UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR FACULTAD MULTIDISCIPLINARIA ORIENTAL DEPTO. DE CIENCIAS NATURALES Y MATEMÁTICA SECCIÓN DE BIOLOGÍA ASIGNATURA: BIOLOGÍA GENERAL DOCENTE: LICDA. WENDY ARCHILA. INTRODUCCIÓN LABORATORIO N° 4: METABOLISMO Las reacciones químicas y los cambios energéticos que ocurren en las células vivas reciben en nombre de metabolismo, mediante estas reacciones químicas las células obtienen, transforman y utilizan la materia energía para automantenerse y reproducirse. Las reacciones químicas que constituyen el metabolismo celular se dividen en dos grupos: catabólicas que en su conjunto constituyen el catabolismo y anabólicas que forman el anabolismo celular. 1. Reacciones químicas anabólicas (anabolismo) Las reacciones químicas anabólicas son de síntesis de moléculas complejas a partir de moléculas más simples, requiriendo para ello un aporte de energía (reacciones endergónicas), ejemplo, la síntesis de proteínas a partir de aminoácidos. 2. Reacciones Químicas Catabólicas (catabolismo) Son reacciones de desdoblamiento de moléculas complejas a moléculas más pequeñas, con liberación de energía (reacciones exergónicas), ejemplo el desdoblamiento de proteínas en aminoácidos. La Fotosíntesis y la respiración celular son procesos anabólicos y catabólicos respectivamente. La fotosíntesis: en un proceso anabólico mediante el cual las plantas y todos aquellos organismos que poseen pigmentos fotosintéticos utilizan la energía de la luz solar para sintetizar glucosa (C 6H1206) a partir de dióxido de carbono (CO2) y agua (H20). Se representa mediante la ecuación química siguiente: 6 CO2 + 12 H20 Luz Cloroplasto C6H12 06 + 6 O2 + 6 H2 O La respiración celular es un proceso catabólico que consiste en la degradación de moléculas combustibles: carbohidratos, lípidos y proteínas con liberación de energía, la cual es necesaria para la síntesis de adenosina 1 trifosfato (ATP) un tipo de energía química utilizada por los organismos para realizar las diversas actividades celulares. La respiración celular se representa mediante la ecuación química siguiente: Enzimas 6 C02 + 12 H20 + 38 ATP C6 H12 06 + 6 0 2 + 6 Mitocondria H2 0 OBJETIVOS ESPECÍFICOS: - Explicar la importancia del Sol en la subsistencia de la vida en la tierra. Deducir la importancia del agua y del CO2 en el proceso fotosintético Diferenciar por el color las clorofilas de los carotenoides Diferenciar el producto que se obtiene en la fase clara del que se produce en la fase oscura de la fotosíntesis. Explicar la importancia del oxígeno y de la glucosa en el mantenimiento de la vida Explicar en qué parte del cloroplasto ocurre la fase clara y oscura de la fotosíntesis. Explicar que productos de la fase clara son necesarias para que se inicie la fase oscura. Explicar la importancia de las enzimas Establecer las diferencias y semejanzas existentes entre la fotosíntesis y respiración celular Establecer la acción de la amilasa salival y de la temperatura en el proceso de hidrólisis enzimática del almidón. MATERIALES (+ Material que traerá el alumno) - Mortero y pistilo 1 termómetro 6 tubos de ensayo 1 bloque comparador Gradilla para tubo de ensayo Rama de Elodea Reactivo de Benedict y Lugol Alcohol etílico Embudo pequeño y grande. Papel filtro Beacker de 400 ml y agitador de vidrio Mechero Bunsen 2 probetas de 10 ml y 2 goteros Pasteur Placa de Petri Solución de almidón al 1% Solución de levadura al 5% Solución de bicarbonato de sodio al 3% 2 - Hojas de “espinaca” y “guayabo” Dos envases no retornables, transparentes y sin tapón. Tijeras Lámparas 2 globos. DESARROLLO ACTIVIDAD N. 1: SEPARACIÓN DE PIGMENTOS FOTOSINTÉTICOS POR CROMATOGRAFÍA EN PAPEL. La fotosíntesis es un proceso que realizan los seres vivos que poseen en sus células pigmentos fotosintéticos, los cuales son capaces de absorber la luz solar y transformarla en energía química, que posteriormente utilizan para formar materia orgánica a partir de