沉降常數

沉降常數，又稱為沉降係數（sedimentation coefficient）是指用離心法時，大分子沉降速度的量度，等於每單位離心場的速度。或s=v/(ω²‧r)。s是沉降係數，ω是離心轉子的角速度（弧度/秒），r是到旋轉中心的距離，v是沉降速度。沉降係數以每單位重力的沉降時間表示，並且通常為1～500×10的-13次方秒範圍，10^-13這個因子叫做沉降單位s，即1s=10^-13秒，如血紅蛋白的沉降係數約為4×10^-13秒或4s。一般單純的蛋白質在1~20S之間，較大核酸分子在4~100S之間，更大的亞細胞結構在30～500S之間。

基本介紹

• 中文名：沉降常數
• 外文名：sedimentation coefficient
• 性質：常數
• 單位：S
• 又稱：沉降係數
• 套用：反映理化性質

定義

根據1924年Svedberg（離心法創始人--瑞典蛋白質化學家）對沉降係數下的定義：顆粒在單位離心力場中粒子移動的速度。沉降係數是以時間表示的。

蛋白質，核酸等生物大分子的S實際上時常在10^-13秒左右，故把沉降係數10^-13秒稱為一個Svedberg單位，簡寫S，量綱為秒。

因隨溶劑的種類、溫度的變化而變化，所以通常是換算成20℃純水中的數值，進一步算出分子間無作用力和濃度為零時的外插值。沉降係數是以分子量、分子形狀和水等情況來決定，其作為生物體大分子的一個特徵是很重要的。

測定原理

基本原理

沉降係數的測定原理就是在恆定的離心力場下測定樣品顆粒的沉降速度。

因為樣品顆粒很小，不能直接看到它們的沉降運動，所以把離心時樣品顆粒的界面移動速度看作是樣品顆粒的平均沉降速度。通常使用Schlieren和吸收光學系統來記錄界面沉降圖。在沉降圖中樣品界面一般表現為一個對稱的峰，峰的最高點代表界面位置。

通常沉降係數測量精度為±2%，但是如果面界圖型表現為不對稱峰型，或希望沉降係數測量精度達到±1%或更小的情況時，按峰的最高點作為界面位置就不夠了，這時應該使用二階距法計算界面位置。

公式推導

物體圍繞中心軸旋轉時會受到離心力F的作用。當物體的質量為 M、體積為V、密度為D、旋轉半徑為r、角速度為ω（弧度數/秒）時，可得：

F=M‧ω²‧r 或者 F=V‧D‧ω²‧r （1）

上述表明：被離心物質所受到的離心力與該物質的質量、體積、密度、離心角速度平方以及旋轉半徑呈正比關係。離心力越大，被離心物質沉降得越快。

在離心過程中，被離心物質還要克服浮力和摩擦力的阻礙作用。浮力F' 和摩擦力F''分別由下式表示：

F'=V‧D'‧ω²‧r （2）

F''=μ‧dr/dt （3）

其中D'為溶液密度，μ為摩擦係數，dr/dt為沉降速度（單位時間內旋轉半徑的改變）。

在一定條件下，可有 ：

F=F'+F''

V‧D‧ω²‧r =V‧D'‧ω²‧r + μ‧dr/dt

dr/dt =V‧ω²‧r‧(D-D')/μ (4)

式(4)表明，沉降速度與被離心物質的體積、密度差呈正比，與μ成反比。若以S表示單位力場（ω²‧r=1）下的沉降速度，則

S=V‧(D-D')/μ

S即為沉降係數。

用離心法時，大分子沉降速度的量度，等於每單位離心場的速度。或s=v/ω‧r。s是沉降係數，ω是離心轉子的角速度（弧度/秒），r是到旋轉中心的距離，v是沉降速度。沉降係數以每單位重力的沉降速度表示，沉降係數對於生物大分子來說，多數在（1~500）×10^-13秒之間。為套用方便起見，人們規定1×10^-13秒為一個單位（或稱1S）。沉降係數越大在離心時候越先沉降。一般單純的蛋白質在1~20S之間，較大核酸分子在4~100S之間，更大的亞細胞結構在30～500S之間。

