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INFORME PRÁCTICA No. 10 PROPIEDADES CATALÍTICAS DE LAS ENZIMAS 1. OBJETIVO Demostrar que las enzimas tienen condiciones óptimas para realizar su función como catalizadores biológicos 2. INTRODUCCIÓN El proceso digestivo se realiza sobre los alimentos para su degradación en moléculas más sencillas que puedan ser absorbidas y transportadas para su utilización celular. Dicho proceso tiene lugar en diferentes partes del tubo digestivo, y se lleva a cabo por diferentes clases de enzimas que actúan sobre los componentes de la dieta. El primero en actuar es la a-amilasa salival, que degrada almidones en una mezcla de dextrinas y carbohidratos más sencillos, pudiendo llegar según el nivel de actividad a maltosa o glucosa. El contenido de a-amilasa en saliva varía entre 0 y 3 mg/ml, existiendo individuos que no poseen tal actividad. Las enzimas por sus características proteicas funcionan con base en el principio del reconocimiento molecular, así, poseen sitios activos específicos que se unen íntimamente al sustrato. El estudio de la velocidad de las reacciones y el mecanismo de las reacciones es estudiado por la Cinética enzimática. Existen factores que modifican la velocidad de la reacción enzimática, estos son: La concentración de la enzima, concentración del sustrato, concentración de coenzimas, pH, temperatura e inhibición enzimática. Para el estudio in Vitro de cada factor por separado es necesario que los demás factores se encuentren constantes, porque de otra manera no habría parámetros de comparación, sobre todo cuando se estudia el efecto de la concentración del sustrato, para lo cual se utiliza exceso de sustrato. El método se le llama “método de las velocidades iniciales” y las medidas deben realizarse al inicio de la reacción cuando no se haya alcanzado más del 10% de reacción. El almidón es un polisacárido compuesto por unidades de glucosa con dos componentes: uno mayoritario, llamado amilosa, de estructura lineal (las unidades están unidas, exclusivamente, por enlaces a-1,4-glucosídicos), y otro, minoritario, amilopectina, de estructura ramificada (cada cierto número de eslabones lineales hay una ramificación, que encabeza una glucosa unida mediante enlace a-1,6-glucosídico a una de las glucosas de la estructura lineal). La práctica se aprovecha, para seguir la degradación del almidón por a-amilasa salival, amilasa forma un complejo azul con yodo, cataliza la hidrólisis de un enlace que está situado interiormente en una macromolécula sin afectar los enlaces que se encuentran en los extremos del sustrato, cosa que no pueden hacer los productos de su degradación. Esta enzima más específicamente se cataloga como una a-endoglicosidasa porque cataliza la hidrólisis de los enlaces glicosídicos. Por esta razón, el almidón es el sustrato natural de la enzima. Universidad pedagógica y tecnológica de Colombia Facultad de Ciencias Básicas – Escuela de Biología - BIOQUIMICA 3. PRELABORATORIO a. En la práctica de laboratorio, ¿para que se utiliza el ácido tricloroacético (ATC)? b. ¿Cuál espera que sea el pH óptimo de trabajo de la enzima a-amilasa salival? Justifique su respuesta. c. ¿Cuáles son los factores que afectan la velocidad de una reacción enzimática? d. ¿Por qué sustancias está formado el lugol? 