Modelo Linea de Investigación

8/18/2019 Modelo Linea de Investigación

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Material de ayuda al profesor de Química 1

Investigación 4 (con comentarios)

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INVESTIGACIÓN SOBRE LA DEPENDENCIA DE LADESNATURALIZACIÓN DE LA PROTEÍNA DEL HUEVO CON LA

TEMPERATURA

Objetivo

El objetivo de esta investigación fue investigar cómo depende la velocidad dedesnaturalización de las proteínas de la clara de huevo de la temperatura, ydeterminar experimentalmente la energía de activación del proceso dedesnaturalización.

Introducción

La idea original para este proyecto surgió a partir de una lección sobre la temperaturade ebullición y la presión de vapor, cuando aprendimos por qué se tarda más en hacerun huevo duro en altitudes elevadas (debido a que la temperatura de ebullición delagua es menor). ¿En qué medida depende el tiempo que tarda un huevo en cocinarsede la temperatura? ¿Es posible predecir exactamente el tiempo necesario para cocinarun huevo duro a todas las temperaturas? ¿Por debajo de qué temperatura no sepuede cocinar un huevo duro?

Decidí que la investigación se concentraría en determinar un parámetro importante: labarrera de la energía de activación para la desnaturalización de la proteína del huevo.Si es posible determinarla, entonces se puede predecir y comprobar elcomportamiento del huevo durante la ebullición para un rango de temperaturas.

Información de contexto

Este proyecto tiene dos bases teóricas principales: los principios cinéticos y losprocesos de desnaturalización de proteínas, que describiré a continuación.

Parte A: Cinética y la ecuación de Arrhenius

La forma en que afecta la temperatura a la velocidad de una reacción se explica pormedio de la figura 1, que se muestra a continuación1.

EX Se indican claramente las preguntasde investigación y los propósitos estánbien centrados.

CP El alumno describe claramente elproceso completo que lo condujo a sucompromiso en esta investigación.

EX Se explica bien la elección de lainvestigación


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Solo las colisiones con energía mayor que la energía de activación (la energía mínima

que deben sobrepasar para que se produzca una reacción química) producirán una

reacción. Por lo tanto, en el gráfico de arriba, la zona sombreada representa dichas

colisiones.

De acuerdo con la teoría, a medida que aumenta la temperatura, las velocidades de las

moléculas aumentan, y por ello, aumentan la frecuencia de las colisiones entre

moléculas y la proporción de colisiones que causan una reacción. Esto se aprecia en la

figura 1. A la temperatura menor, T1, la fracción de moléculas que reaccionan es

menor que a la temperatura T2 (área sombreada del gráfico). La velocidad de reacción

es proporcional al número de moléculas que tienen mayor energía que la Ea, y

aumenta exponencialmente con la temperatura.

La relación entre la velocidad de reacción y la temperatura se expresa por la ecuación

de Arrhenius que relaciona la constante de velocidad de una reacción, k, con la

temperatura absoluta, T:

k = Ae-(Ea/R.T)

donde k = constante de velocidad, Ea = energía de activación, T = temperatura de

reacción, R = constante de los gases y A = constante de Arrhenius, que es un factor que

se relaciona con la orientación de la colisión; solo las moléculas que chocan con la

orientación correcta y la energía suficiente pueden reaccionar.

Tenga en cuenta que la ecuación de Arrhenius es una función exponencial y solo se

aplica cuando la energía de activación se encuentra dentro de la parte que representa

la descomposición exponencial en el lado derecho de la curva de distribución de

Boltzman de la figura 1.

Parte B: Proteínas y desnaturalización

Las proteínas están formadas por aminoácidos que contienen a menudo entre 50 y

1000 residuos de aminoácidos. Todas las proteínas, independientemente de su

naturaleza (forma, complejidad, etc.) tienen estructuras que se dividen en cuatro

categorías: primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria.

