La ultracentrifugación analítica es una técnica poderosa que permite determinar las propiedades hidrodinámicas de las proteínas y otras macromoléculas en solución, sin necesidad de aislarlas. Su funcionamiento depende directamente de la fuerza centrífuga aplicada.

1. Principios Físicos de la Ultracentrifugación

La base de esta técnica se encuentra en la primera ley de Newton, la ley de la inercia:

• Fuerza = Masa × Aceleración

Si no se aplica ninguna fuerza a un móvil, este permanece en su estado de reposo o movimiento uniforme. Sin embargo, si se le aplica una fuerza, se producirá una aceleración. Asimismo, cualquier aumento o disminución en la aceleración generará una fuerza. Estas magnitudes son vectoriales, es decir, tienen dirección. Si se cambia la dirección de un movimiento, se cambia la velocidad y, por lo tanto, aparece una fuerza: la fuerza centrífuga. El móvil tiende a seguir en su dirección original, por lo que se desplazaría hacia fuera del eje de giro.

1.1. La Fuerza Centrífuga (Fc)

La fuerza centrífuga depende directamente de la masa (m), de la velocidad angular al cuadrado (ω²) y del radio de giro (r). Su fórmula es Fc = m × ω² × r. Si la velocidad angular (ω) es constante, la fuerza centrífuga (Fc) también será constante, ya que el resto de las variables son intrínsecamente constantes para una partícula dada en un radio específico.

2. Comportamiento de Partículas en Medios Fluidos

En las disoluciones, y por lo tanto en medios fluidos, el comportamiento de las partículas bajo un campo centrífugo se ve modificado por la interacción con el solvente.

2.1. Masa Efectiva y Fuerza de Empuje (Flotabilidad)

Para medir la fuerza centrífuga en un fluido, se utiliza una magnitud denominada masa efectiva. Esta masa efectiva considera una nueva fuerza que aparece en solución, contraria a la de gravedad: la fuerza de empuje (o flotabilidad), que es proporcional a la cantidad de fluido que desplaza la partícula (Principio de Arquímedes). Esto se calcula midiendo las densidades:

• Si la densidad del líquido es igual a la del cuerpo, no hay fuerza neta de empuje.
• Si la densidad del soluto es menor que la del solvente (ρ_soluto < ρ_solvente), la masa efectiva será negativa, lo que significa que la partícula se moverá hacia el centro de rotación (flotará).
• Si la densidad del soluto es mayor que la del solvente (ρ_soluto > ρ_solvente), la masa efectiva será positiva, y la partícula se moverá hacia el exterior (sedimentará).

Un mayor radio de giro implica una mayor aceleración centrífuga. La masa de la partícula en un fluido se considera una «masa prima», que se denomina Masa Efectiva. En la expresión de la masa efectiva, un término clave es (1 – ρ_solvente/ρ_soluto). Si las densidades del soluto y del solvente son iguales (ρ_solvente = ρ_soluto), este término se anula (1-1=0), lo que implica que no habrá fuerza neta de flotabilidad y la partícula no se moverá en el campo centrífugo.

2.2. Velocidad Límite de Sedimentación

La velocidad límite de sedimentación es la velocidad máxima que una partícula puede alcanzar en un campo determinado dentro de un fluido. Cuando un cuerpo comienza a caer, debido a una fuerza constante que tira de él, debería seguir un movimiento uniformemente acelerado y aumentar su velocidad constantemente. Sin embargo, llega un momento en el que la velocidad no aumenta más. Esto se debe a la fuerza de rozamiento (o resistencia viscosa). Es una velocidad en la que el movimiento se hace uniforme.

El coeficiente de fricción dinámico se opone a la fuerza que hace que la partícula se desplace. En el momento en que la fuerza de resistencia viscosa iguala a la fuerza que empuja hacia abajo (o hacia fuera en el caso de la centrifugación), las fuerzas se equilibran y el cuerpo deja de acelerar, adoptando una velocidad constante. Esta velocidad es la que se conoce como velocidad de sedimentación. No depende solo de la masa, sino también de la forma de la partícula, de la cual depende directamente la fuerza de fricción. Por lo tanto, es posible diferenciar proteínas por su forma, ya que presentarán distintas velocidades de sedimentación. Esto es ideal para estudiar procesos de dimerización o polimerización.

3. Magnitudes Físicas Clave en Ultracentrifugación

Las dos magnitudes físicas principales que controlan el comportamiento de las partículas en una ultracentrífuga son la masa y la forma (es decir, el radio de giro).

4. Fenómenos Observables y Aplicaciones Avanzadas

4.1. Efecto Estroboscópico en la Observación de Partículas

El efecto estroboscópico es un fenómeno óptico que permite observar objetos en movimiento rápido como si estuvieran estáticos. Por ejemplo, al ver un vídeo de un coche, la rueda a una determinada velocidad puede parecer que no se mueve. En ultracentrifugación, esto significa que podemos medir una única velocidad de sedimentación de forma precisa. Cuando la fuerza centrífuga (Fc) es igual a la resistencia viscosa (ν·f), la velocidad (ν) de la partícula es constante.

Podemos observar el reflejo de las proteínas utilizando un láser con una longitud de onda adecuada, de manera que, cuando la velocidad de la proteína sea igual a la de rotación del estroboscopio, parecerá que la proteína está quieta. Este sistema permite evaluar los cambios en los radios de giro de una proteína. Por ejemplo, en una proteína que dimeriza, el radio de giro aumenta, lo que permite estudiar las velocidades de dimerización. También permite estudiar las velocidades de polimerización de actinas y otras biomoléculas. Si una proteína cambia su conformación al unirse a su ligando, un cambio en el radio de giro sugiere una modificación conformacional.

4.2. Coeficiente de Sedimentación (Unidades Svedberg)

A partir de la ecuación de la velocidad de sedimentación, se comprueba que esta es dependiente de la velocidad angular (ω) del rotor. Sin embargo, se puede definir una medida de la sedimentación que no depende de la velocidad angular a la que se realiza el experimento. Dividiendo la velocidad de sedimentación (ν) por el campo centrífugo (ω²r), se obtiene el coeficiente de sedimentación (s), que habitualmente se expresa en unidades Svedberg (1 S = 10^-13 segundos).

Es importante destacar que este coeficiente no es aditivo, ya que para su cálculo hay que tener en cuenta no solo la suma de las masas de las subunidades, sino también los cambios en la forma de la macromolécula.