4. MATERIALES Y REACTIVOS Gradilla, 15 tubos de ensayo, embudo, papel de filtro, cinta de enmascarar, estufa Almidón 0.1 M, cloruro de potasio 0.1 M, buffer fosfato pH 4,9, buffer fosfato pH 6.3, buffer fosfato pH=6.9, buffer fosfato pH 7.5, buffer fosfato pH 8.9, ATC (ácido tricloroacético), lugol, soluciones problema A, B y C (KCl, KBr, KF. Todas 0.1 M), hielo. Almidón Estado físico: sólido (polvo) Color: blanco - amarillo claro Olor: inodoro pH: 5,5 – 7,5 Temperatura de auto-inflamación: >400 °C Cloruro de potasio Estado físico: sólido (cristalinas) Color: blanco Olor: inodoro pH (valor): 5,5 – 8 (agua: 50 g /l , 25 °C) Punto de fusión/punto de congelación: 770 – 773 °C Punto inicial de ebullición e intervalo de ebullición: 1.413 °C a 1.013 hPa Densidad: 1,98 g /cm³ a 20 °C Solubilidad(es) Hidrosolubilidad: ~ 350 g /l a 20 °C Masa molar 74,56 g /mol En caso de inhalación Proporcionar aire fresco. En caso de contacto con la piel Aclararse la piel con agua/ducharse. En caso de contacto con los ojos Aclarar cuidadosamente con agua durante varios minutos. En caso de ingestión Enjuagarse la boca. Llamar a un médico si la persona se encuentra mal. Efectos irritantes, Náuseas, Vómitos, Arritmia cardíaca. Medios de extinción apropiados: Coordinar las medidas de extinción con los alrededores agua pulverizada, espuma, polvo extinguidor seco, dióxido de carbono (CO2) Medios de extinción no apropiados: chorro de agua Buffer fosfato Forma: líquido Color: incoloro Olor: inodoro pH aprox. 6,7 a 20 °C Densidad 1,08 g/cm3 a 20 °C Solubilidad en agua a 20 °C soluble Tras inhalación: aire fresco. En caso de contacto con la piel: Quitar inmediatamente todas las prendas contaminadas. Aclararse la piel con agua/ducharse. Tras contacto con los ojos: aclarar con abundante agua. Retirar las lentillas. Tras ingestión: hacer beber agua (máximo 2 vasos), en caso de malestar consultar al médico.No combustible. Posibilidad de formación de vapores peligrosos por incendio en el entorno. ácido tricloroacético Estado físico sólido (cristalinas) Color incolor Olor picante pH (valor) <1 (50 g /l , 20 °C) Punto de fusión/punto de congelación 54 - 56 °C Punto inicial de ebullición e intervalo de ebullición 197 °C a 1.013 hPa Punto de inflamación >110 °C Punto de fusión/punto de congelación 54 - 56 °C Punto inicial de ebullición e intervalo de ebullición 197 °C a 1.013 hPa Punto de inflamación >110 °C Presión de vapor 1 hPa a 20 °C 1,2 hPa a 50 °C Densidad 1,62 g /cm³ a 20 °C Densidad de vapor 5,64 (aire = 1) Densidad aparente 900 kg/m³ Solubilidad(es) Hidrosolubilidad 1.320 g /l a 20 °C Coeficiente de reparto n-octanol/agua (log KOW) 1,33 (OECD 107) Temperatura de auto-inflamación 711 °C H314 Provoca quemaduras graves en la piel y lesiones oculares graves. P280 Llevar guantes/gafas de protección. P301+P330+P331 EN CASO DE INGESTIÓN: Enjuagar la boca NO provocar el vómito. P303+P361+P353 EN CASO DE CONTACTO CON LA PIEL (o el pelo): Quitar inmediatamente todas las prendas contaminadas. Bromuro de potasio Estado físico sólido (polvo cristalino) Color blanquecino Olor inodoro pH (valor) 5,5 – 8,5 (agua: 50 g /l , 20 °C) Punto de fusión/punto de congelación 730 °C Punto inicial de ebullición e intervalo de ebullición 1.435 °C a 1.013 hPa Presión de vapor 1,3 hPa a 795 °C Densidad 2,75 g /cm³ a 20 °C Densidad aparente ~ 900 – 1.000 kg/m³ Solubilidad(es) Hidrosolubilidad ~ 650 g /l a 20 °C H319 Provoca irritación ocular grave P305+P351+P338 EN CASO DE CONTACTO CON LOS OJOS: Enjuagar con agua cuidadosamente durante varios minutos. Quitar las lentes de contacto cuando estén presentes y pueda hacerse con facilidad. Proseguir con el lavado. P337+P313 Si persiste la irritación ocular: Consultar a un médico. Potasio fluoruro Estado físico sólido Color blanco Olor inodoro pH (valor) 8 - 9 en 50 g / l agua a 20 °C Punto de fusión/punto de congelación 846 °C a 1 atm Punto inicial de ebullición e intervalo de ebullición 1.505 °C a 1 atm Presión de vapor 0,13 hPa a 752 °C 1,3 hPa a 885 °C Densidad 2,48 g /cm³ a 20 °C Solubilidad(es) Hidrosolubilidad 923 g / l a 18 °C H301+H311+H331 Tóxico en caso de ingestión, contacto con la piel o inhalación. H318 Provoca lesiones oculares gravesP280 Llevar guantes/prendas/gafas/máscara de protección.P302+P352 EN CASO DE CONTACTO CON LA PIEL: Lavar con abundante aguay jabón abundantes. P305+P351+P338 EN CASO DE CONTACTO CON LOS OJOS: aclarar cuidadosamente con agua durante varios minutos. Quitar las lentes de contacto, si lleva y resulta fácil. Seguir aclarando. P311 Llamar a un CENTRO DE TOXICOLOGĺA/médico. 