CENTRIFUGATION: EN QUOI CONSISTE-T-ELLE, TYPES, IMPORTANCE, EXEMPLES - CHIMIE - 2025

La centrifugation est une technique, une méthode ou un procédé, qui consiste à séparer mécaniquement ou physiquement des molécules ou des particules de densités différentes et qui sont également présentes dans un milieu liquide. Sa pierre angulaire est l'application de la force centrifuge, appliquée par un équipement appelé centrifugeuse.

Par centrifugation, les composants d'un échantillon de fluide peuvent être séparés et analysés. Parmi ces composants figurent les différentes classes de molécules ou de particules. Les particules désignent différents fragments cellulaires, des organites de cellules, voire différents types de cellules, entre autres.

Centrifuger. Source: Matt Janicki via Flickr

Theodor Svedger est considéré comme l'un des principaux pionniers de la recherche sur la centrifugation. Le prix Nobel en 1926, a déterminé que les molécules ou particules avec leurs propres tailles ont des coefficients de sédimentation différents S. Le «S» vient de Svedger, en l'honneur de son travail.

Les particules ont donc des vitesses de sédimentation caractéristiques. Cela signifie que tous ne se comportent pas de la même manière sous l'action d'une force centrifuge exprimée en tours par minute (rpm), ou en fonction du rayon du rotor (force centrifuge relative, g).

Parmi les facteurs qui déterminent S et sa vitesse figurent, par exemple, les caractéristiques des molécules ou particules; les propriétés du milieu; la technique ou la méthode de centrifugation; et le type de centrifugeuse utilisé, entre autres aspects.

La centrifugation est classée selon son utilité. En préparatif, lorsqu'il se limite à la séparation des composants de l'échantillon; et en analytique, quand il cherche également à analyser la molécule ou la particule séparée. D'autre part, il peut également être classé en fonction des conditions du processus.

La centrifugation sous ses différents types a été essentielle pour l'avancement des connaissances scientifiques. Utilisé dans les centres de recherche, il a facilité la compréhension de processus biochimiques et biologiques complexes, entre autres.

En quoi consiste? (processus)

Base de centrifugation

Le processus de centrifugation est basé sur le fait que les molécules ou particules qui composent un échantillon en solution, tourneront lors de la rotation dans un appareil appelé centrifugeuse. Cela provoque la séparation des particules de l'environnement qui les entoure lorsqu'elles se déposent à des vitesses différentes.

Le processus est spécifiquement basé sur la théorie de la sédimentation. Selon cela, les particules qui ont une densité plus élevée se déposeront, tandis que le reste des substances ou des composants de l'environnement resteront en suspension.

Parce que? Parce que les molécules ou particules ont leurs propres tailles, formes, masses, volumes et densités. Par conséquent, tous ne parviennent pas à sédimenter de la même manière, ce qui se traduit par un coefficient de sédimentation S différent; et par conséquent à une vitesse de sédimentation différente.

Ces propriétés sont celles qui permettent de séparer des molécules ou des particules par la force centrifuge à une vitesse de centrifugation donnée.

Force centrifuge

La force centrifuge sera influencée par plusieurs facteurs qui détermineront la sédimentation: ceux inhérents aux molécules ou particules; aux caractéristiques de l'environnement dans lequel ils se trouvent; et les facteurs liés aux centrifugeuses où la procédure de centrifugation est effectuée.

En ce qui concerne les molécules ou particules, la masse, le volume spécifique et le facteur de flottation de celles-ci sont des facteurs influençant la sédimentation.

Concernant l'environnement qui les entoure, la masse du solvant déplacé, la densité du milieu, la résistance à l'avancement et le coefficient de frottement sont importants.

En ce qui concerne la centrifugeuse, les facteurs les plus importants influençant le processus de sédimentation sont le type de rotor, la vitesse angulaire, la force centrifuge et par conséquent la vitesse centrifuge.

Types de centrifugeuses

Il existe plusieurs types de centrifugeuses grâce auxquelles l'échantillon peut être soumis à différentes vitesses de centrifugation.

En fonction de la vitesse maximale qu'ils atteignent, exprimée en accélération centrifuge (force centrifuge relative g), ils peuvent être simplement classés comme des centrifugeuses, ayant une vitesse maximale d'environ 3 000 g.

Alors que dans les soi-disant supercentrifugeuses, une plus grande plage de vitesses peut être atteinte près de 25 000 g. Et dans les ultracentrifugeuses, la vitesse est beaucoup plus élevée, atteignant 100 000 g.

