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PRACTICA Nº 1 GLICÓLISIS RELACIÓN DE EXPERIMENTOS 1. Glicólisis anaeróbica en un preparado de músculo esquelético de conejo a) Determinación de glucosa basal y después de 1 hora b) Determinación de ácido láctico basal y después de 1 hora. INTRODUCCIÓN La glicólisis es una vía metabólica que consiste en una secuencia de reacciones citoplasmáticas a través de las cuales 1 mol de glucosa se convierte en 2 moles de piruvato con la concomitante producción de ATP y la reducción del NAD+ a NADH + H+ si es que ocurre en presencia de oxígeno. En condiciones de anaerobiosis, es decir en ausencia de oxígeno, éstos 2 moles de piruvato se reducen a 2 moles de Lactato a expensas del NADH + H+. En presencia de oxígeno los tejidos pueden posteriormente oxidar el piruvato totalmente hasta CO2 y H2O a nivel mitocondrial. La glicólisis es una vía que ocurre en todas las células del organismo, con la finalidad de hacer posible que la glucosa pueda degradarse, proporcionando la energía química necesaria para la actividad celular en forma de compuestos fosfóricos ricos en energía (ATP). Así, por molécula de glucosa que se convierte en 2 de ácido láctico, se produce una síntesis neta de 2 moléculas de ATP, de tal modo que el proceso global que ocurre en las células, podría resumirse como: Tanto las reacciones así como las enzimas que catalizan las diversas etapas de la glicólisis se encuentran en el citoplasma, no obstante existe una estrecha asociación con las mitocondrias en donde se lleva a cabo la descarboxilación oxidativa del Piruvato, las reacciones del ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa. En la presente práctica se evaluará a la glicólisis a través del consumo de glucosa y la producción de ácido láctico en un sistema de ensayo que contiene homogeneizado de músculo esquelético mantenido en condiciones de anaerobiosis a 37 ºC durante una hora. EXPERIMENTO 1 Glicólisis anaeróbica en un sistema preparado con músculo esquelético de cobayo Objetivos 1. Demostrar como la glucosa en ausencia de oxígeno se transforma en ácido láctico, utilizando como fuente enzimática un homogeneizado de músculo de cobayo o en caso contrario de rata. 2. Comprobar el consumo de glucosa durante el proceso 3. Comprobar la producción de ácido láctico en condiciones de anaerobiosis Procedimiento: a) Degradación de la glucosa: 1. En un Erlenmeyer de 125 ml. limpio y seco, medir 10 ml de una solución de glucosa al 1%, disuelta en una solución Krebs Ringer Fosfato (*) conteniendo Nicotinamida 0.03 M, NAD+ 0.2 % y ATP 0.2 %. 2. Incubar la solución en baño maría a 37 ºC por 10 minutos. 3. Agregar al Erlenmeyer 50 ml de homogeneizado de músculo al 10 % (P/V), preparado previamente en solución Krebs Ringer Fosfato. 4. Mezclar y rápidamente tomar un volumen de aproximadamente 20 mL en una probeta y colocarlo inmediatamente en hielo. Esta muestra constituye la muestra basal a tiempo cero. 5. Después de haber extraído la muestra basal, añadir al Erlenmeyer con la muestra sobrante, un volumen adecuado de parafina líquida, para crear las condiciones de anaerobiosis. Proseguir entonces con la incubación a 37 ºC durante 60 minutos. Esta será la muestra incubada en donde se habrá de producir la glicólisis. 