Para ser presentado en el IV Encuentro de Ciencia y Tecnología, de los Colegios Adventistas de la Unión Chilena. FORMULARIO DE INVESTIGACIONES EN CIENCIAS A.- Título VARIACIONES EN CONDICIONES ÓPTIMAS DE REACCIONES QUÍMICAS Y SU EFECTO EN LA ACCIÓN ENZIMÁTICA DE AMILASA SALIVAL Categoría Biología Subcategoría Bioquímica B.- Autores/as Representante N°1 del equipo Nombre: DANIELA SOFIA GARCIA GONZALEZ Fecha 14-09-1997 Curso: 3º EM RUT: 21.556.130-5 nacimiento Establecimiento COLEGIO ADVENTISTA SANTIAGO PONIENTE Educacional Dirección Particular UCRANIA 5416. LO PRADO Ciudad/Región SANTIAGO Teléfono 27794050 - 74455946 Email lali_por2@hotmail.com Representante N°2 del equipo Nombre: BELEN PAMELA JORQUERA ROJAS Fecha 18-02-1997 Curso: 3ºEM RUT: 19.644.954-K nacimiento Establecimiento COLEGIO ADVENTISTA SANTIAGO PONIENTE Educacional Dirección Particular LA DORMIDA 973 Ciudad/Región SANTIAGO Teléfono 29672010 23677811 - 27275010 Email casap_2@hotmail.com 1 Representante N°3 del equipo Nombre: DANIELA BELEN VALENZUELA BUSTOS Fecha 06-10-1996 Curso: 3ºEM RUT: 19.378.419-4 nacimiento Establecimiento COLEGIO ADVENTISTA SANTIAGO PONIENTE Educacional Dirección Particular 7 DE OCTUBRE 540. ESTACION CENTRAL Ciudad/Región SANTIAGO Teléfono 9263859 Email dannybelen777@gmail.com Nombre de TODOS los estudiantes del equipo de trabajo, exceptuando los participantes directos Nombre Completo: Curso: RUT ANGIE VALERIA HERRERA CEDEÑO 3º EM 23.250.193-6 BARBARA VALENTINA HERNANDEZ VERA 3° EM 19.670.998-3 Profesor/a Asesor/a Nombre RUT Especialidad Establecimiento Educacional Dirección Particular Teléfono 23231254 Particular MARIA TERESA SORIA HERRERA 6.144.106-9 BIOLOGIA Y CIENCIAS COLEGIO ADVENTISTA SANTIAGO PONIENTE PASAJE MADRESELVA 2/282 MAIPU Celular 92939298 E-mail profesoramarite@ Personal hotmail.com Director /a del Establecimiento Educacional que respalda la propuesta Nombre JORGE STAGNARO TAPIA Rut 11.735.145-9 Nombre Colegio COLEGIO ADVENTISTA SANTIAGO PONIENTE Dirección PEDRO DE CORDOVA PARTICULAR 5817 SUBVENCIONADO Ciudad / Región SANTIAGO-REGION METROPOLITANA email staganarotapia@gmail.com C. ¿Dónde han investigado? La investigación se hizo íntegramente en la dependencias de establecimiento educacional, sala de laboratorio, con motivo al año internacional de la Química de los Alimentos, en los talleres Tus Competencias en Ciencias TCC – EM - RM 2 D. ¿La investigación ha sido presentada en otros eventos (ferias o muestras) científicos? Sí____X_ No ___ Nómbralos (si la respuesta es sí): V Feria Científica CASAP 2011 II Feria Científica Intercolegios Adventistas. AMCh 2011 VII Congreso Regional Escolar de Ciencia y Tecnología EXPLORACONICYT. REGION METROPOLITANA. UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILE 2012 ¿Han ganado premios? Sí X Nombre (s) de el/los premio(s): No 1ª Premio Investigación Escolar CASAP 2011 1ª Premio Investigación Escolar Intercolegios Quedar seleccionado como uno de los mejores trabajos que se presentaron al Congreso Regional E. Resumen de la Investigación En no más de 150 palabras. Las enzimas son moléculas que catalizan reacciones químicas del metabolismo celular, cuya acción se ve afectada por diversos factores: la temperatura, cambios de pH y concentración de la enzima, sustrato y cofactores. Se decidió investigar cómo la variación de las condiciones óptimas de actividad enzimática, influyen en las reacciones químicas que éstas catalizan. Para ello, se evaluó la actividad de la enzima amilasa salival en diversas condiciones de reacción, y como esto influye en la generación de glucosa como producto final de degradación. Se realizaron pruebas colorimétricas, mediante reacción con lugol y solución de Fehling, determinado cualitativamente el rango de acción química de la enzima. Se observaron diferencias de coloración al evaluar los efectos de las variaciones de concentración enzimática, temperatura, pH y sustrato en la acción de la amilasa salival; siendo esta más eficiente a temperaturas cercanas a 36°C y pH neutro. Por lo tanto, los resultados obtenidos permitieron corroborar la hipótesis planteada, ya que se comprobó experimentalmente que las condiciones en las que se producen las reacciones químicas afectan la acción de las enzimas. Y se demostró en qué rangos actúa mejor la amilasa saliva. 