5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Flujogramas 5.1. Obtención de la enzima a-amilasa salival. Nota: de manera previa una persona o personas que aportarán la enzima debenenjuagarse bien la boca. En un tubo de ensayo limpio coloque un embudo con un papel de filtro. Este filtro se humedece con suero fisiológico (agua con NaCl al 0,9%) o agua destilada hasta adaptación al embudo y aparición de filtrado. Se deposita, entonces, una pequeña cantidad de saliva (2 mL) sobre el embudo y se añaden 12 mL de suero o agua destilada para diluir la secreción y permitir la filtración de la a-amilasa. Se deja unos minutos el tubo con el embudo en la gradilla hasta recoger el filtrado, que será nuestra fuente de enzima (rotule el tubo). Antes de utilizarlo, se debe agitar el tubo para obtener una solución homogénea. 5.2. Preparación del sustrato para la experiencia 5.3 Tome un tubo de ensayo y adicione: Almidón: 1,0 mL; Agua destilada: 4,9 mL; cloruro de potasio 0.1 M: 1 mL. y solución Buffer fosfato de pH = 6,9: 0,1 mL. Rotúlelo como tubo de sustrato 5.3. Demostración de la presencia de la enzima a-amilasa salival y su actividad respecto del tiempo de reacción Prepare 5 tubos de ensayo y adicioneles 0,5 mL de ácido tricloroacético (ATC) a cada uno, rotúlelos del 0 al 4. Agite bien el tubo de sustrato y agregue 1 mL de solución de enzima, e inmediatamente, agite y extraiga 1 mL de este tubo, adiciónelo rápidamente al tubo rotulado como 0 (cero). Simultáneamente comience a medir el tiempo. Cada minuto siguiente repita el paso anterior, ósea extraiga una alícuota de 1 mL del tubo de reacción y adiciónela a los tubos que contienen ATC hasta terminar con el tubo marcado como 4. Recuerde agitar los tubos rotulados una vez agregue las alícuotas. Agregue a cada tubo rotulado del 0 al cuatro una gota de lugol a. Indique el color en los tubos de ensayo. SUPONGA EL SIGUIENTE RESULTADO: b. ¿Para qué se le adiciona al tubo de sustrato agua destilada, cloruro de potasio y solución Buffer fosfato? Cualidades como la osmolaridad y concentración de iones (Cl-, Na+ y K+) es muy semejante al propiamente dicho líquido extracelular de los mamíferos. Mientras que los grupos fosfato mantienen el pH en lo que se le podría entender como un rango estable, la osmolaridad coincide con la del cuerpo humano (esta que es de caracter isotónico). Se trata de una solución isotónica, es decir, la concentración de soluto es igual dentro y fuera de la célula c. ¿Qué puede concluir de los resultados obtenidos? Esto quiere decir que en presencia de NaCl la actividad enzimática de la amilasa aumenta ya que necesita un tiempo menor al del control para lograr el efecto acromático. Se podría suponer que Na + o Cl — o ambos pueden afectar la acción enzimática de amilasa. d. Nombre dos productos que pueden estar presentes cuando el yodo (lugol) no produce la coloración típica con el almidón. La α-amilasa salival humana denominada alfa amilasa (α-amilasa), la que se encarga de desdoblar o romper al almidón y a otros polisacáridos ingeridos en la dieta, hasta producir moléculas más pequeñas como la glucosa. 5.4. Efecto de la concentración de la enzima sobre la velocidad de la reacción Prepare 4 tubos de ensayo de la siguiente forma: Tubos Reactivos 1 mL. 2 mL. 3 mL. 4 mL. Buffer pH 6,9 0,1 0,1 0,1 0,1 KCl 0,2 0,2 0,2 0,2 Almidón 0,5 0,5 0,5 0,5 Agua destilada 1,2 1,1 1,0 0,9 Enzima 0,1 0,2 0,3 0,4 Es fundamental controlar con mucho cuidado el tiempo de reacción de forma tal que la enzima actúe en igual cantidad de tiempo en cada tubo, por lo cual no adicione la enzima hasta no tener preparado y agitado todos los tubos de ensayo. Añada al tubo N°1 la solución de enzima y agite, mida el tiempo. Transcurridos 30 segundos añada enzima al tubo N°. 