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Cuaderno Nº 73  

Actividades
 

Objetivos:
Repasar los conceptos del texto.
Interpretar y reafirmar los conceptos estudiados a través de prácticas de laboratorio.
Profundizar el análisis de conceptos vinculados con la estructura y acción enzimática.
Conocer casos concretos de aplicación de la biotecnología a productos de uso cotidiano.

Destinatarios y conceptos relacionados:
Este Cuaderno está destinado a alumnos de EGB y de Polimodal. Se puede incluir al trabajar conceptos tales como: Seres vivos, su composición y función; los microorganismos y su relación con los seres humanos; la higiene personal y del entorno; higiene y salud; actividad celular; metabolismo; proteínas: estructura y función; acción enzimática, ingeniería genética. Con alumnos de Polimodal es posible profundizar en conceptos vinculados con la estructura de las proteínas y el modo de acción de las enzimas.

ACTIVIDAD 1. Repaso de conceptos
1. ¿Qué son las enzimas desde el punto de vista estructural? Rta. Son proteínas.
2. ¿Cuál es la función de las enzimas? Rta. Actúan como biocatalizadores, es decir que aceleran reacciones químicas que de otra forma serían demasiado lentas para mantener las funicones vitales.
3. ¿Cuál es la finalidad del uso de enzimas en los detergentes para la ropa? Rta. Acelerar la degradación de las manchas, compuestas por sustancias orgánicas (proteínas, lípidos, carbohidratos).
4. Indicar cuáles son las enzimas que se agregan a los detergentes. Rta. Proteasas, lipasas, amilasas, celulasas.
5. ¿Cuáles son las ventajas del uso en los detergentes de enzimas provenientes de microorganismos recombinantes? Rta. reemplazar a los compuestos sintéticos, minimizar el uso del agua y el consumo de energía.
6. ¿Cuál es el mecanismo de acción del jabón? Rta. La porción hidrófoba de las moléculas de jabón encierran a las manchas y forma micelas que se separan del agua. 
7. ¿Cuál es la diferencia entre jabón y detergente? Rta: El detergente está integrado por sales que son solubles en agua, incluso en aguas duras donde el jabón no es eficiente.
8. ¿Cuál es el aporte de la biotecnología moderna en la fabricación de detergentes enzimáticos? Rta. numerosas enzimas de interés industrial pueden ser producidas a gran escala por fermentación de microorganismos a los que se les puede introducir genes que codifican enzimas más estables o resistentes a condiciones extremas de temperatura, alcalinidad y salinidad, por ejemplo.
 
ACTIVIDAD 2. Actividad enzimática
Esta  actividad tiene por objetivo repasar conceptos vinculados con las características de la actividad enzimática.
1. En un laboratorio de bioquímica se midió la actividad de la amilasa de la saliva humana a diferentes temperaturas, entre 0°C y 100°C.
a) Indicá cuál es la función de esta enzima, cuál es su sustrato y cuál es el producto que se mediría en esta reacción. Rta. La función es acelerar la degradación de almidón; el sustrato es el almidón y el producto de la degradación total serían moléculas de glucosa. 
b) Representá en un gráfico los resultados que se habrán obtenido en la experiencia. Señalá en el gráfico cuál sería la temperatura óptima de esta enzima. Rta. La temperatura óptima en este caso es de 35ºC.

c) Explicá cuáles son las causas de la variación en la actividad enzimática en temperaturas inferiores a la óptima y en temperaturas superiores a ella. Rta. En temperaturas inferiores la disminución en la actividad se debe a la inmovilidad de las moléculas, de sus enlaces, mientras que por sobre la temperatura óptima la actividad disminuye debido a la desnaturalización de las moléculas enzimáticas.

d) ¿Qué es la especificidad enzimática? ¿Qué experiencia propondrías para demostrar la especificidad de la amilasa? ¿Qué resultado esperarías obtener? Rta. La especificidad es la propiedad que tiene las enzimas de actuar sobre determinado sustrato y función y no sobre otra. Para demostrar la especificidad de la amilasa se podría probar la actividad de la amilasa con almidón, con celulosa y con glucógeno. Estas son moléculas parecidas, y sin embargo hay diferentes enzimas que degradan a cada una de ellas.