3 F. ¿Qué les motivó a investigar? El metabolismo celular tiene relación con todas las reacciones químicas del organismo, las que liberan o requieren energía. Por lo tanto, el metabolismo celular es un balance de energía entre las reacciones anabólicas (de síntesis) y catabólicas (de degradación). Las reacciones químicas se presentan cuando se crean o se rompen enlaces químicos, siendo reguladas por catalizadores. En las células, las enzimas funcionan como catalizadores biológicos que actúan en forma específica y eficiente, regulando la rapidez y especificidad de las reacciones químicas intracelulares. La actividad enzimática depende de diversos factores, entre ellos se destaca: la temperatura, cambios de pH y concentración de la enzima, sustrato y cofactores. En general, en el cuerpo humano las enzimas actúan de manera óptima a 37ºC y a un pH determinado, que depende del lugar donde ésta actúa (ácido, básico o neutro). Si existen variaciones en estas condiciones, se afectará la actividad enzimática. Dentro de la batería enzimática del organismo, se encuentran las enzimas digestivas. Estas enzimas actúan durante el proceso de digestión química de los alimentos, transformando los alimentos ingeridos en moléculas más simples (aminoácidos, glucosa, ácidos grasos, entre otros), que posteriormente serán absorbidas y utilizadas a nivel celular. La amilasa salival es una enzima digestiva producida a nivel de las glándulas salivales. Esta enzima permite degradar el almidón en oligosacáridos (maltosa) y la maltasa salival degrada la maltosa en glucosa. En condiciones normales, la saliva tiene un pH cercano al neutro (pH 6,8-6,5), ambiente donde la amilasa es más activa. Los glúcidos están formados por carbono, hidrógeno y oxígeno, y su principal función es constituir una reserva energética para el organismo. Otros tienen una función estructural, ya que forman parte de la membrana plasmática y de la pared celular de algunas bacterias y de las células vegetales. Cabe destacar, que esta investigación se originó debido a que el equipo de investigación participa en los talleres EXPLORA TCC –EM. Dentro de estos talleres, existen actividades relacionadas con el estudio y análisis de los alimentos, realizando actividades experimentales de reacciones enzimáticas, las que resultaron muy interesantes y novedosas. Estos trabajos experimentales motivaron al equipo a profundizar en el tema. Por otra parte, coincidió que en ese momento se estaba trabajando con temas relacionados en las clases de Biología y con el Año Internacional de la Química de los Alimentos. Finalmente, este trabajo permitió que el equipo ejecutor participara en diversas Ferias Científicas a nivel escolar, siendo galardonado con los primeros premios G.- Pregunta, Hipótesis y Objetivos: Pregunta: ¿Si se alteran las condiciones en las que se producen las reacciones metabólicas, se afectará la óptima acción de las enzimas? Hipótesis La variación en las condiciones en las que se producen las reacciones químicas, afectará la acción enzimática de la amilasa salival 4 Objetivos: 1. Conocer el rango óptimo en el cual actúa la enzima amilasa salival 2. Determinar la acción enzimática de la amilasa salival bajo diferentes condiciones de concentración, T°, pH y sustrato 3. Verificar la formación de glucosa como producto terminal de la reacción química de la amilasa salival, y como es afectaba bajo diferentes condiciones de reacción H.- Diseño y metodología de investigación. Incubadora Se construyó una incubadora con plumavit (22 x 28cm) para evaluar la actividad de la enzima en estudio. Se perforó la tapa para introducir el termómetro. Fase 1. Efecto Variación Concentración Enzimática mediante Prueba Colorimétrica Se marcaron y numeraron 4 tubos de ensayo de 1 a 4cm respectivamente (Tubo 0 al 3). Se llenó una botella plástica de 200mL con agua caliente. Se midió la temperatura del agua y cuando ésta llegó a 55-60°C, se procedió a tapar la botella e introducirla en la incubadora. Se tapó la incubadora y se insertó el termómetro en la tapa para medir la temperatura. Se prepararon los tubos de ensayo, siguiendo el siguiente protocolo: Tubo 0 (tubo control): agua tibia (30°C) en csp marcar 1cm más solución de almidón (se disolvieron 3 gr de almidón en 50 ml de agua), en csp llegar a marcar 3cm. Agitar. Tubo 1: saliva en csp marcar 1cm más solución de almidón en csp marcar 3cm. Agitar. Tubo 2: saliva en csp llegar a 2cm más solución de almidón en csp marcar 4cm. Agitar. Tubo: saliva en csp marcar 3cm más solución almidón en csp marcar 5cm. Se agregaron 3 gotas de lugol a cada tubo de ensayo. Finalmente, se colocaron los 4 tubos de ensayo preparados en una gradilla y se introdujeron en la incubadora. Durante el período de incubación (20min), se controló la temperatura con el fin de que está se mantuviera entre 35 a 40°C. Una vez finalizado el tiempo de incubación, se sacó la gradilla, se dejó reposar los tubos por 1 ó 2 minutos y se procedió a comparar cualitativamente los resultados observados. Fase 2. Verificación de Acción Enzimática Con el fin de comprobar la existencia de glucosa como resultado de la reacción enzimática de la amilasa salival, a cada tubo de ensayo preparado en la fase anterior se le agregó 1mL de Solución de Fehling A y Fehling B respectivamente y se agitaron. Luego, cada tubo se sujetó con una pinza de madera y se colocó semi inclinado frente a la flama de un mechero de alcohol hasta que apareció el color naranja – amarillo y no hubo más cambios. Se procedió a comparar cualitativamente los resultados observados. Fase 3. Efecto Variación Temperatura mediante Prueba Colorimétrica Se realizó el siguiente protocolo de experimentación Tubo 1 2 3 4 Solución de almidón 2 cm 2 cm 2 cm 2 cm Solución enzimática 2cm 2 cm 2cm 2cm Lugol 3 gotas 3 gotas 3 gotas 3 gotas Condición Tº 30 a 40ºC (incubadora) 80ºC (agua caliente) Tº ambiente (14°C) Tº baja (4°C) (vaso con agua y hielo) El Tubo 1 y 2 se introdujeron en la incubadora, mientras que el Tubo 3 y 4 quedaron fuera. 5 Se esperó 20min y se procedió a observar y comparar cualitativamente los resultados. Posteriormente, se sometió a los tubos a la prueba de reconocimiento de glucosa descrita anteriormente (Fase 2). Fase 4. Efecto Variación de pH mediante Prueba Colorimétrica Se realizó el siguiente protocolo de experimentación Tubo 1 2 3 4 Solución de almidón 2 ml 2 ml 2 ml 2 ml Solución enzimática 2 ml 2 ml 2 ml 2 ml Lugol Condición pH 3 gotas 3 gotas 3 gotas 3 gotas pH neutro pH ácido (2mL jugo limón) pH alcalino (2mL solución bicarbonato) pH alcalino (2mL jugo limón + 2 mL bicarbonato) 7,5 5 9 8 Se colocaron los tubos por 20 minutos en la incubadora. Se procedió a observar y comparar cualitativamente los resultados. Posteriormente, se sometió a los tubos a la prueba de reconocimiento de glucosa descrita anteriormente (Fase 2). Fase 5. Efecto Variación de Sustrato mediante Prueba Colorimétrica Se realizó el siguiente protocolo de experimentación Tubo 1 2 3 4 Solución de almidón 2 mL de almidón 2 mL de harina 2 mL de chuño 2 mL de maizena Solución de enzima 2 mL 2 mL 2 mL 2 mL Lugol 3 gotas 3 gotas 3 gotas 3 gotas Se colocaron los tubos por 20 minutos en la incubadora. Se procedió a observar y comparar cualitativamente los resultados. Posteriormente, se sometió a los tubos a la prueba de reconocimiento de glucosa descrita anteriormente (Fase 2). I.- Materiales utilizados Incubadoras de plumavit Tubos de ensayo Gradilla Termómetro Botella plástica Agua Saliva Lugol o povidona yodada Solución de almidón Pinzas de madera Vasos Térmicos Hielo Papel pH Jugo de limón Bicarbonato Solución de Fehling A y B Pipetas Mechero de alcohol Sustrato (maicena, chuño, harina, almidón) 6 J. -Resultados Presente los resultados (valores) obtenidos y procesados de su investigación. Usen tablas, gráficos u otra representación (2 como máximo, por el espacio disponible) que muestren de manera resumida sus resultados para una mejor comprensión. Fase 1. Efecto Variación Concentración Enzimática mediante Prueba Colorimétrica Tubo 0 Tubo 1 Tubo 2 Tubo 3 No hay cambio de color. Se mantiene el color a povidona diluída. Cambio de coloración. Desaparece el color morado intenso Cambio de coloración. Desaparece el color morado intenso Cambio de coloración. Desaparece el color morado intenso, casi traslúcido. Trabajo enzimático en condiciones óptimas Almidón + lugol + enzima reacción positiva + Fehling