inorgánica. Los pigmentos fotosintéticos más abundantes son: la clorofila a, la clorofila b, los carotenos y las xantofilas. Se extraerán pigmentos fotosintéticos de las hojas de espinaca. Para realizar este proceso, se procede de la siguiente manera (Figura 1. A - I): A C B Figura 1. (A) Se cortan las hojas de espinaca en pequeños trozos (no se incluye la nervadura de las hojas en los cortes), y (B) se colocan en un mortero. (C) Luego se le añaden 10 ml de alcohol etílico. D E F (D) Se maceran los pequeños trozos de espinaca ejerciendo presión con el pistilo por 5 minutos o hasta observar que el alcohol (E) se coloree de verde oscuro. Para eliminar los trozos de hoja que han quedado, 3 (F) se filtra el líquido con papel filtro y con la ayuda de un embudo sobre un beaker. G I H (G) Se vierte la solución obtenida en una placa de Petri. Luego se corta un segmento de papel filtro en forma de rectángulo, se dobla dicho papel por la mitad, (H) para introducirlo a la placa de Petri. (I) Se espera por último a que los pigmentos se absorban y distribuyan en el papel filtro, para observar los resultados. RESULTADOS: La separación mediante cromatografía sobre papel de los pigmentos fotosintéticos en general, y en particular los de espinaca, transcurre fundamentalmente a través de un mecanismo de adsorción. Para obtener mejores resultados en este experimento, se deja secar el papel filtro. Observe la separación de los pigmentos en diferentes bandas de colores (Figura 2) y conteste. Carotenos Xantofilas Clorofila a Clorofila b Figura 2. Resultados obtenidos de la cromatografía en papel. 1. Escriba el color que observa en la tira de papel filtro según el tipo de pigmento fotosintético. 4 2. ¿Cuál es la función de estos pigmentos? 3. ¿Por qué se empleó alcohol etílico para extraer los pigmentos? ACTIVIDAD N.2: PRODUCTOS DE LA FOTOSÍNTESIS Las reacciones de fotosíntesis se dividen en dos fases: aquellas dependientes de luz y aquellas reacciones de fijación de carbono. Cada conjunto de reacciones ocurre en una parte distinta del cloroplasto: las reacciones dependientes de luz están asociadas con los tilacoides, y las reacciones de fijación de carbono ocurren en el estroma (Figura 3). Figura 3. Resumen general de la fotosíntesis. A) PRODUCTOS DE LA FASE CLARA (Reacciones dependiente de la luz). En las reacciones dependientes de luz, la clorofila y otras moléculas insertadas en las membranas de los tilacoides de los cloroplastos captan energía de la luz solar y convierten parte, en energía química almacenada en las moléculas portadoras de energía ATP (adenosín trifosfato) y NADPH (nicotinamida adenina dinucleótido fosfato). Los enlaces de la molécula de agua se rompen y se libera oxígeno como subproducto, proceso al cual se le conoce como fotólisis. Para esta actividad es necesario que observe el video correspondiente en el siguiente enlace: https://drive.google.com/file/d/1Zb3scBtYJiAw8OmvzHTfzA0NS2Ss2NBL/view?usp=sharing 5 En el video observará, el procedimiento que se realiza para comprobar el proceso de fotosíntesis, en especial la producción de oxígeno, subproducto de la fase clara; y para ello se utiliza una planta acuática (Elodea), cubierta con un embudo que se coloca de forma invertida (y sobre este un tubo de ensayo con agua destilada) dentro de un vaso de precipitado, que contiene agua con bicarbonato de sodio. Por último, se expone a la planta acuática a la luz, para obtener los resultados. A partir de lo observado en el video y de la información que se le proporciona en este documento, responda: 1. ¿A qué se debe el desprendimiento de burbujas? 2. ¿Cuál es la importancia del gas desprendido? 3. Además del gas observado, que otros compuestos son productos de la fase clara de la fotosíntesis? 