6. Realizar las determinaciones de glucosa y ácido láctico, tanto en la muestra basal a tiempo cero, así como en la muestra incubada por 60 minutos a 37ºC, siguiendo la metodología para cada una de ellas. b) Determinación de glucosa (Método de Nelson-Somogyi). La determinación de glucosa por este método, recomienda que la muestra a analizar esté libre de proteínas, ya que de no ser así, éstas podrían reaccionar con el reactivo de cobre utilizado dando interferencia en la coloración obtenida. Desproteinización: a) Para cada muestra, medir en un tubo de ensayo 4 ml de agua destilada y agregar 2 ml de muestra respectiva. b) Agregar 2 ml. de ZnSO4 al 5 %, agitar y dejar en reposo por 5 minutos. c) Añadir 2 ml. de Ba(OH)2 0.3 N. Agitar y dejar en reposo por 5 minutos. d) Transcurrido el tiempo, proceder a centrifugar o filtrar dichas muestras. El filtrado libre de proteínas debe ser incoloro y transparente. La determinación de glucosa se hará en este filtrado. Procedimiento para cuantificar glucosa: 1. Preparar 4 tubos de Folin, de acuerdo a la siguiente tabla: REACTIVOS 1 2 3 4 Filtrado de la muestra basal Filtrado muestra incubada Solución Estándar (**) Agua destilada Reactivo Cúprico-alcalino 1 ml --- --- --- 1 ml --- 1 ml --- --- 1 ml --- --- 1 ml --- 1 ml -- --- --- 1 ml 1 ml (**) Solución estándar de glucosa conteniendo 50 ug/ml. La absorbancia leída del sistema estándar fue de 0.154 D.O. 2. Colocar los tubos en baño maría hirviendo por 15 minutos. 3. Enfriar los tubos en agua corriente. 4. Añadir a cada tubo, 1 ml del reactivo arsenomolibdato, disolviendo con suave agitación el Cu2O producido. 5. Completar con agua destilada a 25 ml y mezclar. Dejar en reposo 5 minutos. 6. Leer en el fotocolorímetro con filtro verde y anotar. 7. Hacer los cálculos respectivos y expresar la concentración de glucosa en mg %. Determinación de Ácido Láctico (Método Volumétrico) El ácido láctico se determinará por titulación con una solución de KOH 0.02 N, utilizando al rojo de fenol como indicador. Procedimiento: 1. En cada uno de dos beakers medir aproximadamente 15 ml de las muestras basal e incubada respectivamente y hacerlas hervir por 2 minutos teniendo cuidado de que no se proyecten 2. Enfriar y filtrar a través de una gasa y luego a través de papel filtro. 3. Proceder a la titulación de 3 ml de cada muestra con KOH 0.02 N, agregando 1 gota del indicador rojo de fenol, hasta obtener un color naranja-rosa. 4. Anotar el volumen de soda gastado y calcular la normalidad del ácido láctico. Resultados Cálculos (Paola): 1. Determinación de glucosa Blanco Estándar MuestraBasal Muestra Incubada Absorbancia Bruta 0.067 0.199 0.690 0.320 Absorbancia Neta - 0.132 0.623 0.253 - Solución del Estándar: ● Convertir μg a mg: 50 μg /mL: 1000 µ𝑔 −−−−−− 1 𝑚𝑔 50 µ𝑔 −−−−−− 𝑋 𝑚𝑔 𝑋 𝑚𝑔 = 50 µ𝑔×1 𝑚𝑔1000 µ𝑔 = 0. 05 𝑚𝑔 ● Calcular el Factor de calibración (Fc): 𝐹𝑐 = 𝑆𝑡𝑑[ ]𝐴𝑏𝑠 = 0.05 0.132 = 0. 378 - Factor de calibración porcentual: ● Volumen porcentual de la muestra: 2 𝑚𝐿 −−−−−− 10 𝑚𝐿 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑋 𝑚𝐿 −−−−−− 1 𝑚𝐿 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑋 𝑚𝐿 = 0. 2 𝑚𝐿 ● Relación del Fc y del Volumen real de la muestra: 𝐹𝑐 −−−−−− 𝑉𝑜𝑙 𝑅𝑒𝑎𝑙 0. 378 −−−−−− 0. 2 𝑚𝐿 𝐹𝑐% −−−−−− 100 𝑚𝐿 𝐹𝑐% = 0.378×1000.2 = 189 - Concentración en mg% de glucosa: 𝑀𝐵[ ] = 𝐹𝑐% × 𝐴𝑏𝑠 = 189 × 0. 