Centrifugación: en qué consiste, tipos, importancia, ejemplos

La centrifugación es una técnica, método o procedimiento, que separa mecánica o físicamente las moléculas o partículas con diferentes densidades y que además están presentes en un medio líquido. Su piedra angular es la aplicación de la fuerza centrífuga, aplicada por un equipo denominado centrífugadora.

Mediante la centrifugación se pueden separar y analizar los componentes de una muestra fluida. Entre estos componentes están las diferentes clases de moléculas o partículas. Como partículas se hace referencia a diferentes fragmentos celulares, a los orgánulos de las células, incluso a varios tipos de células, entre otros.

Centrifugadora. Fuente: Matt Janicki vía Flickr

A Theodor Svedger se le considera uno de los principales pioneros de la investigación en centrifugación. Premio Nobel en 1926, determinó que las moléculas o partículas con tamaños propios, tienen coeficientes distintos de sedimentación S. La “S” proviene de Svedger, en honor a sus trabajos.

Las partículas, por lo tanto, poseen velocidades de sedimentación características. Esto significa que no todas se comportan del mismo modo bajo la acción de una fuerza centrífuga expresada en revoluciones por minuto (rpm), o en función del radio del rotor (fuerza centrífuga relativa, g).

Entre los factores que determinan S y la velocidad de la misma, están, por ejemplo, las características de las moléculas o partículas; las propiedades del medio; la técnica o método de centrifugación; y el tipo de centrífuga que se utilice, entre otros aspectos.

La centrifugación se clasifica de acuerdo a la utilidad de la misma. En preparativa, cuando se limita a la separación de los componentes de la muestra; y en analítica, cuando además busca analizar la molécula o partícula separada. Por otro lado, también puede clasificarse en función de las condiciones del proceso.

La centrifugación en sus diferentes tipos ha sido primordial para el avance del conocimiento científico. Utilizada en los centros de investigación, ha facilitado el entendimiento de complejos procesos bioquímicos y biológicos, entre muchos otros.

¿En qué consiste? (proceso)

Fundamento de la centrifugación

El proceso de centrifugación se basa en que las moléculas o partículas que conforman una muestra en solución, van a girar al rotar en un equipo llamado centrifugadora. Esto ocasiona la separación de las partículas del medio que las rodea al sedimentar a diferente velocidad.

El proceso se  fundamenta específicamente en la teoría de la sedimentación. Según esta, las partículas que poseen mayor densidad sedimentarán, mientras que el resto de las sustancias o componentes del medio permanecerán suspendidas.

¿Por qué? Porque las moléculas o partículas poseen tamaños, formas, masas, volúmenes y densidades propios. Por lo tanto, no todas logran sedimentar del mismo modo, lo cual se traduce en un diferente coeficiente de sedimentación S; y por consiguiente, en una velocidad de sedimentación diferente.

Estas propiedades son las que permiten separar las moléculas o partículas mediante la fuerza centrífuga a una velocidad de centrifugación determinada.

La fuerza centrífuga

La fuerza centrífuga va a estar influida por varios factores que determinarán la sedimentación: aquellos inherentes a las moléculas o partículas; a las características del medio en que se encuentran; y a factores relacionados con las centrífugadoras donde se realiza el procedimiento de centrifugado.

En relación a las moléculas o partículas, son factores influyentes en la sedimentación la masa, el volumen específico, y el factor de flotación de las mismas.

En cuanto al medio que las rodea, es importante la masa del solvente desplazado, la densidad del medio, la resistencia al avance y el coeficiente de fricción.

En cuanto a la centrifugadora, los factores más importantes que influyen en el proceso de sedimentación son el tipo de rotor, la velocidad angular, la fuerza centrífuga y, por consiguiente, la velocidad centrífuga.

Tipos de centrifugadoras

Existen varias clases de centrifugadoras mediante las cuales se puede someter la muestra a diferentes velocidades de centrifugación.

Dependiendo de la máxima velocidad que alcancen, expresada en aceleración centrífuga (Fuerza centrífuga relativa g), se pueden clasificar sencillamente como centrifugadoras, teniendo una velocidad máxima de aproximadamente 3.000 g.

Mientras que en las denominadas supercentrifugadoras, se puede alcanzar un mayor rango de velocidades cercano a  25.000 g. Y en las ultracentrifugadoras, la velocidad es muchísimo mayor, alcanzando las 100.000 g.

Según otros criterios, están las microcentrifugadoras  o centrifugadoras de mesa, que son especiales para realizar el proceso de centrifugación a un pequeño volumen de muestra, alcanzan un rango de 12.000 a 15.000 g.

