Acción enzimática

Fundamentación

Las células son sistemas abiertos y, como tales, se intercambia constantemente materia, energía e información con el exterior. El metabolismo celular es el conjunto de reacciones de degradación y síntesis a través de las cuales las células intercambian materia y energía con el medio, lo que permite el mantenimiento del sistema. Para hacer posibles estos procesos a temperaturas compatibles con los tejidos vivos, los catalizadores biológicos o enzimas modifican la velocidad de reacción de dichos procesos. Las enzimas cumplen un rol importante también en procesos de elaboración de alimentos y en la producción industrial mediante biotecnología.

En la secuencia didáctica que proponemos invitaremos a los alumnos a investigar cómo se produce la degradación del peróxido de hidrógeno (agua oxigenada) in vitro acelerado por una enzima denominada catalasa; se puede comparar el efecto de la catalasa tal como se encuentra en los tejidos de los organismos vivos con un catalizador no proteico. Luego examinaremos su acción bajo diferentes condiciones.

Actividad

Entre las ideas que los alumnos podrán construir alrededor de este tema se encuentran las siguientes:

• Las enzimas son catalizadores biológicos que modifican la energía necesaria para que se inicie una reacción.
• La presencia de enzimas en las células permite que las reacciones químicas progresen a gran velocidad y a temperaturas relativamente bajas.
• Entre los factores que influyen en el comportamiento de las enzimas se encuentran la temperatura y el pH;
• Las enzimas participan en procesos de degradación o de síntesis. En todos los casos forman temporalmente parte de la reacción. Luego de la reacción, la enzima se recupera inalterada.

Para reconocer la acción de la enzima podés proponerles a los alumnos un diseño exploratorio utilizando una sustancia de fácil acceso: el peróxido de hidrógeno. Pediles que viertan la misma cantidad de solución de peróxido de hidrógeno en dos tubos de ensayo. Al primer tubo le agregarán una pequeña cantidad de arena fina. En el segundo,  pondrán más o menos la misma cantidad de dióxido de manganeso (la inclusión de arena en uno de los tubos es para excluir la posibilidad de que el efecto de descomposición del agua oxigenada se deba a la presencia de un sólido cualquiera). Los alumnos observarán la formación de burbujas en este segundo tubo, lo que demuestra que ha ocurrido una transformación del agua oxigenada.

A continuación pediles a los estudiantes que realicen ensayos semejantes utilizando iguales cantidades de agua oxigenada y trozos de tamaño similar de papa cruda y de hígado. Al comparar con el tubo que contenía dióxido de manganeso, los alumnos advertirán que se producen modificaciones similares.
Los alumnos deben registrar lo observado y sus hipótesis al respecto.

Para ayudarlos a formularlas, podés realizar preguntas como las siguientes:

• Si el peróxido de hidrógeno tiene una fórmula molecular H2O2, ¿cuáles podrían ser los productos de su degradación? 
• Si el agua oxigenada que se guarda en los botiquines de primeros auxilios es estable durante tiempos relativamente largos (varios meses), ¿cómo puede explicarse la descomposición rápida de dicha sustancia en presencia del dióxido de manganeso y la de los tejidos animales y vegetales?

El peróxido de hidrógeno es una sustancia que se forma continuamente como subproducto en las reacciones de las células vivas. Es tóxico y la célula debe descomponerlo inmediatamente antes de que él la destruya. Estas reacciones se producen en unas pequeñas organelas llamadas peroxisomas.

• Los alumnos deberán diseñar un pequeño proyecto para averiguar cómo se modifica la actividad enzimática por las variaciones de temperatura y de pH. Los alumnos deben proponer los materiales que utilizarán, recordando incluir testigos y registrar la velocidad de la reacción apreciada teniendo en cuenta una escala arbitraria que elaborarán al respecto.
• Como síntesis elaborarán un informe con los resultados de sus observaciones. En él incluirán las reflexiones sobre las dificultades que encontraron en la tarea y cómo las solucionaron y las preguntas que quedan abiertas para futuras investigaciones.
• Sugeríles que registren los distintos momentos de desarrollo de sus proyectos y que, luego, incluyendo también el registro de los primeros ensayos, armen un video que sintetice cada proyecto. Para esto, podrán utilizar el programa Movie Maker que se encuentra en los equipos.

