Efecto del Alcohol sobre la catalasa en el hígado

Título: Efecto del etanol en actividad  Enzimática

Problema:

Para poder tener un problema fijo y concreto lo que primero debemos saber es que  con el simple hecho de consumir bebidas alcohólicas, estas  tienen un efecto muy grave en el metabolismo; también sabemos que el alcohol etílico es un depresor del Sistema Nervioso Central, además de los efectos colaterales sobre el hígado y el sistema, en general. Ahora bien ya con esta información nos planteamos las siguiente preguntas ¿Es posible desarrollar un modelo biológico para conocer el efecto del alcohol etílico sobre la actividad y metabolismo del hígado? ¿Cómo podríamos medir el efecto del alcohol sobre la actividad del mismo? Por último, ¿dicho modelo biológico pudiera extrapolarse al consumo de bebidas alcohólicas por parte del ser humano?

INTRODUCCIÓN

Para comenzar y saber un poco más sobre lo que se va a realizar en el siguiente experimento, y contestar nuestras preguntas que se realizaron anteriormente, necesitamos saber primero ¿qué es el metabolismo? ¿Qué enzimas hay en el hígado? ¿Cómo funcionan las enzimas?

Los seres vivos y  el metabolismo

El metabolismo es un conjunto de reacciones químicas que tienen lugar en las células del cuerpo. El metabolismo transforma la energía que contienen los alimentos que ingerimos en el combustible que necesitamos para todo lo que hacemos, desde movernos hasta pensar o crecer. Proteínas específicas del cuerpo controlan las reacciones químicas del metabolismo, y todas esas reacciones químicas están coordinadas con otras funciones corporales. De hecho, en nuestros cuerpos tienen lugar miles de reacciones metabólicas simultáneamente, todas ellas reguladas por el organismo, que hacen posible que nuestras células estén sanas y funcionen correctamente.

La actividad vital no es más que el desarrollo de una serie de reacciones químicas entre un conjunto de moléculas. Si un químico en un laboratorio realiza estas reacciones lo normal es que el rendimiento (cuantificado como la cantidad de producto deseado frente a la cantidad total del producto) sea muy bajo, mientras que esta misma reacción en un sistema biológico tiene un rendimiento del 99%  y se realiza a una mayor velocidad. Esto se debe a la existencia de catalizadores, la mayoría de los catalizadores biológicos que se conocen son enzimas.

Las enzimas son proteínas altamente especializadas que tienen como función la catálisis o regulación de la velocidad de las reacciones químicas que se llevan a cabo en los seres vivos.

En una reacción catalizada por enzima (E), los reactivos se denomina sustratos (S), es decir la sustancia sobre la que actúa la enzima. El sustrato es modificado químicamente y se convierte en uno o más productos (P). Como esta reacción es reversible  se expresa de la siguiente manera:

La enzima libre se encuentra en la misma forma química al comienzo y al final de la reacción .Las moléculas del sustrato se unen a un sitio particular en la superficie de la enzima, denominada sitio activo, donde tiene lugar la catálisis. La estructura tridimensional de este sitio activo, donde solo puede entrar un determinado sustrato que se adapta al centro activo o catalítico de una enzima como una llave a una cerradura.

El nombre de las enzimas es el del sustrato + el sufijo: -asa. Los nombres de las enzimas revelan la especificidad de su función:

·         Oxido-reductasas: catalizan reacciones de óxido-reducción, las que implican la ganancia (o reducción) o pérdida de electrones (u oxidación). Las más importantes son las deshidrogenasas y las oxidasas    

·         Transferasas: transfieren grupos funcionales de una molécula a otra. Ej.: quinasas; transfieren fosfatos del ATP a otra molécula.     

·         Hidrolasas: rompen varios tipos de enlaces introduciendo radicales -H y -OH.      

·         Liasas: adicionan grupos funcionales a los dobles enlaces.     

·         Isomerasas: convierten los sustratos isómeros unos en otros.     

·         Ligasas o Sintasas: forman diversos tipos de enlaces aprovechando la energía de la ruptura del ATP. Ej: polimerasas

La catalasa y el hígado

La industria alimentaría evita la oxidación de los alimentos mediante diferentes técnicas, como el envasado al vacío, y también utilizando antioxidantes.

Hay antioxidantes naturales, presentes en el organismo, o sintéticos. Los antioxidantes en alimentos se definen como persevantes que retardan el deterioro, rancidez o decoloración debida a la oxidación. Después de que el antioxidante se une al agente oxidante, éste no está libre para reaccionar con algunos compuestos de los alimentos y por lo tanto no puede causar su oxidación.