Hay centrifugadoras de alta capacidad que permiten centrifugar volúmenes de muestras más grandes y de alta velocidad como las ultracentrifugadoras.

En general, se deben controlar varios factores para proteger el rotor y la muestra de sobrecalentamiento. Para esto, se han creado ultracentrifugadoras con condiciones especiales de vacío o refrigeración, entre otras.

Tipos de rotores

Uno de los elementos determinantes es el tipo de rotor, dispositivo que gira y donde se colocan los tubos. Hay diferentes tipos de rotores. Entre los principales se encuentran los rotores basculantes, rotores de ángulo fijo y rotores verticales.

En los rotores basculantes, al colocar los tubos en los dispositivos de este tipo de  rotor y al girar, los tubos van a adquirir una disposición perpendicular al eje del giro.

En los rotores de ángulo fijo, las muestras estarán ubicadas en el interior de una estructura maciza; tal como se aprecia en la imagen y en muchas centrífugas.

Y en los rotores verticales en algunas ultracentrifugadoras, los tubos van a girar paralelamente al eje de giro.

Tipos de centrifugación

Los tipos de centrifugación varían de acuerdo al propósito de su aplicación y las condiciones en las cuales se realiza el proceso. Estas condiciones pueden ser diferentes dependiendo del tipo de muestra y de la naturaleza de lo que se desea separar y/o analizar.

Existe un primer criterio de clasificación basado en el objetivo o propósito de su realización: centrifugación preparativa y centrifugación analítica.

Centrifugación preparativa

Recibe este nombre cuando la centrifugación se usa principalmente para aislar o separar moléculas, partículas, fragmentos celulares o células, para su posterior utilización o análisis. La cantidad de muestra que generalmente se usa con este fin es relativamente grande.

Centrifugación analítica

La centrifugación analítica se realiza con la finalidad de medir o analizar las propiedades físicas, como el coeficiente de sedimentación y la masa molecular de las partículas sedimentadas.

La centrifugación basada en este objetivo se puede realizar aplicando diferentes condiciones estandarizadas; como es el caso, por ejemplo, de una de las técnicas de ultra centrifugación analítica, la cual permite analizar las moléculas o partículas que son separadas, incluso a medida que se efectúa la sedimentación.

En algunos casos específicos, se puede requerir del uso de tubos de centrífuga que sean de cuarzo. Así, permiten el paso de la luz visible y ultravioleta, ya que durante el proceso de centrifugación las moléculas se observan y analizan con un sistema óptico.

Precisamente, existen otros criterios de clasificación dependiendo de las  características o condiciones en las cuales se ejecuta el proceso de centrifugación. Estos son: centrifugación diferencial, centrifugación zonal o en bandas y centrifugación isopícnica o de equilibrio de sedimentación.

Centrifugación diferencial

Este tipo de centrifugación consiste en someter una muestra a centrifugación, generalmente con rotor angular, por un tiempo y velocidad determinados.

Se fundamenta en la separación de partículas por su diferencia de velocidad de sedimentación, la cual se relaciona directamente con sus tamaños. Las que presentan mayor tamaño y mayor S, sedimentan en el fondo del tubo; mientras que las que tienen menor tamaño, van a permanecer suspendidas.

La separación suspendida del precipitado es vital en este tipo de centrifugación. Las partículas suspendidas deben decantarse o eliminarse del tubo, de tal manera que el sedimento o pellet pueda suspenderse en otro solvente para su posterior purificación; es decir, se vuelve a centrifugar.

Este tipo de técnica no es útil para separar moléculas. En cambio, se puede emplear para realizar la separación de, por ejemplo, los orgánulos celulares, de células, entre otras partículas.

Centrifugación zonal o en bandas

La centrifugación zonal o en bandas realiza la separación de los componentes de la muestra fundamentada en la diferencia de S al atravesar un medio con un gradiente de densidad preformado; como Ficoll, o sacarosa, por ejemplo.

La muestra se coloca encima del gradiente del tubo de ensayo. Seguidamente, se procede a centrifugar a alta velocidad y se produce la separación en diferentes bandas dispuestas a lo largo del medio (como si fuera una gelatina con múltiples capas).

Las partículas con menor valor de S quedan al inicio del medio, mientras que las que son más grandes o tienen mayor S, se dirigen hacia el fondo del tubo.

Con este procedimiento, se pueden separar los componentes que se encuentran en las diferentes bandas de sedimentación. Es importante controlar bien el tiempo para evitar que todas las moléculas o partículas de la muestra sedimenten en el fondo del tubo.