4. ¿En qué parte de los cloroplastos ocurre este proceso? B) PRODUCTOS DE LA FASE OSCURA (Reacciones de fijación de carbono). En las reacciones de fijación de carbono, se utiliza la energía del ATP y del NADPH (producidos en la fase clara), para la formación de moléculas orgánicas (carbohidratos) a partir del CO2. Los carbohidratos que se producen por medio de la fotosíntesis se convierten en almidón y son almacenados por las plantas. El almidón, es la forma común de carbohidrato que utilizan las plantas para el almacenamiento de energía, es un polímero que consiste en subunidades de α-glucosa. Para esta actividad es necesario que observe el video correspondiente en el siguiente enlace: https://drive.google.com/file/d/1oJ-zcqqOdKG1TUeIIOW_Ay0B4Xa42kCG/view?usp=sharing En el video observará, el procedimiento que se realiza para comprobar el proceso de fotosíntesis que realizan las plantas, por medio de la identificación del almidón en hojas, para lo que se necesita realizar la prueba del Yodo o Lugol. Dicho experimento se llevó a cabo con las hojas de una planta que se expuso previamente a la luz, y luego fue puesta en la oscuridad. Observe los cambios de coloración, y responda las siguientes preguntas. 1. ¿Cuál hoja se coloreó de azul-negro? ¿La que fue expuesta a la luz o a la que estuvo en oscuridad?: 6 2. ¿Por qué la hoja que estuvo en la oscuridad no dio positivo a la prueba del Yodo? _ 3. ¿Por qué la presencia de almidón evidencia que una planta ha realizado fotosíntesis? 4. ¿Cuál es el gas del medio ambiente que las plantas utilizan para la síntesis de carbohidratos? 5. ¿Cuáles productos de la fase clara utiliza la planta para la síntesis de carbohidratos? ACTIVIDAD N.° 3: HIDRÓLISIS DEL ALMIDÓN. Al morder un alimento, tu boca produce agua y empiezas a masticar. Con ello se inicia la digestión mecánica y química de los alimentos. Mientras los dientes trituran el alimento, la primera fase de la digestión química se produce cuando tres pares de glándulas salivales (parótida, submandibular y sublingual) generan saliva en respuesta al olor, sensación y sabor. En conjunto, las glándulas salivales producen cerca de uno a 1.5 litros de saliva al día. Asimismo, la saliva contiene la enzima digestiva amilasa salival, que inicia la degradación o descomposición del almidón (encontrado en algunos alimentos: papa, el arroz y el maíz) en azúcares simples. El almidón es un polisacárido, que está compuesto por moléculas de α-glucosa unidas por enlaces glucosídicos, y se presenta en dos formas: amilosa y amilopectina. La amilosa, que es la forma más sencilla, no es ramificada, mientras que la amilopectina, que es la forma más frecuente, por lo general se compone de aproximadamente 1000 unidades de glucosa en una cadena ramificada. Las enzimas digestivas usan la hidrólisis para degradar las moléculas de gran tamaño encontradas en los alimentos. La hidrólisis (“rompimiento con agua”) es un tipo de reacción regulada por una enzima especifica (catalizador biológico), donde uno de los hidrógenos de la molécula de agua se une a un monómero y el grupo hidroxilo, se une al monómero adyacente (Figura 4). Figura 4. Reacción de hidrólisis. En general, las enzimas trabajan mejor bajo ciertas condiciones estrechamente definidas, tal es el caso de una temperatura apropiada La mayoría de las enzimas tienen una temperatura óptima, en la cual se 7 da la mayor rapidez de una reacción. Para las enzimas presentes en los humanos, la temperatura óptima es cercana a la temperatura corporal (35°C a 40°C). A bajas temperaturas, las reacciones enzimáticas suceden muy lentamente o no ocurren. De ahí la importancia de colocar en baño María a 37 °C la solución descrita en el siguiente procedimiento. Hidrólisis enzimática. - Para realizar esta actividad, se procede de la siguiente manera (Figura 5. A- I): Figura 5. (A-B) En un tubo de ensayo se coloca 1 ml. de saliva, y luego se adiciona 1 ml. de solución de almidón al 1%, se agita y (C) luego se coloca el tubo en baño de María a 37ºC de temperatura. Figura 5. (D) Cada 2 minutos se toman dos gotas de la solución (la que se encuentra en baño María), y (E) se colocan en una de las depresiones del bloque comparador y luego se le añaden 2 gotas de lugol. Se repite el procedimiento hasta obtener una prueba negativa (color amarillento). 