2 y así sucesivamente hasta completar el tubo N°. 4 Después de transcurrir 4 minutos de reacción en cada tubo agregue a cada uno 0,2 mL de ATC. Recuerde que cada tubo debe reaccionar durante 4 minutos. Agregue a cada tubo una gota de lugol a. Indique el color en los tubos de ensayo. SUPONGA EL SIGUIENTE RESULTADO b. Explique los resultados obtenidos. como se puede observar por la coloración de los tubos dada por la reacción entre el lugol y el almidón; podemos notar como la tonalidad es cada vez más clara esto debido al aumento en la concentración de enzima, esto acelerará la reacción, siempre que se disponga de sustrato al cual unirse. por ejemplo en el tubo de ensayo 1, en el cual la cantidad de enzima es de 0.1ml, se puede observar como este tiene una coloratura rojiza ya que al haber muy poca cantidad de concentración enzimática la cantidad de almidón sin degradar es lo bastante alta para reaccionar con el lugol y por eso ese tono, y así mismo sucede con los tubos 2 y 3 pero la tonalidad va cambiando a un color más claro debido al aumento de concentración enzimática; hasta que se llega al tubo de ensayo 4 en el cual el color amarillo casi naranja claro nos indica que el almidón ha sido degradado en su mayoría debido a que la cantidad de enzima en este tubo es de 0.4ml cercana a la del almidón que es de 0.5ml. 5.5. Determinación del pH óptimo de la a-amilasa salival. Prepare 5 tubos de ensayo de acuerdo al siguiente cuadro: Tubos Reactivos 1 mL. 2 mL. 3 mL. 4 mL. 5 mL. Buffer pH 4,9 0.1 Buffer pH 6,3 0,1 Buffer pH 6,9 0,1 Buffer pH 7,5 0,1 Buffer pH 8,9 0,1 KCl 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 Almidon 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 Agua destilada 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 Enzima 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 La enzima debe ser agregada como en el experimento anterior, cada 30 segundos a cada tubo y debe reaccionar durante 4 minutos exactamente y detenerse la reacción con 0,2 ml de ATC. Agregue a cada tubo 1 gota de lugol a. Indique el color en los tubos de ensayo. SUPONGA EL SIGUIENTE RESULTADO b. Escriba el pH óptimo de trabajo de la enzima. ¿Por qué llegó a esta conclusión? El pH óptimo de trabajo de la enzima es de 6.9, esto se puede explicar primero basándonos en los resultados experimentales, donde se puede observar como, el tubo 3 el cual tenía un buffer con este pH posee una coloración amarilla en un tono claro en comparación con la coloración del resto de tubos podemos notar que a medida que el pH se aleja del rango de 6.9-7.5 aumenta la tonalidad y se va tornando de un color más oscuro. el tono claro nos indica que la mayoría del almidón se degradó por acción de la enzima. Esto gracias a que esta se encontraba en las condiciones óptimas de su entorno natural ya que la amilasa salival, como ya sabemos está presente en la boca; la cual se encuentra a un pH de 6.9 puesto que este pH es lo bastante ácido para degradar los almidones en dextrinas y maltosas, y lo bastante básico como para no dañar el revestimiento o los órganos bucales. 