Quali sono i fattori che regolano la velocità di una reazione enzimatica?

Praticamente un anno fa, vi ho raccontato di come ho trasformato un’attività tradizionale sull’attività enzimatica e i fattori che ne regolano la velocità in attività IBSE per la fase di Explore. A distanza di un anno posso dirvi di aver provato anche altre attività sulla catalisi enzimatica che, pur non essendo sperimentali, permettono di far fare ai ragazzi riflessioni interessanti in modo comunque operativo.

La prima che voglio raccontarvi è un’attività POGIL che potete trovare nel libro POGIL Activities for AP* Biology, ma che  potete scaricare gratuitamente come risorsa campione sul loro sito.

Come potete vedere dalla scheda originale, l’attività, che va fatta PRIMA di aver spiegato questi concetti, parte da una domanda investigabile:

Quali sono i fattori che regolano la velocità con cui gli enzimi catalizzano le reazioni?

L’investigazione prevede l’analisi di 2 Modelli attraverso osservazioni guidate da una serie di domande.

Il primo modello prende in considerazione due enzimi digestivi, la lipasi  pancreatica e la pepsina.

La lipasi pancreatica è un enzima che idrolizza i trigliceridi in  2- monoacilglicerolo (l’enzima non è in grado di spezzare il legame tra acido grasso e glicerolo in posizione 2) e due molecole di acidi grassi, mentre la pepsina inizia la digestione di quasi tutte le proteine introdotte con la dieta, idrolizzandole in polipeptidi più piccoli e amminoacidi.

Partendo dal grafico del Modello 1, i ragazzi dovranno identificare i due enzimi, stabilire per ciascuno il pH che rappresenta meglio l’ambiente in cui l’enzima è più attivo, confrontare l’attività di questi due enzimi ai due diversi pH, spiegare i possibili effetti dell’esposizione a pH diversi da quelli del range ottimale sulla struttura e sulla funzione degli enzimi e stabilire a quale pH la lipasi e la pepsina potrebbero venire denaturate.

I ragazzi dovranno riflettere anche sulle possibili differenze strutturali tra lipasi pancreatica e lipasi gastrica (prodotta nello stomaco),  tracciare un possibile grafico che mostri l’attività di quest’ultima e riflettere anche sul possibile effetto dell’assunzione di antiacidi sulla digestione delle proteine nello stomaco.

Nel secondo Modello, invece, i ragazzi analizzeranno l’effetto delle variazioni di temperatura, concentrazione dell’enzima e concentrazione del substrato sulla velocità della reazione enzimatica dell’amilasi pancreatica, l’enzima che catalizza la digestione di amido e glicogeno in maltosio.

Dall’analisi dei tre grafici del Modello 2, i ragazzi identificheranno la temperatura ottimale in cui l’amilasi presenta il proprio massimo di attività (comprendendo il significato biologico di questa temperatura), faranno previsioni su ciò che potrebbe accadere all’attività dell’amilasi a temperatura superiori a 37°C e su cosa potrebbe accadere alla digestione di un bambino con la febbre a 40°C per 24 ore.

Quindi, prenderanno in considerazione la relazione tra concentrazione di enzima e velocità della reazione enzimatica e ipotizzeranno una spiegazione riguardo al fatto che l’attività enzimatica raggiunga un valore massimo indipendentemente da ulteriore aggiunta di substrato.

Per concludere, rifletteranno sull’attività enzimatica della Taq polimerasi usata nella PCR (reazione a catena della polimerasi), capace di funzionare anche a 95°C ma con una temperatura ottimale di 70°C e sul perché si utilizzi questo enzima invece di quello umano (o di altro organismo) per questa tecnica.

Infine, rifletteranno sul ruolo di coenzimi ad inibitori, ipotizzando l’andamento di un grafico che mostri la relazione tra la velocità della reazione enzimatica e la concentrazione di coenzima e la velocità della reazione enzimatica in presenza di un inibitore.

Se questa attività non vi dovesse bastare, per casa potreste assegnare anche un bel laboratorio virtuale con cui investigare la seguente domanda:

In che modo la concentrazione del substrato e il pH influenzano le reazioni controllate dagli enzimi?

In questo esperimento i ragazzi determinano gli effetti della concentrazione del substrato (ad esempio il lattosio) e del pH sulla velocità iniziale di una reazione catalizzata da un enzima (ad esempio la lattasi).

Dopo aver letto gli obiettivi e la procedura dell’esperimento, dovranno cliccare sul monitor, guardare il video che spiega l’azione dell’enzima e riassumerla.

Poi condurranno l’esperimento sulla base delle indicazioni specificate nella procedura.

Nella provetta 1, regoleranno il pH su 3; nella provetta 2, regoleranno il pH su 5; nella provetta 3 lasceranno il pH su 7; nella 4, regoleranno il pH su 9 e nella 5, regoleranno il pH su 11.

Quindi, aggiungeranno 0,5 g di substrato in ciascuna delle 5 provette e registreranno in tabella (cliccando Table) i valori ottenuti.

Perché sono stati aggiunti 0,5 g di substrato a tutte le provette invece di usare quantità variabili di substrato?

Qual è la variabile indipendente in questo esperimento? Qual è la variabile dipendente?

Ripeteranno nuovamente l’esperimento usando 1 g di substrato (lattosio) e poi utilizzandone 2,  4 g e 8 g registrando ogni volta i dati ottenuti nella tabella.

Quando la tabella dei dati online sarà completa, faranno clic su “grafico” e, analizzandolo, risponderanno ad alcune domande:

Cosa indicano i dati ottenuti sulla concentrazione ottimale del substrato per questa reazione catalizzata dalla lattasi?

Cosa indicano i dati sul livello di pH ottimale per questa reazione catalizzata dalla lattasi?

Le persone con intolleranza al lattosio possono di assumere  durante i pasti prodotti che contengono l’enzima lattasi. Questi prodotti possono essere presi in forma di compressa. Considerando il fatto che in questa forma l’enzima viaggia attraverso lo stomaco della persona prima di arrivare all’intestino, di cosa dovrebbe preoccuparsi  il produttore di questo prodotto?

Spiega perché non è possibile raggiungere la massima velocità di reazione a basse concentrazioni di lattosio.

Descrivi la relazione tra la concentrazione del substrato e il numero di molecole di glucosio e galattosio che si sono formate durante il primo minuto.

Descrivi la relazione tra pH e numero di molecole di glucosio e galattosio che si sono formate durante il primo minuto.

Che ne dite? Può bastare? 😉

E voi che attività fate con i vostri ragazzi? Raccontatelo nei commenti!

Alla prossima!

Barbara

P.S.

Trattandosi di ragazzi di quinta ho utilizzato la scheda di lavoro POGIL direttamente in inglese (sono stati bravissimi!), ma se foste interessati alla traduzione in italiano sappiate che la invierò con la prossima newsletter. 🙂

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