Figura 1

1

:Gráfico de Maxwell-

Boltzman donde T2 > T1.

n ú m e r o d e m o l é c u l a s

energíade activación

energía

EX El alumno proporciona un buen

respaldo para el enfoque elegido.

EX El alumno establece el contextocientífico para la investigación mediante

una discusión sobre su importancia.


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3

La estructura primaria se refiere principalmente a las cadenas de polipéptidos

(subunidades) y a su secuencia de aminoácidos. En la estructura secundaria de las

proteínas existen diferentes tipos de estructuras tridimensionales energéticamenteestables de la cadena de polipéptidos (también denominadas conformaciones). Para

algunas proteínas, su cadena de polipéptidos puede formar plegamientos β-laminares

y otras pueden tener la conformación en espiral -hélice. La estructura terciaria es la

apariencia total tridimensional de la proteína que se mantiene sujeta por medio de

potentes fuerzas intermoleculares (p. ej. enlace de hidrógeno). Así por ejemplo, una

proteína globular como la clara de huevo, es aproximadamente esférica y se pliega

considerablemente, lo que origina una estructura terciaria compacta. Finalmente, la

interacción de varias cadenas de polipéptidos, que sigue un patrón no covalente,

representa la estructura cuaternaria de la proteína.

La desnaturalización ocurre cuando se pierde la actividad biológica de la proteína y se

produce una alteración de la estructura secundaria, terciaria y cuaternaria de la

proteína debido a variaciones de temperatura, pH, fuerza iónica, o debido a la adición

de solventes orgánicos. Por ejemplo, cuando la proteína del huevo se expone al calor,

se espesa y cambia de color. En ese punto, se ha producido la desnaturalización y toda

su estructura se altera, excepto su estructura primaria, y se forma una estructura

tridimensional energéticamente estable. Esta es la barrera energética del proceso de

alteración permanente de la estructura tridimensional de la proteína del huevo en la

que se centra esta investigación.

Metodología

Un procedimiento común (Hill, G & Holman, J (2001))2 para determinar la Ea, es medir

el tiempo de reacción (en este caso el tiempo final de desnaturalización de las

proteínas del huevo determinado como el tiempo en que la película de clara de huevo

contenida entre dos portaobjetos de microscopio se hace opaca) a varias temperaturas

diferentes usando la ecuación de Arrhenius:

k = Ae-(Ea/R.T)

Ink = InA-(Ea/R.T)

y puesto que k es proporcional a 1/Tiempo:

Ink = -In Tiempo + una constante In Tiempo = (Ea/R.T) –InA + una constante

Podemos dibujar un gráfico de In Tiempo en función de 1/Temperatura (en Kelvin) y

calcular la pendiente. Puesto que sabemos la constante de los gases (R=8,3145 JK-1

mol-1

),

podemos determinar la energía de activación.

EX Considera correctamente

conceptos científicos pertinentes.

EX La metodología permite el uso de

conceptos y técnicas adecuadas para el

nivel del Programa del Diploma.

C La metodología podría ser repetida

fácilmente por otros.


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Pendiente = Ea/R Ea = R x Pendiente

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

El centro del trabajo experimental fue medir el tiempo necesario para que la clara de

huevo y la yema se desnaturalizaran en un rango de temperaturas. El desarrollo de un

procedimiento adecuado necesitó bastante más tiempo del previsto originariamente

puesto que resultó difícil determinar experimentalmente cuándo la muestra de huevo

había “hervido” (desnaturalizado). Al final, algunos procedimientos dieron resultados

aceptables; estos procedimientos se describen a continuación. Los experimentos

exitosos finales solo se focalizaron en las claras de huevo.

Pendiente=Ea/R

1/Temp (K -1)

ln Tiempo

EX Se tienen en cuenta las

limitaciones metodológicas

CP El alumno presenta una breve

discusión sobre el desarrollo del método,

incluidos los obstáculos que ha

encontrado durante el proceso. Esto

demuestra iniciativa y aporte de índole

personal.