5.6. Efecto de la temperatura sobre la velocidad de la reacción enzimática Prepare tres tubos de acuerdo con el siguiente cuadro: Tubos Reactivos 1 mL. 2 mL. 3 mL. Agua destilada 1,0 1,0 1,0 Buffer pH 6,9 0,1 0,1 0,1 KCl 0,2 0,2 0,2 Almidón 1,0 1,0 1,0 Enzima 0,5 0,5 0,5 Una vez preparados los tubos de ensayo, pero antes de agregar la enzima, coloque el tubo No. 1 durante 5 minutos en baño de hielo y el tubo No. 3 en el baño de agua en ebullición. El tubo No. 2 manténgalo tomado con su mano cerrada. Luego de los 5 minutos sin sacarlos de los baños o su mano, adiciónele el volumen de enzima y controle el tiempo de reacción que debe ser 5 minutos. Luego pare la reacción con 0,2 ml de ATC. Agréguele a cada tubo 1 gota de lugol a. Indique el color en los tubos de ensayo. SUPONGA EL SIGUIENTE RESULTADO b. ¿Cómo puede explicar los resultados obtenidos? En general, los aumentos de temperatura aceleran las reacciones químicas dependiendo de cierto grado de incremento, la velocidad de reacción se duplica. Las reacciones que llevan a cabo el proceso de catálisis por enzimas siguen esta tendencia. Sin embargo, al ser proteínas, a partir de cierta temperatura, se empiezan a desnaturalizar por el calor. La temperatura a la cual la actividad catalítica es máxima se llama temperatura óptima (unos 37°C en promedio). Por encima de esta temperatura, el aumento de velocidad de la reacción debido a la temperaturaes contrarrestado por la pérdida de actividad catalítica debida a la desnaturalización térmica, y la actividad enzimática decrece rápidamente hasta anularse. por ello el tubo uno al estar bajo una temperatura baja no reacciona y presenta el tinte, sin embargo, la muestra del medio está en el margen de la temperatura óptima reacciona e impide que la solución se coloree, en el último ejemplo al estar bajo una temperatura alta logra reaccionar, pero es tan alta que como se indicó anteriormente, da lugar a la desnaturalización de las proteínas presentes. 5.7. Identificación del cofactor y de un inhibidor de la enzima a-amilasa salival. La reacción enzimática se verifica con presencia de los iones cloruros. Los iones fluoruros son inhibidores y los iones bromuros no inciden de ninguna manera en la reacción. Con base en lo anterior prepare 3 tubos de ensayo de acuerdo con el siguiente cuadro: Tubos Reactivos 1 mL. 2 mL. 3 mL. Solución A 0,2 - - Solución B - 0,2 - Solución C - - 0,2 Buffer pH 6,9 0,1 0,1 0,1 Almidón 0,5 0,5 0,5 Agua destilada 1,0 1,0 1,0 Enzima 0,5 0,5 0,5 Recuerde que la enzima se agrega al final, de manera secuencial para controlar el tiempo a los 4 minutos exactos para cada tubo Añada a cada tubo 1 gota de lugol y observe los resultados. a. Indique el color en los tubos de ensayo. SUPONGA EL SIGUIENTE RESULTADO b. ¿En cuál solución se encuentra el inhibidor? ¿Por qué? como es bien sabido, el Kf es un inhibidor, es decir una molécula que se une a la enzima y disminuye su actividad impidiendo o interfiriendo con la entrada del sustrato al sitio activo por lo cual retrasa o detiene la actividad enzimática interfiriendo con la degradación y catálisis. teniendo esto en cuenta podemos deducir que el inhibidor Kf se encuentra en el tubo 3 debido a que la coloración rojiza tan oscura que este presenta nos dice que en este tubo aún hay bastante presencia de almidón sin degradar debido a la acción del inhibidor por lo cual como ya observamos, la cantidad de almidón aún presente en el tubo reacciona con el lugol para dar este color. c. ¿En cuál solución se encuentran los iones cloruro? ¿Por qué? como ya sabemos, uno de los requisitos para las condiciones óptimas de la alfa amilasa salival, es que esté en presencia de iones cloruro y bromuro, más específicamente los iones cloruro porque son más efectivos; como por ejemplo los presentes en la solución de KCl, esto debido a que los iones cloruro son activadores enzimáticos, lo cual significa que aumentan la actividad de la reacción enzimática incentivando de una forma más potente los procesos de catálisis. sabiendo esto, podemos deducir que los iones cloruro se encuentran en la solución de KCl del tubo 1, debido a la coloración de este; puesto que ese tono amarillo pálido nos indica que la mayoría del almidón se degrado por lo cual el lugol no tiene casi almidón para reaccionar o decolorar y por eso ese tono. 6. 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