Centrifugación isopícnica y otros tipos

-Existen muchos otros tipos de centrifugación, como la isopícnica. Esta se especializa en separar macromoléculas, aunque sean de un mismo tipo. El ADN encaja muy bien en este tipo de macromoléculas, ya que presenta variaciones en las secuencias y cantidad de sus bases nitrogenadas; y por lo tanto, sedimentan a diferentes velocidades.

-Está también la ultracentrifugación, mediante la cual se estudian las características de sedimentación de biomoléculas, proceso que puede ser monitoreado mediante luz ultravioleta, por ejemplo.

Ha sido útil en el conocimiento de las estructuras subcelulares, o los orgánulos. Asimismo, ha permitido avances en la biología molecular y en el desarrollo de los polímeros.

Aplicaciones

Son innumerables las áreas del quehacer diario en las cuales se emplean los diferentes tipos de centrifugación. Sirven para el servicio de la salud, en los laboratorios bioanalíticos, en la industria farmacéutica, entre otras áreas. Sin embargo, su importancia puede resumirse en dos palabras: separar y caracterizar. 

Separa partículas

En química, las diferentes técnicas de centrifugación han resultado de extremada importancia por numerosas razones.

Permite separar dos moléculas o partículas miscibles. Ayuda a eliminar impurezas, sustancias o partículas no deseadas en una muestra; por ejemplo, una muestra en la que solo se deseen conservar las proteínas.

En una muestra biológica, como la sangre, mediante centrifugación se puede separar el plasma del componente celular. Esto contribuye a la realización de diferentes tipos de pruebas bioquímicas o inmunológicas en el plasma o suero, así como para estudios rutinarios o especiales.

Incluso la centrifugación permite separar los diferentes tipos de células. De una muestra de sangre, por ejemplo, los glóbulos rojos se pueden separar de los leucocitos o glóbulos blancos, y también de las plaquetas.

La misma utilidad se puede obtener con la centrifugación en cualquiera de los fluidos biológicos: la orina, el líquido cefalorraquídeo, el líquido amniótico, entre muchos otros. De esta manera se pueden efectuar una gran variedad de análisis.

Como técnica de caracterización

También ha permitido efectuar el estudio o análisis de las características o propiedades hidrodinámicas de muchísimas moléculas; principalmente de moléculas complejas o macromoléculas.

Así como también de numerosas macromoléculas como los ácidos nucléicos. Inclusive, ha facilitado caracterizar detalles de los subtipos de una misma molécula como el ARN, entre muchas otras aplicaciones.

Ejemplos de centrifugación

-Gracias a las diferentes técnicas de centrifugación se han realizado avances en el conocimiento exacto de procesos biológicos complejos como el infeccioso y los del metabolismo, entre otros.

-Mediante la centrifugación se han dilucidado muchísimos aspectos ultraestructurales y de funcionamiento de moléculas y biomoléculas. Entre tales biomoléculas pueden mencionarse las proteínas la insulina y hemoglobina; y por otro lado, los ácidos nucleicos (ADN y ARN).

-Con el apoyo de la centrifugación se ha ampliado el conocimiento y comprensión de muchos de los procesos que sustentan la vida. Uno de ellos es el ciclo de Krebs.

En este mismo ámbito de utilidad, ha influido en el conocimiento de las moléculas que conforman la cadena respiratoria. Así, dando luz al entendimiento del proceso complejo de la fosforilación oxidativa, o verdadera respiración celular, entre muchos otros procesos.

-Finalmente, ha contribuido al estudio de diversos procesos como el infeccioso, al permitir analizar la ruta que sigue el ADN inyectado por una fago (virus de las bacterias) y las proteínas que puede sintetizar la célula huésped.

Referencias

  1. Parul Kumar. (s.f.). Centrifuge: Introduction, Types,  Uses and Other Details (With Diagram). Tomado de: biologydiscussion.com
  2. Chapter 3 Centrifugation. [PDF]. Recuperado de: phys.sinica.edu.tw
  3. Fundamentos de Bioquímica y Biología Molecular Aplicada. (Licenciatura en Biología) Tema 2: centrifugación. [PDF]. Tomado de: ehu.eus
  4. Mathews, C. K. y Van Holde, K. E. (1998). Bioquímica, 2ª ed. McGraw-Hill Interamericana.
  5. Wikipedia. (2018). Centrifugación. Tomado de: en.wikipedia.org
COMPARTIR
Licenciado en química de la Universidad de Carabobo. Amante y aprendiz de las letras. Siento enorme interés por la química supramolecular, la nanotecnología, y los compuestos organometálicos. En general, me gusta comparar la funcionalidad de una estructura molecular no sólo con elementos dinámicos, como las máquinas, sino también con una catedral, o un campanario.

DEJA UNA RESPUESTA

Please enter your comment!
Please enter your name here