A y B + calor, Fase 2. Verificación de Acción Enzimática Tubo 1 Tubo 2 Tubo 3 Tubo 4 No hubo cambio de coloración Leve cambio de coloración Moderado cambio de coloración Intenso cambio de coloración Fase 3. Efecto Variación Temperatura mediante Prueba Colorimétrica Tubo 1 Tubo 2 Tubo 3 Tubo 4 Cambió de color. Desaparece el morado y se observa el color del lugol diluído Mínimo cambio de coloración Leve cambio de color No hubo cambio de coloración Verificación Acción Enzimática Fase 3 Tubo 1 Tubo 2 Tubo 3 Tubo 4 Formación de glucosa. Reacción completa, cambió la coloración morada a café rojizo. Con Fehling cambió completamente a amarilla- naranja. Leve cambio de coloración. Pequeña reacción y aparición de glucosa en el fondo del tubo Leve cambio de color. Hubo menos reacción de la esperada Mínimo cambio de coloración Fase 4. Efecto Variación de pH mediante Prueba Colorimétrica Tubo 1 Tubo 2 Tubo 3 Tubo 4 Cambio de coloración No hubo cambio de coloración No hubo cambio de coloración Cambio de coloración Verificación Acción Enzimática Fase 4 Tubo 1 Tubo 2 Tubo 3 Tubo 4 Cambio de coloración. Formación de glucosa No hubo cambio de coloración No hubo cambio de coloración Cambio de coloración. Formación de glucosa 7 Fase 5. Efecto Variación de Sustrato mediante Prueba Colorimétrica Tubo 1 Tubo 2 Tubo 3 Tubo 4 Intenso cambio de coloración Cambio de coloración heterogéneo Cambio de coloración heterogéneo Cambio de coloración homogéneo Verificación Acción Enzimática Fase 5 Tubo 1 Tubo 2 Tubo 3 Tubo 4 Moderado cambio de coloración. Tubo con menor cambio de color Marcado Cambio de coloración Marcado de coloración Intenso cambio de coloración K.- Análisis y discusión de los resultados Al evaluar los efectos de la variación de concentración enzimática, se observaron cambios de coloración. Mientras el tubo control no sufrió cambios, a medida que se aumentó la concentración de saliva (amilasa salival) la intensidad del color del lugol o povidona yodada disminuyó. Este cambio de coloración se debería a la degradación enzimática del almidón, acción que aumenta al incrementar la concentración enzimática utilizada. La reacción con solución de Fehling obtuvo los resultados esperados, debido a que al aumentar la concentración enzimática el color se intensificó. Se demostró que a medida que se incrementaba la cantidad de enzima, mayor era la concentración de glucosa resultante de la reacción química de la amilasa salival con el almidón. Al analizar los efectos de la temperatura, se observó que en el tubo 1 la reacción enzimática fue óptima (30-40°C), provocándose un cambio de coloración. Si bien, se esperaba que en el tubo 2 (80°C) no hubiese reacción, se observó un leve cambio de color que se debería a una disminución de la temperatura inicial, lo que favorecería la acción de algunas enzimas. A temperatura ambiente la reacción fue moderada y a temperatura baja no hubo reacción. Al realizar la verificación de acción enzimática, la reacción fue mayor en el tubo expuesto a 30-40°C. La variación de pH también influyó en la calidad de las reacciones enzimáticas. En el tubo 1 y 4 hubo reacción, generando cambios de coloración; mientras que en los otros tubos esto no ocurrió. Por lo tanto, a pH cercano a neutro la reacción enzimática es mayor. Al realizar la verificación de acción enzimática, en el tubo 1 y 2 hubo formación de glucosa, mientras que en los otros tubos la reacción fue mínima, lo que hizo suponer que esta enzima tendría una leve tolerancia a los cambios de pH, mientras que a pH extremos la acción enzimática sería nula. Al evaluar los tipos de sustrato y agregar lugol, todas las soluciones se tornaron moradas. Luego de la incubación, todos los tubos cambiaron de color tomando el color de lugol diluido. Este cambio de coloración fue más intenso en la maicena, seguido del chuño, almidón y harina respectivamente. Al realizar la verificación de acción enzimática, todos los tubos cambiaron de coloración con diferencias de tonalidad, siendo esta reacción mayor en la maicena y menor en la harina. Por lo tanto, si bien se produjo la degradación enzimática del almidón en todos los sustratos analizados, habría una mayor acción al usar la maicena. Los resultados obtenidos en la investigación