин, было проявлено
немало изобретательности. На рис. 11.2 дано схематическое изображение
аналитической ультрацентрифуги. Образцы находятся в ячейках или пробирках
(рис. 11.3) в алюминиевом или титановом роторе, приводимом в движение с
помощью электромотора. При обычно используемых скоростях трение между
вращающимся ротором и воздухом может вызвать недопустимый разогрев
ротора. Поэтому в камере, в которой вращается ротор, необходимо создать
высокий вакуум. Чтобы избежать конвекционного перемешивания, температура
исследуемого образца должна поддерживаться на постоянном уровне .с
довольно высокой степенью точности, а это может быть нелегкой задачей.
Силы, которые развиваются внутри ротора, - огромны, и случается, что при
больших скоростях ротор разлетается
Зеркало /у /
X о
Объектив
Кассета с фотопленкой
РИС. 11.2. Схематическое изображение современной аналитической
ультрацентрифуги. (Freifelder D., 1976, Physical Biochemistry, p. 270.
San Francisco, W.H.Freeman and Company.)
ЯЧЕЙКА
J Кольцевой винт
Прокладка под кольцевой винт Держатель верхнего окошка
Прокладки к окошку
Окошко ) Прокладка под вкладыш
Алюминиевый вкладыш
Прокладка под вкладыш Окошко
Прокладки к окошку
Нижний держатель окошка Корпус ячейки Прокладка под боковой винт
Односекторный вкладыш
Двухсекторный вкладыш
Мениск Растворитель Г ранииа г Раствор
- Дно ячейки
Центробежная сила
ЯЧЕЙКА ДЛЯ ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЯ
РИС. 11.3. Вкладыши и ячейка для центрифугирования. А. Ячейка в
разобранном виде. Б. Вкладыш. (С любезного разрешения фирмы Beckman
Instruments.)
15-84
226
ГЛАВА 11
на куски. Чтобы эти осколки не разлетелись, камеру с находящимся в ней
ротором должны окружать толстые стальные защитные цилиндры.
Крайне важно, чтобы ротор был механически сбалансирован. Допустим, что
массы двух ячеек с веществом, расположенных симметрично относительно оси
ротора, различаются на 1 мг. При 400 000g возникшая за счет этого
разность сил, действующих на ротор, составит 400 г. Это весьма ощутимая
сила, которая приведет к вибрации ротора. Но, как ни важно уравновесить
ячейки, это нельзя сделать идеально. Поэтому в любой ультрацентрифуге