623 = 117. 75 𝑚𝑔% 𝑑𝑒 𝑔𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎 𝑀𝐼[ ] = 𝐹𝑐% × 𝐴𝑏𝑠 = 189 × 0. 253 = 47. 82 𝑚𝑔% 𝑑𝑒 𝑔𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎 2. Determinación de Ácido Láctico Muestra Basal Muestra Incubada Gasto de KOH 0.02 N 1.2 mL 2.88 mL mEq 0.024 0.058 - Conversión de KOH 0.02 N a mEq: 𝑋 𝑚𝐸𝑞/𝐿 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑔𝑎𝑠𝑡𝑎𝑑𝑜 × 𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 (𝑚𝐸𝑞/𝑚𝐿) ● mEq MB: 1. 2 𝑚𝐿 × 0. 02 𝑚𝐸𝑞/𝑚𝐿 = 0. 024 𝑚𝐸𝑞 𝑀𝐵 ● mEq MI: 2. 88 𝑚𝐿 × 0. 02 𝑚𝐸𝑞/𝑚𝐿 = 0. 058 𝑚𝐸𝑞 𝑀𝐼 - Ácido láctico en mEq/L: 0. 024 𝑚𝐸𝑞 𝑀𝐵 −−−−−−−− 3 𝑚𝐿 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑋 𝑚𝐸𝑞 𝑀𝐵 −−−−−−−− 1000 𝑚𝐿 𝑋 𝑚𝐸𝑞 = 0.024× 10003 = 8 𝑚𝐸𝑞/𝐿 0. 058 𝑚𝐸𝑞 𝑀𝐼 −−−−−−−− 3 𝑚𝐿 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑋 𝑚𝐸𝑞 𝑀𝐼 −−−−−−−− 1000 𝑚𝐿 𝑋 𝑚𝐸𝑞 = 0.058× 10003 = 19. 33 𝑚𝐸𝑞/𝐿 Anote sus resultados en la siguiente tabla: MUESTRA BASAL MUESTRA INCUBADA Glucosa en mg % 117.76 47.78 Ácido láctico en mEq/L 8 19.33 Discusión de los resultados obtenidos (Paola): ● Al comparar los resultados de glucosa en mg% para la muestra basal e incubada, se puede concluir que hubo un mayor gasto de glucosa en la muestra incubada, puesto que se crearon las condiciones necesarias (como: la temperatura y el tiempo de incubación) para que trabajará correctamente la vía glicolítica. Por otro lado, en la muestra basal se puede observar que hubo un gasto casi nulo del sustrato; esto sepuede explicar basándonos en el fundamento teórico, debido a que las enzimas de la vía glicolítica no se encontraba en condiciones favorables y adecuadas, ya que anteriormente la muestra basal estuvo en un baño de hielo. ● Asimismo, se puede observar que se formó una mayor cantidad de ácido láctico en la muestra incubada, ya que para ésta se creó la condición anaeróbica con la parafina líquida, dando como resultado la reducción del piruvato a lactato. INTERROGANTES 1. Defina a la glicólisis anaeróbica y glicólisis aeróbica (Grecia) - Glicólisis aeróbica: en condiciones aeróbicas, el producto principal en la mayoría de los tejidos es el piruvato. En otras palabras, el oxígeno debe estar presente para que ocurra este tipo de oxidación. En la mayoría de las células, el piruvato se metaboliza posteriormente a través del ciclo de Krebs o ciclo de Krebs. [1] - Glicólisis anaeróbica: cuando se agota el oxígeno, el principal producto de la glucólisis en muchos tejidos es el ácido láctico. También se llama ácido láctico. [1] 2. En qué células o tejidos, la glucosa es degradada anaeróbicamente, y en cuales aeróbicamente. (Grecia) La glucosa se degrada principalmente de forma anaeróbica en las células musculares porque consume ATP, mientras que el metabolismo aeróbico se produce en tejidos como el hígado y los intestinos. [2] 3. Escriba las reacciones de la glicólisis que requieren de ATP y las que producen ATP (Grecia) ★ Requieren ATP - De glucosa a Glucosa 6 – fosfato. - De Fructosa 6 – fosfato a Fructosa 1,6 – bifosfato. [3] ★ Producen ATP - De 1,3 – Bifosfato – glicerato a 3 fosfoglicerato. - De Fosfoenolpiruvato a Piruvato. [3] - 4. Cuál es la producción neta de ATP en la oxidación anaeróbica de un mol de glucosa. Haga los cálculos respectivos. (Valentina ) En el balance