reiteran lo descrito en la literatura, porque se comprobó experimentalmente que si las condiciones físico – químicas de las reacciones 8 enzimáticas cambian, se producen alteraciones que afectan la acción enzimática de la amilasa salival. Pero además se observó una diferencia notable en la formación de glucosa, dependiendo del sustrato, o sea del origen de los almidones, asunto no mencionado en la literatura consultada L. Conclusiones. Describan en 3 o 4 oraciones lo más relevante de su investigación. Consideren si se comprueba o rechaza la hipótesis, cómo responden nuestros resultados a los objetivos planteados, qué otra experiencia y hallazgos obtenidos de esta investigación pude servir a otros investigadores. 1. Si se alteran las condiciones en las que se producen las reacciones metabólicas, se afecta la óptima acción de las enzimas 2. La acción de la amilasa salival se ve afectada por los cambios de concentración enzimática, temperatura, pH y sustrato utilizado. 3. La enzima amilasa salival presentó mayor eficiencia a temperaturas cercanas a 36°C y pH neutro, existiendo una mayor formación de glucosa. 4.Los almidones de diferente origen (papa, maíz, arroz) tienen velocidades de reacción diferente y formación de distinta cantidad de glucosa como producto terminal M. Proyecciones. En máximo 4 oraciones las proyecciones qué pueda tener su investigación (Qué líneas de investigación quedan abiertas o cual podrías ser la aplicación de los antecedentes encontrados). El trabajo realizado podría ser complementado con otras investigaciones tendientes a evaluar: - la velocidad de reacción enzimática - efecto de la saliva de diferentes donantes - efecto de concentración de sustrato - tiempos para cada sustrato para determinar con mayor especificidad los rangos óptimos de acción de la amilasa salival. Extrapolar los resultados para determinar que factores afectarían la digestión de los alimentos, en este caso, los ricos en carbohidratos y cómo esta información podría ser utilizada para favorecer una dieta saludable, en especial para aquellas personas que tienen intolerancia a estos alimentos, ya que les provocan acidez o reflujo gastroésofágico (podría ser semejante al caso de la intolerancia de la lactosa) Por otra parte, se podría realizar un análisis químico proximal de los sustratos utilizados, con el fin de evaluar sus componentes bioquímicos y determinar la razón por la cual la maicena generó una mayor acción enzimática en comparación a los otros sustratos ricos en almidón. Obteniendo datos de mayor digestibilidad o incluso que almidones aportan más glucosa en relación a la obesidad en personas que lo ingieren Complementar el trabajo experimental con estudio de bebidas cola, y si éstas influirían significativamente en la digestión de almidones, ya que son comúnmente 9 ingeridas a la hora de almuerzo N.- Bibliografía Deben mencionar detalladamente todos los libros, revistas y páginas Web consultadas para realizar tu investigación. Usen el siguiente formato: Cita de Libros: COX, Cristián, “Políticas educacionales en el cambio de siglo: La reforma del sistema escolar de Chile”, Serie Educación, Editorial Universitaria, Santiago, 2004, 710 p. Cita de Sitio Web: SANHUEZA, Gladys, “El Constructivismo”, Monografías.com, 20 de septiembre de 2005. URL: http://www.monografias.com/trabajos11/constru/constru.shtml Cita de artículo: ROJAS, María, Ciencia Entretenida, en “Revista La Nueva Ciencia”, Vol. I, Número 23, p.30, Editorial La Lupa, Concepción, 2007. Curtis, Helena; Barnes, Sue, otros. “Biología” VI Edición, Editorial Médica Panamericana. Madrid 2005 MINEDUC. Texto Biología. Primer Año Educación Media. Santillana del Pacífico S. A. Santiago, Chile. 2012. MINEDUC. Texto Biología. Tercer Año Educación Media. Santillana del Pacífico S. A. Santiago, Chile. 2012. Villagra, Lorenzo; Cataldo, Juan; Cerda, César. “Ciencias Naturales Biología”. Mc Graw- Hill Interamericana. Santiago 2002 Ville, Claude. “Biología”. VII Edición. Editorial McGraw-Hill. México. 1990. Wikipedia. “Enzima” URL: http://es.wikipedia.org/wiki/Enzima Profesores en Línea. Apuntes 1° Medio. Unidad 2. Nutrición. Metabolismo Celular URL: http://www.profesorenlinea.cl/Ciencias/Metabolismo_celular.html 10