Los antioxidantes pueden ser enzimas que aumentan la velocidad de ruptura de los agentes oxidantes (radicales libres). Entre ellas se encuentran las enzimas superóxido dismutasa, glutatión peroxidasa y la catalasa.

La catalasa es una enzima de óxido reducción que cataliza la descomposición del peróxido en agua y oxígeno.

2H2O2 + enzima --------> O2 + 2H2O

Pero ahora con esta información nos surge otra pregunta:

¿Qué se ocurrirá con la velocidad de la reacción de la catalasa si  a  las muestras de hígado macerado de pollo y agua oxigenada les agregamos diferentes soluciones de etanol?

El sistema digestivo de los seres humanos, como en todos los mamíferos, está compuesto  por un tubo digestivo y una serie de glándulas anexas que ayudan en el procesamiento de los alimentos ingeridos, las enzimas digestivas son proteínas que actúan en la degradación de dichos alimentos, en el hígado se localizan los jugos gástricos y enzimas como la catalasa.

Muchos organismos pueden descomponer el peróxido de hidrógeno (H2O2) por la acción de las enzimas. Las enzimas son proteínas globulares responsables de la mayor parte de la actividad química de los organismos vivos. Actúan como catalizadores, que son sustancias que aceleran las reacciones químicas sin ser destruidas o alteradas durante el proceso. Las enzimas son extremadamente eficientes y se pueden utilizar una y otra vez repetidamente. Una enzima puede catalizar miles de reacciones en cada segundo. Tanto los valores de pH como de la temperatura a los que trabaja la enzima son extraordinariamente importantes. La mayoría de los organismos tienen un intervalo de temperatura preferente en el cual sobreviven y sus enzimas funcionan mejor dentro de dicho intervalo de temperatura. Si el ambiente donde se encuentra la enzima es demasiado ácido o demasiado básico, la enzima puede desnaturalizarse de forma irreversible o transformarse de modo que su forma no le permita más realizar su funcionamiento apropiado.

El H2O2 es tóxico para la mayoría de los organismos vivos. Muchos organismos son capaces de desturir el  H2O2 mediante la acción de enzimas antes de que pueda realizar mucho daño. El H2O2 se convierte en oxígeno y agua según la siguiente reacción:

2 H2O2 -------- 2 H2O + O2

Aunque esta reacción ocurre espontáneamente, las enzimas incrementan la velocidad de reacción de forma considerable. Se conoce que al menos dos enzimas diferentes catalizan esta reacción: a) catalasa, que se encuentra en animales y protistas; b) peroxidasa, que se encuentra en las plantas. Mucho se puede aprender sobre las enzimas mediante el estudio de la rapidez de reacciones catalizadas por enzimas. La rapidez de una reacción puede estudiarse de muy diversas formas como:

·         Midiendo la presión de los productos que aparecen (en este caso, O2)

·         Midiendo la velocidad de desaparición del substrato  (en este caso, H2O2)

·         Midiendo la velocidad de aparición del producto (en este caso, O2 que se desprende como gas)

En este experimento se medirá la rapidez de la actividad de la enzima bajo diferentes concentraciones  de etanol. Al inicio de la reacción no existe aún un producto de la misma, por lo que la presión es igual a la atmosférica. Después de un corto tiempo se acumula oxígeno a una velocidad bastante constante. La pendiente de la curva en este periodo inicial es constante y de denomina velocidad inicial. A medida que se destruye el peróxido, queda menos para reaccionar y el O2 se produce a menor velocidad. Cuando se termina el peroxide ya no se produce más O2.

Objetivos:

En este experimento usaremos el  interfaz LabQuest y el sensor de presión de gas para medir la producción de oxígeno gaseoso que se producirá en la reacción que se realizara ya que a medida que el peróxido de hidrógeno se destruye por la acción de la enzima catalasa o peroxidasa a diferentes concentraciones de etanol.

Esto medirá y comparará la velocidad inicial de reacción para esta enzima cuando se utilizan distintas concentraciones de etanol.

MATERIALES:

·         Interfaz de Vernier LabQuest

·         Sensor de presión de O2 de Vernier

·         Higado de pollo

·         Probeta de 10 mL

·         4 vasos de precipitado

·         250 ml de  H2O2

·         Mortero

·         Agitador

PROCEDIMIENTO:

Se medirá la producción de oxígeno gaseoso a medida que se destruye el peróxido de hidrógeno por la acción de la enzima cuando se utilizan distintas concentraciones de etanol.