以蛋白質為例溶液中的蛋白質在受到強大的離心作用時，如果蛋白質溶液的密度大於溶劑的密度，蛋白質分子就會下沉，在離心場中，蛋白質分子所受到的淨離心力（離心力減去浮力）與溶劑的摩擦力平衡時，每單位離心場強度定值，這個定值即為沉降係數（sedimentation coefficient）。沉降速度用每單位時間內顆粒下沉的距離來表示。

測定方法

沉降係數通過分析離心機測定。

通常只需要幾十毫克甚至幾十微克樣品，配製成1~2毫升溶液，裝入分析池，以幾小時的分析離心，就可以獲得一系列的樣品離心沉降圖。根據沉降圖可以作樣品所含組分的定性分析，亦可以測定各組分的沉降係數和估計分子大小，作樣品純度檢定和不均一性測定，以組分的相對含量測定。

（1）樣品：蛋白質

（2）樣品溶液與離心：將樣品溶於緩衝液中，用一定規格的雙槽分析池，一邊加入溶液一邊加入溶劑。分析池與平衡池平衡重量，使平衡池比分析池輕0.5g以內，然後分別裝入分析轉頭。抽真空。開Schlieren光光源，選擇工作速度，室溫離心。轉動腔達到真空後離心機開始運轉加速，此時在觀察視窗可以看到離心圖型。達到工作速度後恆速離心。

以蛋白質為例待看到樣品峰的尖端後即可以間隔照相。照完相即可關機，取出樣品液，清理轉頭和分析池。照相用強反差顯影沖洗後即得Schlieren光路沉降圖形照片。

（3）沉降圖像測量：Schlieren沉降圖可以用比長儀，讀數顯微鏡，或投影儀測量。測量時把沉降圖像的底片放於測量儀器上，使液面的垂直線與測量儀中的垂直線重合，然後用十字標線依次測量內參孔，液面，界面峰尖，和外參考孔的位置，每個圖像至少讀測三次，取平均值。依次把每個圖像依同樣方法測量，把數據列成表。

（4）沉降係數S的計算：代入公式計算。

圖像分析

當離心剛開始時如果見到有快速沉降的峰，幾分鐘內就到達分析池底部，一般多是由於樣品發生部分聚合形成快速沉降的高聚物。離心達速後樣品的的記心圖像顯示一個對稱的峰形，一般可以認為樣品是離心均一的。但是對樣品的真正均一性還套用其他方法進一步檢測，如電泳，層析等。某些混合樣品偶然亦會給出一個對稱峰的。峰形通常會隨時間而擴展，這是由於樣品擴散的結果。但如果峰形擴展很快，則該樣品可能是多分散性的。如果離心圖像中表現幾個峰，說明樣品中有幾個組分，每一個峰代表相應組分的沉降界面，因此可以測定每一個組分的沉降係數值。根據峰的面積可以測量組分的濃度值。

有時離心的圖像表現出一個不對稱的峰，這可能是由於下列幾種情況所致。①幾個沉降係數接近的組分峰形重疊；②樣品是多分散性的，其分子量分布不均勻；③某些相互作用強的高分子，其沉降速度對濃度依賴很大。若測定於高濃度，在界面區由於濃度變化造成沉降速度不一致而致峰形呈不對稱分布。

套用

目前，根據樣品的質量、密度和摩擦係數進行分離的離心技術，已大量套用於生物大分子研究領域。沉降常數反映的是一定條件下沉降微粒的物理性質，當條件一定時為一常數，代表生物大分子的沉降特徵和結構,可以研究生物大分子的自身聚合狀態與均一性、大分子複合物的裝配機制等。