energético de la glucólisis en la condición anaeróbica se producen 2 moles de ATP como carga neta . ● 2 moléculas de ATP (ganancia neta ) CALCULAR LA MOLÉCULA DE ATP (ANAEROBIAS) Reacción Hexoquinasa - 1 ATP Enzima fosfofructoquinasa - 1 ATP Reacción de la enzima fosfoglicerato quinasa + 2 TP Reacción de piruvato quinasa + 2 ATP ● TOTAL : -1ATP - 1 ATP + 2 ATP + 2 ATP = 2 ATP 5. Cómo se define la fosforilación a nivel de sustrato. ¿Qué enzimas de la glicólisis catalizan estas reacciones? (Valentina) La fosforilación a nivel de sustrato es una reacción que se define como la producción de ATP a partir de ADP, combinando una transformación enzimática de un sustrato. [4] Las enzimas que catalizan estas reacciones son: ★ La hexoquinasa en la fosforilación de la glucosa. ★ La fosfofructoquinasa 1 en la fosforilación de la Fructosa 6-P. ★ La fosfoglicerato quinasa en la fosforilación de la 1,3-bisfosfoglicerato. ★ La piruvato quinasa en la fosforilación de fosfoenol piruvato. [5] 6. Cuál es la producción neta de ATP por la oxidación aeróbica de 1 mol de glucosa hasta CO2 y H2O. Describa de manera general las etapas en donde se forma ATP. (Valentina) En la respiración aeróbica, se requiere oxígeno el cual actúa como aceptor final de electrones. El oxígeno es fundamental ya que permite la producción de 30-32 moléculas de ATP por moléculas de glucosa, a partir de la transformación del ácido pirúvico producido en la glicolisis en CO2 y H2O. A partir de la glucosa, se lleva a cabo, porque existe una disponibilidad de O2 y que aunado a la necesidad de energía, se inducen los procesos enzimáticos claramente definidos por sustratos y productos, ellos son: glucólisis, transformación del piruvato en acetil CoA, ciclo de Krebs y fosforilación oxidativa. [6] 7. ¿Cuál es la importancia de la glicólisis para los eritrocitos y las neuronas? (Grecia) En los glóbulos rojos que carecen de mitocondrias, su importancia depende totalmente de la glucosa como combustible metabólico y metabolizada por la glucólisis anaeróbica. En las neuronas, un ejemplo obvio es el cerebro que requiere energía, que es proporcionada por la glucólisis. [7] 8. Mediante un esquema demuestre la función del NAD+ en la glicólisis. ¿Por qué no aparecen NADH y NAD+ en la reacción neta? (Daniela) ★ No aparecen NADH y NAD+ en la reacción neta, debido a que estas van a participar y serán de gran ayuda en la formación del ETANOL o fermentación alcohólica, esto se lleva a cabo en microorganismos. 9. A qué se llaman enlaces fosfóricos ricos en energía. ¿Qué intermediarios de la glicólisis lo presentan? (Daniela) ★ Se le llama enlace fosfórico rico en energía al enlace pirofosfato o también conocido como fosfoanhidro, que son formados por la captación de derivados del ácido fosfórico, por consecuencia dichos enlaces son exergónicos liberando energía, como lo son la formación de la adenosina difosfato (ADP) o adenosina trifosfato (ATP). ★ Los intermediarios que lo presentan son los siguientes: - Cuando pasa de GLUCOSA a GLUCOSA-6-P, pasa de ATP a ADP. - Cuando pasa de FRUCTOSA-6-P a FRUCTOSA-1,6-BP, al igual que en la reacción anterior pasa de ATP a ADP. - Cuando pasa de 1,3-BP GLICERATO a 3,P GLICERATO, en esta reacción pasa de ADP a ATP. - Cuando pasa de PE PIRUVATO a 2-PIRUVATO, al igual que en