 
e) ¿Cómo se representa en la ilustración la especificidad enzimática? Rta. Está representada mediante formas geométricas de enzima y sustratos que “encajan” unas con otras.
f) Indicar cuál sería el producto de esta reacción si el sustrato fuese una proteína, si fuese almidón, si fuese ADN, o si fuese una grasa (suponiendo que se degrada hasta sus unidades o monómeros). Rta. El producto de la proteína serían aminoácidos, del almidón sería glucosa, del ADN serían nucleótidos y de una grasa serían ácidos grasos.
g) Las dos curvas que se muestran en el siguiente gráfico representan la actividad de dos tipos diferentes de enzimas. 

 

I. ¿Cuál es la temperatura óptima de la enzima A? ¿Y la de la enzima B? La temperatura óptima de la enzima A es de alrededor de 35 ºC, y la de la enzima B es 60 ºC.
II. ¿A qué temperatura se interrumpe por completo la actividad de cada una de esas enzimas? La enzima A deja de funcionar a los 55 ºC y la B, a los 80 ºC, aproximadamente.
III. ¿Por qué se inactivan las enzimas a altas temperaturas? Por encima de la temperatura óptima las moléculas enzimáticas pierden su estructura espacial y, por lo tanto, su sitio activo. Por eso no pueden unir el sustrato y, en consecuencia, actuar sobre él.  
IV. ¿Qué indica la “cima” de cada curva? La cima de cada curva indica el 100% de actividad.
V. Tomando en cuenta las temperaturas a las que actúan estas enzimas, ¿cuál de ellas podría ser una enzima del cuerpo humano? Justificar la respuesta. La enzima A podría ser una enzima humana, ya que su temperatura óptima de actividad es alrededor de los 35 ºC, que es cercana a la temperatura corporal.
VI. ¿Cuál de estas enzimas podría provenir de un organismo extremófilo? Justificar. La enzima B podría provenir de un organismo que habita en altas temperaturas.

Actividad 3. A cada mancha su enzima
Investigar cuál es el principal componente de cada tipo de alimento y, a partir de esto, suferir qué tipo de enzima se utilizaría si la ropa estuviera manchada con ese producto:

 

Actividad 4.
Experiencia: La acción de las enzimas en detergentes para la ropa

(Adaptado del Museo Americano de Historia Natural)
Mediante esta experiencia se propone comprobar la acción de sustancias biológicas introducidas en los detergentes sobre los sustratos específicos.

Introducción

Las proteasas son enzimas que aceleran la degradación de proteínas. Muchos fabricantes de detergentes para lavadoras de ropa las agregan a las formulaciones para remover manchas derivadas de proteínas como huevo, sangre, etc. Muchas de estas proteasas son derivadas de cepas bacterianas de Bacillus sp. Las proteasas bacterianas son extremadamente estables a pH alcalinos, largos períodos de almacenamiento y temperaturas variables. Estas bacterias también han sido modificadas por ingeniería genética para aumentar la capacidad de las proteasas que ellas producen, ante la presencia de blanqueadores que de otro modo podrían afectarlas. La gelatina está compuesta por cadenas proteicas que son fácilmente degradadas en sus aminoácidos componentes. Se prepara del colágeno, una proteína presente en tendones y piel de animales.

Materiales

 Frasco o vaso de precipitado de 250 ml.
Dos tubos o frascos de 100 ml.
1 sobre de gelatina con azúcar
Marcadores
Detergentes para lavarropas
Agua

Precaución!
  los detergentes para lavar ropa son extremadamente básicos. No aspirarlos porque pueden causar daños en las vías respiratorias.

Preguntas previas a la experiencia
1. ¿Qué se supone que sucederá cuando la solución enzimática entre en contacto con la solución de gelatina (contituido mayormente por proteínas).
2. ¿Qué debería usarse como control del experimento Rta. un frasco con gelatina, a la que se agrega agua sin detergente.