Selon d'autres critères, il existe des microcentrifugeuses ou des centrifugeuses de table, qui sont spéciales pour effectuer le processus de centrifugation avec un petit volume d'échantillon, atteignant une plage de 12 000 à 15 000 g.

Il existe des centrifugeuses de grande capacité qui permettent de centrifuger des volumes d'échantillons plus importants et à grande vitesse tels que les ultracentrifugeuses.

En général, plusieurs facteurs doivent être contrôlés pour protéger le rotor et l'échantillon contre la surchauffe. Pour cela, des ultracentrifugeuses ont été créées avec des conditions spéciales de vide ou de réfrigération, entre autres.

Types de rotor

L'un des éléments déterminants est le type de rotor, un dispositif qui tourne et où les tubes sont placés. Il existe différents types de rotors. Parmi les principaux, il y a les rotors de bras oscillant, les rotors à angle fixe et les rotors verticaux.

Dans les rotors basculants, lors de la mise en place des tubes dans les dispositifs de ce type de rotor et lors de la rotation, les tubes acquerront une disposition perpendiculaire à l'axe de rotation.

Dans les rotors à angle fixe, les échantillons seront situés à l'intérieur d'une structure solide; comme on le voit dans l'image et dans de nombreuses centrifugeuses.

Et dans les rotors verticaux de certaines ultracentrifugeuses, les tubes vont tourner parallèlement à l'axe de rotation.

Types de centrifugation

Les types de centrifugation varient selon le but de leur application et les conditions dans lesquelles le procédé est réalisé. Ces conditions peuvent être différentes selon le type d'échantillon et la nature de ce qui doit être séparé et / ou analysé.

Il existe un premier critère de classification basé sur l'objectif ou la finalité de sa performance: la centrifugation préparative et la centrifugation analytique.

Centrifugation préparative

Il reçoit ce nom lorsque la centrifugation est principalement utilisée pour isoler ou séparer des molécules, des particules, des fragments cellulaires ou des cellules, pour leur utilisation ou analyse ultérieure. La quantité d'échantillon généralement utilisée à cette fin est relativement importante.

Centrifugation analytique

Une centrifugation analytique est effectuée afin de mesurer ou d'analyser les propriétés physiques, telles que le coefficient de sédimentation et la masse moléculaire des particules déposées.

La centrifugation basée sur cet objectif peut être réalisée en appliquant différentes conditions standardisées; comme c'est le cas, par exemple, de l'une des techniques d'ultracentrifugation analytique, qui permet d'analyser les molécules ou particules séparées, même en cas de sédimentation.

Dans certains cas spécifiques, l'utilisation de tubes à centrifuger en quartz peut être nécessaire. Ainsi, ils permettent le passage de la lumière visible et ultraviolette, car pendant le processus de centrifugation les molécules sont observées et analysées avec un système optique.

Précisément, il existe d'autres critères de classification en fonction des caractéristiques ou des conditions dans lesquelles le processus de centrifugation est effectué. Ce sont: la centrifugation différentielle, la centrifugation en zone ou en bande, et la centrifugation à l'équilibre isopycnique ou de sédimentation.

Centrifugation différentielle

Ce type de centrifugation consiste à soumettre un échantillon à une centrifugation, généralement avec un rotor angulaire, pendant une durée et une vitesse déterminées.

Il est basé sur la séparation des particules en raison de leur différence de vitesse de sédimentation, qui est directement liée à leurs tailles. Ceux qui sont de plus en plus gros S, se déposent au fond du tube; tandis que ceux qui sont plus petits resteront suspendus.

La séparation en suspension du précipité est vitale dans ce type de centrifugation. Les particules en suspension doivent être décantées ou retirées du tube, de sorte que le sédiment ou le culot puisse être mis en suspension dans un autre solvant pour une purification ultérieure; c'est-à-dire qu'il est à nouveau centrifugé.

Ce type de technique n'est pas utile pour séparer des molécules. Au lieu de cela, il peut être utilisé pour séparer, par exemple, des organites cellulaires, des cellules, entre autres particules.

Centrifugation de zone ou de bande

La centrifugation zonale ou en bande effectue la séparation des composants de l'échantillon sur la base de la différence de S lors du passage à travers un milieu avec un gradient de densité préformé; comme le Ficoll ou le saccharose, par exemple.

L'échantillon est placé au-dessus du gradient du tube à essai. Ensuite, il procède à une centrifugation à grande vitesse et la séparation a lieu en différentes bandes disposées le long du milieu (comme s'il s'agissait d'une gélatine à plusieurs couches).

Les particules avec une valeur S inférieure restent au début du milieu, tandis que celles qui sont plus grandes ou ont un S plus élevé, vont vers le bas du tube.