la reacción anterior pasa de ADP a ATP. 10. Escriba las reacciones irreversibles de la glicólisis, indicando las enzimas que las catalizan (Daniela) Las reacciones irreversibles son 3, y son las siguientes: ★ La primera reacción es al principio de la vía glicolítica, es decir cuando la GLUCOSA pasa a ser GLUCOSA-6-P debido a la enzima HEXOQUINASA, invirtiendo un Fósforo (P) del ATP (1) convirtiéndose en ADP. ★ La segunda reacción que es irreversible es cuando pasa de FRUCTOSA-6-P a FRUCTOSA-1,6-BP, debido a la enzima FOSFOFRUCTOQUINASA, al igual que en la reacción anterior, invirtiendo un Fósforo (P) del ATP (2) convirtiéndose en ADP. ★ La tercera reacción irreversible es cuando pasa de PE-PIRUVATO a 2 PIRUVATO, pero esta vez se recupera un Fósforo (P), pasando de ADP a ATP. 11. ¿Cómo se regula la glicólisis? (Vyctoria) La regulación de la glicólisis se lleva a cabo en los tres puntos de control de toda la vía, las cuales, corresponden a las tres reacciones irreversibles del mecanismo [8]. Estas son catalizadas por: ● Hexoquinasa (1era reacción) ● Fosfofructocinasa (3era reacción, punto principal de regulación) ● Piruvato quinasa (10ma reacción) La velocidad de la glucólisis es regulada en estos tres puntos de control y se hace mediante la concentración de distintos sustratos como el AMP, ADP y ATP, siendo este último el más influyente. A concentraciones bajas, indica a las enzimas que necesitan catalizar más reacciones por lo que la glucólisis se activa, y, si el ATP se encuentra en concentraciones altas, la célula inhibe a las enzimas para interrumpir la glucólisis y no producir más ATP. [8] Otros autores relacionan la regulación de la glicolisis con la concentración del ADP más que la del ATP, pero en general la relación de ambos es muy importante. Por otro lado, también se hace alusión a la regulación hormonal de la vía, relacionada a la captación de glucosa. En este tipo de regulación, los niveles altos de insulina y bajos de glucagón, activan la glicolisis, y, a niveles bajos de insulina y altos de glucagón, se inhibe. [9] 12. ¿Qué inhibidores de la glicólisis conoce Ud.? Indique el lugar y el mecanismo de acción de estas sustancias. (Vyctoria) Inhibición en los puntos de control: ● Hexoquinasa: Es inhibida de manera alostérica por su producto, la glucosa 6-fosfato. En grandes cantidades, la glucosa 6-fosfato se une a la enzima en otro sitio que no es el activo, lo que genera una alteración en la forma del sitio activo de la enzima impidiendo que el sustrato se una. [9] ● Fosfofructoquinasa: Es principalmente inhibida por las concentraciones energéticas (altas concentraciones de ATP), así como las concentraciones de intermediarios como el citrato o los ácidos grasos. El mecanismo de esto consiste en la unión de estos sustratos a un sitio negativo o también llamadode inhibición en la enzima, que le impide llevar a cabo su función. [9][10] Al inhibir esta enzima, la fructosa-6-fosfato se acumula, y, si esta no es utilizada en otras vías metabólicas, genera el aumento de la glucosa-6-fosfato, y por lo tanto, la hexoquinasa se inhibe. [9] ● Piruvato quinasa: Se inhibe a concentraciones altas de ATP, alanina, acetil CoA y ácidos grasos de cadena larga, las cuales indican la presencia de sustratos muy energéticos. [9] Otras inhibiciones: ● Gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa: El arseniato afecta la catálisis de la enzima, y como consecuencia, provoca un salto en la vía glucolítica, perdiendo la producción de ATP. En la 6ta reacción, la gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa inserta una molécula de fosfato al carbono 1 del gliceraldehído-3-fosfato, dando como producto al 1,3 difosfoglicerato. Sin embargo, debido al parecido en la estructura del arseniato con el fosfato (imagen 1.) la enzima confunde a ambos, y añade al arseniato en vez del fosfato, generando el 1-arseno-3-fosfoglicerato, el cual, se hidroliza fácilmente para producir arseniato y 3 fosfoglicerato, saltando desde la reacción 6 a la 8, según la secuencia de la vía glucolítica, perdiendo el paso de la producción de ATP. [11] 13. Si se añadiese CN y/o dicumarol en el experimento de la presente práctica, ¿se afectaría la síntesis de ATP de la glicólisis? Según estudios, el cianuro se caracteriza por ser un inhibidor de enzimas no específicas, afectando a succinil deshidrogenasas, superóxido dismutasas, la anhidrasa carbónica, la citocromo oxidasa, entre otras. Además, se sabe que bloquea la producción de ATP e induce a la hipoxia celular (falta de oxígeno) [12], por lo que sí afectaría a la vía glucolítica. Por otro lado, el dicumarol (anticoagulante) no ha mostrado muchos efectos sobresalientes sobre las enzimas como inhibidor, sin embargo, un estudio de Gonzales (2011) [13] encontró ciertos efectos sobre la cadena mitocondrial. Aún así, el CN sería considerado un inhibidor más potente para la glucólisis. Referencias Bibliográficas 1. CK-12 Foundation. CK12-Foundation [Internet]. Ck12.org. [citado el 26 de agosto de 2021]. Disponible en: https://flexbooks.ck12.org/cbook/ck-12-conceptos-biologia/section/2.25/primary/lesso n/respiraci%C3%B3n-anaer%C3%B3bica-vs-respiraci%C3%B3n-aer%C3%B3bica/ 2. Guterman T. Explicación de la degradación de la glucosa. Un acercamiento al estudio de la fisiología del ejercicio [Internet]. Efdeportes.com. [citado el 26 de agosto de 2021]. Disponible en: https://www.efdeportes.com/efd214/degradacion-de-la-glucosa-fisiologia-del-ejercici o.htm 3. BIOQUÍMICA-2° QUÍMICA [Internet]. Uah.es. [citado el 26 de agosto de 2021]. Disponible en: http://www3.uah.es/bioquimica/Tejedor/bioquimica_quimica/tema13.htm 4. Dblaboratorios.com. [citado el 1 de Septiembre de 2021]. Disponible en: http://dblaboratorios.com/index.php?option=com_content&view=article&id=15965:f osforilacion-a-nivel-de-sustrato&catid=52:f&Itemid=104 5. Metabolismo de glúcidos [Internet]. Uah.es. [citado el 1 de septiembre de 2021]. Disponible en: http://www3.uah.es/bioquimica/Tejedor/BBM-II_farmacia/T3-glicolisis-pagina.pdf 6. Respiración celular [Internet]. Uprm.edu. [citado el 2 de septiembre de 2021]. Disponible en: https://www.uprm.edu/labs3051-3052/wp-content/uploads/sites/168/2018/09/respiraci on.ppt 7. Glucólisis y la oxidación de piruvato [Internet]. Mhmedical.com. [citado el 26 de agosto de 2021]. Disponible en: https://accessmedicina.mhmedical.com/content.aspx?bookid=1441§ionid=10048 3201 8. Garrido Pertierra A, Teijón Rivera J. Fundamentos de bioquímica metabólica [Internet]. 2nd ed. Madrid; 2006 [cited 1 September 2021]. 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