Procedimiento:
1. Preparar la gelatina: por cada 50 ml de agua, usar 18 g de gelatina.
2. Llenar dos tubos o vasos de precipitado graduado con 10 ml de la solución de gelatina cada uno (tubo 1 y tubo 2) y colocarlos en heladera hasta que solidifique.
3. Sacar los tubos de la heladera. La gelatina debe estar sólida.
4. Marcar sobre el vidrio de cada tubo con el marcador la altura de la gelatina sólida.  
5. Preparar una jarra con la solución de detergente (10ml de detergente en 90ml agua = 10%).
6. En el tubo 1 agregar 30 gotas de la solución enzimática sobre la gelatina sólida.
7. En el tubo 2 agregar 30 gotas de agua sobre la gelatina sólida.
8. Dejar reposar durante la noche y chequear ambos tubos a las 24 horas. Marcar la posición de la gelatina sólida.
9. Chequear nuevamente a las 48 horas, y marcar la altura de la gelatina sólida.
 
Preguntas para el análisis de la experiencia
1. ¿Cuál es el principal componente de la gelatina? Rta. Proteínas.
2. A partir de la respuesta anterior, indicar qué tipo de enzimas tendría el detergente. Rta. Proteasas.
3. ¿Qué cambio se pudo registrar en la altura de la gelatina sólida? Rta. Descendió la altura porque se degradan las proteínas por acción de las enzimas.
4. Se sabe que la materia no desaparece sino que se transforma. ¿Cómo se explica la variación en la altura de la gelatina? Rta. El producto de la degradación de las proteínas (polipéptidos y aminoácidos) se disuelven en el agua de la solución de detergente.
5. ¿Qué podría suceder si al agregar el detergente se dejara la gelatina en la heladera? Rta. se supone que las enzimas no funcionarían a temperaturas muy bajas. 
6. ¿Cuál es el objetivo del tubo 2? Rta. Es el tubo control para verificar que la variación en la gelatina es producto de la acción enzimática del detergente.
7. ¿Cuál debería ser el sustrato si se buscara comprobar la acción de la enzima lipasa, o de la enzima amilasa? Rta. Se debería usar grasa o una solución de almidón.
8. ¿Qué sucedería si se colocara sobre la gelatina un detergente que contenga lipasas? Rta. Debido a que las enzimas son específicas, la gelatina no se degradaría ya que las lipasas no actúan sobre las proteínas. 

Posibles alternativas de la actividad:
1. Probar el efecto de las condiciones ambientales sobre los resultados de la hidrólisis de la gelatina. Se puede variar el pH de la gelatina o ubicar en diferentes lugares los frascos conteniendo la gelatina con el detergente (para evlauar la acción de las enzimas a diferentes temperaturas).
2. Testear el efecto de la concentración de detergente sobre la hidrólisis de la gelatina. Para esto usar diferentes concentraciones de detergentes, además de la inicial (10%), por ejemplo soluciones al 15%, 20%, 25%, y 30%.
3. Evaluar el efecto del tiempo sobre la hidrólisis. Este se realiza dejando la gelatina sólida con la solución de detergente por períodos más largos de tiempo.
4. Testar diferencias entre el uso de gelatina con y sin azúcar.
Nota: es fundamental que se cambie una variable por vez para obtener resultados que puedan ser analizados y sacar conclusiones.

ACTIVIDAD 5. La información en los envases (Ver Cuaderno Nº 57)
La siguiente actividad propone analizar las etiquetas de envases de jabón para la ropa. Se puede proponer a los alumnos traer envases de jabones para la ropa.
La siguiente fotografía pertenece a un producto de consumo para lavado de ropa:

 
 
La publicidad de este producto incluye términos tales como: “principios bioactivos”, “sistema biotérmico”, “especialmente desarrollado para eliminar las manchaS más difíciles aún en agua fría”.
1. Analizar las etiquetas y explicar qué significan estos términos que emplea la publicidad.
2. ¿Indica el envase si el detergente contiene enzimas? En tal caso, ¿indica qué tipo de enzimas contiene?
3. ¿Cómo se podría saber qué tipo de enzimas contiene un detergente? Rta. La idea es diseñar una experiencia en la cual se someten telas con diferentes tipos de manchas (huevo, grasa, sangre, etc.) a diferentes detergentes para la ropa. Cada una de estas experiencias debe tener una experiencia testigo en la cual la tela se somete al agua sin detergente, y evaluar qué tipo de manchas se logra eliminar con los diferentes detergentes.  Resulta interesante analizar con los alumnos si el envase aporta información detallada acerca de la fórmula del producto i si no fuera así, si es posible comunicarse con las respectivas empresas y obtener esa información.  
 
