¿Por qué las subunidades ribosómicas 60S y 40S forman un ribosoma 80S (no 100S)?

¡Esa no es una simple suma matemática!

Si esas unidades fueran masivas , por ejemplo, podría (y debería) agregarlas: una pieza de Lego de 60 g combinada con una pieza de Lego de 40 g, por supuesto, formará un combo que tiene 100 g.

Sin embargo, esos números son unidades Svedberg , que es...

una unidad no métrica para la tasa de sedimentación [...] El coeficiente de Svedberg es una función no lineal . La masa, la densidad y la forma de una partícula determinarán su valor S. (énfasis mío)

Curiosamente, la mayoría de mis alumnos pensaron que la S significa Sedimentación . Sin embargo, es un homenaje a Theodor Svedberg , ganador del Premio Nobel de Química en 1926.

Así, en una explicación demasiado simplificada, el ribosoma procariótico tiene dos subunidades. La subunidad grande sedimenta a los 50, la subunidad pequeña sedimenta a los 30, pero las dos juntas (es decir, todo el ribosoma) sedimentan a los 70, no a los 80.

De la misma manera, un ribosoma eucariótico tiene una subunidad grande que sedimenta a los 60, una pequeña que sedimenta a los 40, pero toda la estructura sedimenta a los 80, no a los 100.

Además, los ARNr que constituyen las subunidades también tienen sus propias tasas de sedimentación (en unidades Svedberg):

Para obtener una explicación detallada con todas las matemáticas que necesita, las otras respuestas aquí y aquí lo explican maravillosamente.

Cuando una mezcla compleja de partículas se somete a ultracentrifugación, se separan en función de su forma y masa debido a la fuerza aplicada por la centrífuga y la fuerza de fricción contraria del solvente. Puede leer más sobre este procedimiento aquí . S significa Svedberg , que es una medida de la tasa de sedimentación de una partícula. Esto viene dado por la fórmula$s=\frac{v}{a}$dónde$s$es el coeficiente de sedimentación y$v$es la velocidad a la que se mueve una partícula cuando se produce una aceleración,$a$, Está aplicado.

Un svedberg se define como exactamente 10 ⁻¹³  s. Esencialmente, el coeficiente de sedimentación sirve para normalizar la tasa de sedimentación de una partícula por la aceleración que se le aplica. El valor resultante ya no depende de la aceleración, sino que depende únicamente de las propiedades de la partícula y del medio en el que está suspendida. Los coeficientes de sedimentación citados en la literatura generalmente se refieren a la sedimentación en agua a 20°C.

Una partícula 1S, por ejemplo, se movería a 10 ^-13 m/s cuando se aplica una aceleración de 1 g (ignorando la difusión).

Lo que es importante darse cuenta es que la tasa de sedimentación de una partícula depende no solo de su masa sino también de su forma (entre otras cosas) ya que su área de sección transversal determina la fuerza de fricción efectiva que experimenta.

Cuando esto se hizo con extractos de E. coli , se observaron picos a 32S, 51S, 70S y 100S, dependiendo de la concentración de Mg ²⁺ . Los investigadores concluyeron que los picos 32S y 51S eran componentes del pico 70S y que el pico 100S era un dímero de dos partículas 70S. También determinaron que la masa de la partícula 50S era aproximadamente el doble de la masa de la partícula 30S que, juntas, sumaban la masa de la partícula 70S.

Las otras dos respuestas brindan buenos detalles, por lo que quiero dar una respuesta un poco más matemática aquí.

Primero, la S de la que estás hablando son unidades Svedberg (de coeficiente de sedimentación, llamado así por el químico sueco Theodor Svedberg), utilizadas para caracterizar el comportamiento de una partícula en el proceso de sedimentación, especialmente la centrifugación. Un svedberg corresponde exactamente a 10 ^-13 segundos (ver otras respuestas para más detalles).

Ahora, comencemos con las ecuaciones. El coeficiente de sedimentación se escribe en la ecuación como:

$s = \frac{v_t}{a}$

dónde$v_t$es la velocidad terminal. La velocidad terminal de una partícula en un medio dado es constante porque la fuerza de gravitación (o centrifugación) es cancelada por la fuerza viscosa del medio. En tal caso, la velocidad terminal se calcula como la relación entre la fuerza centrífuga y la resistencia viscosa (a partir de la ley de Stoke) y su ecuación se convierte en:

$v_t = \frac{mr\omega^2}{6\pi\eta r_0}$

Además, la aceleración centrífuga:

$a = r\omega^2$

Poner el valor de$v_t$y$a$en la primera ecuacion:

$s = \frac{v_t}{r\omega^2} = \frac{m}{6\pi\eta r_0}$

Como puede ver, aunque el coeficiente de sedimentación es la relación entre la velocidad terminal y la aceleración centrífuga, ¡no depende de ninguno de los dos! Ahora, todas las demás cosas son constantes y la masa se sumaría linealmente. Entonces, ¿por qué el valor de$s$¿disminuir? Es debido a la adición no lineal de$r_0$(radio). Vea el diagrama a continuación:

Es claramente visible ahora que las subunidades no solo se mezclan entre sí (como dos gotas de aceite que se unen para formar una gota más grande), la subunidad pequeña encaja en la subunidad grande (la forma real varía, pero más o menos la forma es así ). Esto hace que el valor promedio de$r_0$de ribosoma mayor que la suma del valor medio de$r_0$de subunidades, es decir$r_0 (small) + r_0 (large) < r_0 (ribosome)$. Esto hace que la tasa de sedimentación general sea un poco menor de lo esperado (recuerde que$s \propto \frac{1}{r_0}$). Espero que esto aclare el concepto.

Referencias:

• Coeficiente de sedimentación - Wikipedia

• Diferencia entre el ribosoma 70S y 80S