La idea es que los estudiantes registren todo el proceso mediante fotos o videos. Si no cuentan con una cámara filmadora o de fotos, podrán utilizar las webcams que incluyen los equipos o un celular con cámara de fotos. Los alumnos deberán organizarse en grupos y distribuir los roles y tareas para realizar un trabajo colaborativo. Podrán compartir los archivos y documentos y organizar una biblioteca multimedia de ciencias que pueden almacenar en la red de la escuela o en alguna de las máquinas.

Sugerencias para seguir trabajando

Gráfico 1

 

El siguiente paso será elaborar modelos macroscópicos que permitan ver la acción de una enzima sobre un sustrato en procesos de degradación o de síntesis, analizar gráficos que representen el progreso de una reacción química catalizada o no catalizada por una enzima, y la lectura y el análisis de información sobre los distintos tipos de enzimas y las reacciones que catalizan (Gráfico 1).

Sugerencias didácticas

Esta propuesta destaca los aspectos químicos de las enzimas desde un abordaje experimental. Esto permite profundizar el conocimiento sobre el comportamiento químico de las enzimas y su función en los organismos vivos.

Se sugiere motivar a los alumnos a buscar información adicional, no solo sobre las propiedades químicas de las enzimas y la relación entre la estructura molecular y su actividad biológica, sino también sobre los aspectos biomédicos. Así lograrán contextualizar los procesos estudiados en el marco de los sistemas biológicos.

En la red hay enlaces con animaciones que muestran los mecanismos de acción y de regulación enzimática. No solo son interesantes porque ilustran con mayor claridad estos fenómenos, sino también porque permiten trabajar con los alumnos distintos modelos que los científicos elaboran para imaginar y describir procesos. En este sentido, es importante que reflexionen acerca de los alcances y limitaciones de los modelos, ya que solo describen algunos aspectos del fenómeno en estudio.

La misma cuestión puede ser trabajada al analizar distintas formas de representar las moléculas: diagramas de rayas, de espacio lleno o modelos tridimensionales. Cada uno de ellos permite destacar algunos aspectos de la molécula, pero no todos. En el caso de las enzimas, los modelos tridimensionales muestran con mayor claridad las estructuras (primaria, secundaria, etc.) de las proteínas.

Uno de los aspectos más interesantes para trabajar con los alumnos es el análisis de casos en los que se pone de manifiesto la relación entre el comportamiento químico y la función biológica de las enzimas, por ejemplo:

1. La activación de la tripsina y de la pepsina en distintas zonas del tracto digestivo con condiciones de pH muy diferentes, y su relación con el pH óptimo para cada tipo de enzima.
2. La relación entre la actividad fermentativa de los microorganismos y la temperatura (conservación de alimentos, ya sea a bajas temperaturas o por su aumento drástico).

También es posible proponer situaciones experimentales en las cuales ellos mismos elaboren gráficos para describir y analizar los procesos que se están estudiando. En este sentido, puede resultar interesante proponerles que diseñen experimentos con levaduras en distintas condiciones de temperatura y pH, los pongan en práctica y grafiquen los resultados. Luego podrán comparar los gráficos obtenidos con los que se presentan en los enlaces.

Vale la pena tener en cuenta que si los alumnos van a diseñar los experimentos, será necesario ayudarlos a formular claramente las hipótesis. También deberán tener claro qué resultados esperan encontrar, qué variables deberán controlar, qué instrumentos de medición deberán usar, cómo van a registrar sus datos, etcétera.

El objetivo es que los alumnos establezcan relaciones pertinentes entre las propiedades de las enzimas y lo que hayan estudiado sobre las proteínas.

En los dispositivos de los alumnos y en las notebooks de los docentes hay software educativo que puede resultar útil, como por ejemplo el programa ACD/ChemSketch Freeware 12.0