8 Figura 5. La solución sobrante (la que tenía en un principio almidón, saliva, y fue puesta en baño María), (F) se le agregan 12 gotas de reactivo de Benedict. (G) Se calienta el tubo en baño de María durante 10 minutos. Figura 5. Al observar los resultados, (H) se puede notar el cambio en la coloración, (I) tornándose a rojo-naranja. 1. ¿Cuál es la enzima presente en la saliva? y ¿cuál es su función? _ 2- ¿Cómo se evidenció en el bloque comparador la hidrólisis total del almidón? 3- Analice (y recuerde lo estudiado en la práctica de laboratorio N.° 2). ¿Por qué se realizó la prueba de Benedict al final del procedimiento? 9 4- Mencione el nombre de algunas enzimas que participan en la degradación de las proteínas y lípidos de los alimentos. ACTIVIDAD N.° 4: RESPIRACIÓN CELULAR. La respiración celular se define como el proceso mediante el cual la energía contenida en los carbohidratos (glucosa), lípidos y proteínas que se consumen en la alimentación es transformada y liberada al citosol en forma de ATP que la célula utiliza para cumplir sus funciones. La respiración celular puede ser de dos tipos: aeróbica (o aerobia) y anaeróbica (o anaerobia). - La respiración aeróbica consiste en un proceso químico que requiere la presencia de oxígeno para producirse y del cual se obtienen como productos de desecho dióxido de carbono y agua. - En la respiración anaeróbica no se emplea el oxígeno como aceptor final de electrones, los productos finales varían de acuerdo al organismo que la realiza. La fermentación es una vía anaerobia que utilizan algunas bacterias y hongos (como las levaduras), conocido como: fermentación alcohólica, cuando están en ausencia de oxígeno. En este caso liberan dióxido de carbono (CO2) y se produce alcohol etílico (CH3-CH2OH). Reacción general de la fermentación alcohólica es: C6H12O6 → 2CO2 + 2 CH3-CH2OH + 2ATP La humanidad ha aprovechado las células de levadura para producir pan, cerveza y vino. Por ej., al elaborar el pan, el dióxido de carbono es el producto de fermentación más importante, ya que permite que se esponje la masa del pan y el alcohol se evapora durante el horneo. Para esta actividad es necesario que observe el video correspondiente en el siguiente enlace: https://drive.google.com/file/d/1DipNuUSKisojRTQ6CIWiw-53oJ7MpP2v/view?usp=sharing En el video visualizará, el procedimiento que se realiza para evidenciar el proceso de fermentación alcohólica, una vía de la respiración celular anaerobia, realizado por levaduras (Saccharomyces cerevisiae). A partir de lo observado en el video y de la información que se le proporciona en este documento, responda: 10 1- ¿Qué sucedió con los globos en ambas botellas? Explique 2- ¿Qué proceso se llevó a acabo? 3- ¿Qué gas se liberó en el proceso? 4- ¿Además de ese producto, que otro se ha obtenido en el proceso? 5- ¿Cuál es la importancia del proceso para los organismos que lo realizan? 6- Si el proceso ocurre en condiciones aeróbicas, ¿los productos serían los mismos? Explique 11 BIBLIOGRAFÍA - AUDESIRK et al. 2013. Biología, la vida en la tierra con fisiología. Novena Edición. Editorial, Pearson Educación de México. 1000 pp. Solomon E. Berg L. Martin D. 2013. Biología General. Novena edición. Cengage Learning Editores S.A de C.V. México. 1260 pp Universidad Nacional de Loja. 2019. Práctica sobre fotosíntesis [Video]. Recuperado de: https://www.youtube.com/watch?v=xhfSpMLWWw4 Educar Portal. 2016. Biología: El oxígeno y la respiración [Video]. Recuperado de: https://www.youtube.com/watch?v=Yhpme_G2QcU&t=6s Science Bits. 2016. Video experimento: Indicio de fotosíntesis [Video]. Recuperado de: https://www.youtube.com/watch?v=5HZNLzsuldE VTRChile. 2017. Metabolismo celular. Didacticiencia Biología [Video]. Recuperado de: https://www.youtube.com/watch?v=zWbT38Jt-ls&t=46s 12