Actividad 6. ¿Proteasas de Krill para detergente?
A continuación se presenta un artículo sobre un proyecto de investigación a realizarse en Chile. Se sugiere analizar el texto y responder el cuestionario.
El uso de enzimas a bajas temperaturas posee un gran potencial, tanto en las formulaciones de detergentes (proteasas y lipasas), como en la industria de alimentos, salud, etc, fundamentalmente por el ahorro de energía. El krill antártico es extraordinariamente interesante como fuente de enzimas de propiedades únicas, específicamente de proteasas y lipasas que son altamente activas a bajas temperaturas.
En este proyecto diseñado por investigadores chilenos se utilizarán conocimientos de avanzada de biotecnología, bioquímica y química que permitan la caracterización y purificación de proteínas; como así también conocimientos de  ingeniería de proteínas para investigar, caracterizar, y mejorar la producción de proteasas y lipasas criofílicas (de acción a bajas temperaturas) de krill antártico para ser utilizadas en la formulación de detergentes y en la industria de alimentos. Los investigadores participarán activamente en el clonado de las enzimas óptimas, tanto para la caracterización fina de las proteínas como para presentar alternativas de aplicación industrial viables y de bajo costo en caso que las enzimas de interés se encuentren en el extracto de krill en concentraciones relativamente bajas o si por condiciones impredecibles la captura del krill se hiciera difícil. Se realizará un estudio detallado de la proteasas de krill que incluye la secuenciación de las mismas y posteriormente mediante ingeniería de proteínas se intentará mejorar las propiedades, por ejemplo para obtener proteasas que funcionen eficientemente a bajas temperaturas. Por otro lado se hará un estudio detallado de todas las lipasas presentes en extractos de krill, con alta actividad a baja temperatura, su caracterización y estabilidad en presencia de los diferentes componentes de los detergentes y la separación y purificación de las enzimas.
Las proteasas y lipasas serán caracterizadas en detalle y aquellas con mayor potencial industrial para la formulación de detergentes serán seleccionadas
”.

Cuestionario:
1.
¿Cuál es el objetivo del proyecto? Rta. Aislar, analizar y seleccionar proteasas y lipasas con mayor portencial industrial.
2. ¿Qué beneficio trae el uso de enzimas a bajas temperaturas según el texto? Rta. Ahorro de energía.
3. ¿Qué otros beneficios representa para el lavado de ropa? Rta. Menor daño a las ropas al lavar con agua tibia o fría, y con una acción eficiente de los detergentes.
4. ¿A qué se denomina enzima criofílica? Rta. Aquella que resiste temperaturas muy bajas.
5. ¿Qué función cumplen las proteasas y las lipasas en el lavado de ropa? Rta. Proteasas: degradan proteínas. Lipasas: degradan lípidos
6. Investigar qué es el Krill y dónde habita. A partir de lo investigado deducir por qué el Krill es fuente de enzimas criofílicas. Rta. El krill antártico es un crustáceo que vive en mar abierto a bajas temperaturas, y constituye un eslabón importante en la cadena alimentaria. Las enzimas criofílicas permiten que las funciones metabólicas del krill se cumplan normalmente en ambientes de baja temperatura.
7. ¿De qué otros organismos se podrían aislar enzimas apropiadas para la formulación de detergentes? Rta. Extremófilos que vivan en ambientes alcalinos, o de altas temperaturas.
8. ¿Qué características deberán presentar las enzimas de Krill para ser apropiadas en la fabricación de detergentes? Rta. Estabilidad y funcionalidad a bajas (o altas) temperaturas y ante la presencia de diferentes componentes de detergentes como blanqueadores, suavizantes, surfactantes, etc.
9. ¿Qué tipo de conocimientos requieren los investigadores para trabajar en el tema? Rta. Conocimientos biotecnológicos de avanzada, de bioquímica, química, caracterización, purificación y química de proteínas y de ingeniería de proteínas
 
 

Ver cuaderno anterior

 
 
 

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El Cuaderno N° 43:
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El Cuaderno N° 100:
Biotecnología, una historia...
 
 
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