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El procedimiento fue el siguiente:

1. Se separó la clara de la yema en un pequeño vaso de precipitados y se llenó un

vaso de precipitados de 500ml con agua del grifo y se calentó el vaso con una

llama.

2. Con una jeringuilla, se colocó una gota de clara de huevo en el centro de un

portaobjetos de vidrio previamente pesado, el que se cubrió con otro portaobjetos

de vidrio limpio y pesado. Luego presioné los portaobjetos (con la clara de huevo

entre ellos) y limpié sus bordes. Se pesaron nuevamente.

3. A continuación, se midió el diámetro del círculo formado por la clara de huevo

presionada entre los dos portaobjetos.

4. Luego, se colocaron los portaobjetos en agua a diferentes temperaturas y se

observaron atentamente, mientras el cronómetro corría.

5. Cuando noté la desnaturalización de la clara de huevo, detuve el cronómetro y

coloqué los dos portaobjetos simultáneamente a temperatura ambiente para que

se enfriaran.

6. En cada experimento, se registró el tiempo necesario para que la clara de huevo se

desnaturalizara y a qué temperatura sucedía. EX La metodología permite la obtenciónde datos suficientes y pertinentes.

EX La metodología empleada ha tenido en

cuenta las variables más pertinentes.


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Resultados

Resultados con la clara de huevoDiámetro (+/- 0,1

cm)

Masa de clara de

huevo (+/- 0,005 g)

Temperatura del

agua (+/- 0,5 o)

Tiempo de

desnaturalización

(+/- 0,5 s)

2,5 por 5,0 0,01 25,0 No desnaturalizó

2,5 por 5,0 0,01 30,0 No desnaturalizó

2,5 por 4,5 0,01 35,0 No desnaturalizó. Nisiquiera después de 15

min.


min.

2,5 por 5,0 0,02 45,0 No desnaturalizó. Ni

siquiera después de 5min.


min.


min.


min.

2,5 por 5,0 0,01 62,5 49,9 seg.

2,5 por 5,0 0,01 62,5 49,7 seg.

2,5 por 5,0 0,01 65,0 32,8 seg.

2,5 por 4,5 0,01 67,5 21,0 seg.

2,5 por 5,5 0,01 70,0 15,9 seg.

2,5 por 5,5 0,01 75,0 11,0 seg.

2,5 por 5,0 0,01 80,0 8,0 seg.

2,5 por 5,0 0,01 81,0 7,6 seg.

2,5 por 5,0 0,01 82,5 7,0 seg.

2,5 por 5,0 0,01 84,0 6,4 seg.

2,5 por 5,0 0,01 85,0 6,0 seg.

2,5 por 5,0 0,01 86,0 5,5 seg.

2,5 por 5,5 0,01 87,5 4,9 seg.

2,5 por 5,0 0,01 89,0 4,2 seg.

2,5 por 5,0 0,02 90,0 4,0 seg.

2,5 por 5,0 0,01 91,0 3,8 seg.

2,5 por 5,5 0,02 92,5 3,5 seg.

2,5 por 5,0 0,01 94,0 3,3 seg.

2,5 por 5,5 0,01 95,0 3,0 seg.

2,5 por 5,0 0,01 97,5 2,4 seg.

2,5 por 5,0 0,01 97,5 2,5 seg.

2,5 por 5,0 0,01 100,0 2,1 seg.

2,5 por 5,0 0,01 100,0 2,2 seg.

A Se han obtenido suficientes datos

cuantitativos. Se han registrado las

incertidumbres, aunque las que se

refieren al tiempo no son coherentes con

la precisión citada de los datos.