Avec cette procédure, les composants trouvés dans les différentes bandes de sédimentation peuvent être séparés. Il est important de bien contrôler le temps pour éviter que toutes les molécules ou particules de l'échantillon ne se déposent au fond du tube.

Centrifugation isopycnique et autres types

-Il existe de nombreux autres types de centrifugation, comme l'isopycnique. Celui-ci se spécialise dans la séparation des macromolécules, même si elles sont du même type. L'ADN s'intègre très bien dans ce type de macromolécules, car il présente des variations dans les séquences et la quantité de ses bases azotées; et donc sédiment à des vitesses différentes.

-Il y a aussi l'ultracentrifugation, à travers laquelle les caractéristiques de sédimentation des biomolécules sont étudiées, un processus qui peut être surveillé à l'aide de la lumière ultraviolette, par exemple.

Il a été utile pour comprendre les structures subcellulaires, ou organites. Elle a également permis des avancées en biologie moléculaire et dans le développement de polymères.

Applications

Il existe d'innombrables domaines de la vie quotidienne dans lesquels les différents types de centrifugation sont utilisés. Ils sont utilisés pour le service de santé, dans les laboratoires de bioanalyse, dans l'industrie pharmaceutique, entre autres. Cependant, son importance peut se résumer en deux mots: séparer et caractériser.

Sépare les particules

En chimie, différentes techniques de centrifugation se sont avérées extrêmement importantes pour de nombreuses raisons.

Il permet de séparer deux molécules ou particules miscibles. Aide à éliminer les impuretés, substances ou particules indésirables dans un échantillon; par exemple, un échantillon dont vous souhaitez uniquement conserver les protéines.

Dans un échantillon biologique, tel que du sang, le plasma peut être séparé du composant cellulaire par centrifugation. Cela contribue à la réalisation de différents types de tests biochimiques ou immunologiques sur plasma ou sérum, ainsi que pour des études de routine ou spéciales.

Même la centrifugation permet de séparer les différents types de cellules. A partir d'un échantillon de sang, par exemple, les globules rouges peuvent être séparés des leucocytes ou des globules blancs, ainsi que des plaquettes.

La même utilité peut être obtenue avec une centrifugation dans n'importe lequel des fluides biologiques: urine, liquide céphalo-rachidien, liquide amniotique, entre autres. De cette manière, une grande variété d'analyses peut être effectuée.

En tant que technique de caractérisation

Elle a également permis d'étudier ou d'analyser les caractéristiques ou propriétés hydrodynamiques de nombreuses molécules; principalement de molécules complexes ou de macromolécules.

Ainsi que de nombreuses macromolécules telles que les acides nucléiques. Il a même facilité la caractérisation des détails des sous-types d'une même molécule comme l'ARN, parmi de nombreuses autres applications.

Exemples de centrifugation

-Grâce aux différentes techniques de centrifugation, des progrès ont été réalisés dans la connaissance exacte des processus biologiques complexes tels que les processus infectieux et métaboliques, entre autres.

-Grâce à la centrifugation, de nombreux aspects ultrastructuraux et fonctionnels des molécules et des biomolécules ont été élucidés. Parmi ces biomolécules, les protéines insuline et hémoglobine; et d'autre part, les acides nucléiques (ADN et ARN).

-Avec le soutien de la centrifugation, la connaissance et la compréhension de nombreux processus qui soutiennent la vie ont été élargies. L'un d'eux est le cycle de Krebs.

Dans ce même domaine d'utilité, il a influencé la connaissance des molécules qui composent la chaîne respiratoire. Ainsi, nous éclairons sur la compréhension du processus complexe de la phosphorylation oxydative, ou véritable respiration cellulaire, parmi de nombreux autres processus.

-Enfin, il a contribué à l'étude de divers processus tels que les maladies infectieuses, en permettant l'analyse de la voie suivie par l'ADN injecté par un phage (virus bactérien) et les protéines que la cellule hôte peut synthétiser.

Références

1. Parul Kumar. (sf). Centrifugeuse: Introduction, types, utilisations et autres détails (avec diagramme). Tiré de: biologydiscussion.com
2. Chapitre 3 Centrifugation.. Récupéré de: phys.sinica.edu.tw
3. Fondamentaux de la biochimie et de la biologie moléculaire appliquée. (Baccalauréat en biologie) Thème 2: centrifugation.. Tiré de: ehu.eus
4. Mathews, CK et Van Holde, KE (1998). Biochemistry, 2e éd. McGraw-Hill Interamericana.
5. Wikipédia. (2018). Centrifugation. Tiré de: en.wikipedia.org