Soluciones propuestas

1.    Solución con etanol al 3%

2.    Solución con etanol al 5 %

3.    Solución con etanol al 10 %

4.    Solución de etanol al 15 %

Ahora se realizan los siguientes pasos:

1.    Cortar trozos de 1 cm3 de hígado de pollo.

2.    Procederemos a macerar las muestras de hígado.  

3.    Colocamos las muestras de hígado pollo maceradas en los vasos de precipitado.

4.    Instalamos el equipo del sensor de presión.

5.    Iniciar una a una, las reacciones químicas esperadas, agregando  agua oxigenada, a cada una de las muestras bajo estudio.

6.    Inmediatamente mediremos las variaciones de presión   concentración de Oxígeno de cada una de las muestras.

7.    Se observara y describir el efecto de cada una de las reacciones durante 5 minutos.

8.    Anotaremos todos los cambios observados.

9.    Se obtendrá o registrara las gráficas correspondientes.

10. Comentar y analizar los resultados obtenidos.

11. Elaborar conclusiones.

Estos son las pasos que seguiremos al comenzar y tener finalizado el experimento pero antes de esto también explicaremos como usaremos el sensor:

Conecte el sensor de presión de gas a la interfaz para computador. Prepare la interfaz para la recolección de datos.

Conectamos el tubo plástico a la válvula en el sensor de presión de gas.

Colocamos el tapón en el tubo de ensayo lo disolvimos bien para lograr la mezcla completa del contenido. Debe comenzar la reacción. El próximo paso debe realizarse lo más pronto posible.

Conecte el extremo libre del tubo de plástico al conector en el tapón de goma, haga clic en el botón Iniciar toma de datos   para comenzar la adquisición de datos. La toma de datos terminará en 3 minutos.

10.   Una vez terminada la adquisición de datos, desconectamos el conector del tubo plástico del tapón de goma. Retiramos el  tapón de los vasos de precipitado y desechamos el contenido en alguna bolsa de desperdicios

RESULTADOS

¿que nos indica la pendiente?

   Qué tanto aumenta la producción de O2 de acuerdo con el tiempo, es éste caso. 

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

solución ( % de alcohol)	Pendiente	Observaciones
0 %	M=0.622	En ésta muestra, realmente no hubo reacción visible, pero fue clave: se determina que entre menor cantidad de etanol tenga la solución, se produce más oxígeno porque la catalasa lo puede descomponer fácilmente.
2 20%	M=0.331	Hubiese sido normal que la pendiente fuera mayor que la de la muestra al 50%, pero ocurrió un accidente y se cayó el sensor por un momento y después se estabilizó, la reacción fue poca, a la catalasa le costó un poco más deshacer el H2O2.
50%	M=0.477	Aquí si fue visible la reacción después de agregar el H2O2 al hígado con la solución al 50%, inmediatamente se observaba una clase de efervescencia por la cantidad de etanol. La catalasa reaccionó y la producción de O2 fue mínima porque la enzima no pudo deshacer gran parte del H2O2.

CONCLUSIONES

Las siguientes preguntas te pueden guiar en el desarrollo de tus conclusiones:

¿Qué efecto tiene  el cambio en la concentración de alcohol en la velocidad de descomposición del H2O2?

¿Qué crees que pasará con la velocidad de reacción si la concentración de enzima se aumenta a 50 %?.

¿Concuerda esto con lo esperado?

¿Qué otros factores pueden influir en la actividad enzimática?

¿Qué relación puede haber con el abuso en el consumo de alcohol en los seres humanos.

¿qué aspectos se pueden mejorar en el experimento?

CONCLUSIONES

Influye la cantidad de etanol en la descomposición del H2O2 y la producción de oxígeno: entre menos etanol, más fácil le es a la catalasa descomponer el H2O2 y producir O2 como en la solución al 0% y al 20%, pero, entre mayor concentración de etanol, la catalasa no puede descomponer el H2O2 y por lo tanto la producción de oxígeno es menor en el caso de la solución al 50%. Los resultados fueron los esperados, ya que la cantidad de etanol impide la descomposición del H2O2 y eso nos lleva a concluir que en un caso real de una persona alcohólica, la catalasa en su hígado se ve restringida a hacer buen efecto y por lo tanto el órgano se oxida. Imaginamos que otro factor principal en la actividad enzimática sería la temperatura, porque no estaría la enzima en sus condiciones normales, y además, el estado del hígado, entre más fresco, podría dar mejores resultados.