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ANÁLISIS

Para calcular la energía de activación necesito calcular los valores de ln Tiempo y 1/Temperatura para que se produzca la reacción de desnaturalización

Temperatura (k) Tiempo (s) ln Tiempo 1/ Temp. (k-1)

298,0 ----- -----

303,0 ----- -----

308,0 ----- -----

313,0 ----- -----

318,0----- -----

323,0 ----- -----

328,0 ----- -----

333,0 ----- -----

335,5 49,7 3,906 2,981x10-3

338,0 32,8 3,490 2,959x10-3

340,5 21,0 3,045 2,937x10-3

343,0 15,9 2,766 2,915x10-3

348,0 11,0 2,398 2,874x10-3

353,0 8,0 2,079 2,833x10-3

354,0 7,6 2,028 2,825x10

-3

355,5 7,0 1,946 2,813x10

-3

357,0 6,4 1,856 2,801x10-3

358,0 6,0 1,792 2,793x10-3

359,0 5,5 1,705 2,786x10-3

360,5 4,9 1,580 2,774x10-3

362,0 4,2 1,435 2,762x10-3

363,0 4,0 1,386 2,755x10-3

364,0 3,8 1,335 2,747x10-3

365,5 3,5 1,253 2,736x10-3

367,0 3,3 1,194 2,725x10-3

368,0 3,0 1,099 2,717x10-3

370,5 2,5 0,916 2,699x10-3

373,0 2,2 0,788 2,681x10-3

C El procesamiento es fácil de

comprender.

C Las tablas no presentan

ambigüedades.

C En esta tabla se observa la apreciación

de los decimales.


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Gráfico 1. Gráfico de ln Tiempo en función de 1/Temperatura

Cálculo para determinar la energía de activación, Ea.

Pendiente de la ecuación lineal obtenida con Excel = 9,6164 × 103 = 9616

Pendiente = Ea/R por lo tanto Ea= 9616x 8,314

Ea= 79974 J mol-1

Ea = 80kJ mol-1

No figuran los dos puntos correspondientes a los datos de las temperaturas más bajas

a 335,5 K y 338,8 K para poder lograr un mejor ajuste con una relación lineal. Los he

descartado como anómalos en el gráfico de abajo y recalculado la Ea.

Gráfico 2. Gráfico de ln Tiempo en función de 1/Temperatura con los puntos de datos

descartados

l n T i e m p o

l n T i e

m p o

C Los gráficos no presentan

ambigüedades.

EV El alumno tiene en cuenta la fiabilidad.

A El procesamiento tiene en cuenta las

anomalías.


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Pendiente de la ecuación lineal obtenida con Excel = 8,6521 × 103 = 8652

Pendiente = Ea/R por lo tanto Ea= 8652x 8,314

Ea= 71932,73 J mol

-1

Ea = 72kJ mol-1

Si se recortan los datos hasta un valor máximo de 1/Temp de 2,766 x 10 -3 que

representa a los datos más próximos entre sí, el gráfico se transforma en:

Gráfico 3. Gráfico de ln Tiempo en función de 1/Temperatura con más puntos de datos descartados

Y Ea= 8753x 8,314

Ea= 72772,44 J mol-1

Ea = 73kJ mol-1

Los resultados de Es calculados están tabulados abajo junto con el valor de la

correlación R2 que indica en qué medida la línea se ajusta a los gráficos (el valor 1

indica ajuste perfecto)

Gráfico 1 Gráfico 2 Gráfico 3

Ea (kJ mol-1) 80 72 73

R2 0,9838 0,9975 0,996

El mejor valor corresponde al gráfico 2, y el valor del gráfico 3 da cierta idea de la

cantidad de incertidumbre que se desprende de los gráficos.

l n T i e m p o

A El procesamiento correctamente utiliza

conceptos químicos y análisis gráfico

para determinar la Ea.

A El alumno demuestra buena

comprensión del análisis gráfico.

EV Las pruebas respaldan el hecho de

que el alumno ha considerado el efecto

de las incertidumbres sobre los

resultados (línea de mejor ajuste).

C Uso correcto de las cifras significativas.

A El procesamiento implica líneas de

mejor ajuste construidas correctamente

y utiliza R2 para evaluar las

incertidumbres.

EV Prueba de que el alumno comprende

el efecto de las incertidumbres sobre los

resultados.

A El procesamiento presenta una

comparación válida que considera

debidamente las incertidumbres y

muestra un buen manejo del análisis

gráfico.


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Mi valor experimental final para la Ea de la desnaturalización de la

proteína de huevo fue = 72 ± 1 kJ mol-1

.

Conclusión y evaluación

Los objetivos iniciales de la investigación se han logrado. Se ha visto que la

desnaturalización de la proteína no se ha producido a 60ºC ni por debajo de dichovalor. Por encima de esta temperatura la velocidad de desnaturalización de la proteína

aumenta rápidamente con la temperatura.

Fui capaz de calcular una Energía de Activación para la energía de activación de la

desnaturalización de la proteína del huevo, el valor es:

Ea = 72 ± 1 kJ mol-1

No pude hallar un valor publicado para la Ea de la proteína del huevo (albúmina). Un

artículo3 estudia el efecto a pH ácidos (que cambiará la Ea porque el pH ácido también

desnaturaliza las proteínas). Este indica los valores de 36,7 y 50,0 kcal./mol que

corresponden a 150-200 kJ mol-1.

Mi valor es casi la mitad o una tercera parte del valor publicado. Cuando reflexiono

sobre la sencillez del método me impresiona que esta investigación haya llegado a un

valor de tamaño tan razonable.

También es significativo que la ecuación de Arrhenius parece apropiada para la

determinación de la desnaturalización de la proteína del huevo siempre y cuando el

rango de temperaturas de las mediciones se mantenga dentro de unos límites

específicamente definidos. Esto se debe a que la ecuación de Arrhenius se aplica

estrictamente solo a reacciones de gases ideales aunque se ha utilizado ampliamente

en el estudio de reacciones de líquidos y soluciones en los que la teoría de las

colisiones aún resulta válida y solamente es la constante A de Arrhenius es la que se ve

afectada por el cambio de estado.

Sin embargo la reacción de desnaturalización de proteínas no es una reacción de

colisión (depende de la rotación de las cadenas de proteínas y tanto de la ruptura

como de la nueva formación de las fuerzas intermoleculares) y por ello la base teórica

de la ecuación obviamente no se sostiene. No existe ninguna razón clara de por qué el

gráfico de ln (Tiempo) v 1/Temperatura deba ser tan rotundamente lineal.

Posiblemente el descubrimiento más interesante de esta investigación sea que larelación de la ecuación de Arrhenius aún parece ser apropiada.

A Se consideran las incertidumbres en

el valor final.

C El informe ha sido fácil de

comprender, es conciso y presenta una

secuencia lógica.

C Usa correctamente la terminología

específica de la asignatura a lo largo del

todo el informe.

C En el informe se utiliza notación

específica de la asignatura.

A Se realiza una comparación con

publicaciones científicas.

EV No hay sugerencias claras de

ampliaciones factibles para esta

investigación.

EV No hay sugerencias claras de

alternativas pertinentes y factibles

para mejorar la metodología.

EV Las reflexiones demuestran una

comprensión clara de las implicaciones de

la conclusión.

EV El alumno considera las

limitaciones de la metodología.


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Referencias

1. http://www.webchem.net/notes/how_far/kinetics/rate_factors.htm, último

acceso: 3 de marzo de 2012

2. Hill, G & Holman, J (2001). Chemistry in Context: Laboratory Manual and Study Guide, (5.

ta ed.) , p. 54-55, Surrey, Nelson

3. Investigations on proteins and polymers. VII. The denaturation of egg albumin,

Robert J. Gibbs, M. Bier, F.F. Nord, Archives of Biochemistry and Biophysics,

Volumen 35, Número 1, enero de 1952, p. 216 –228, último acceso: 4 de marzo

de 2012

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0003986152800670

Bibliografía adicional

Chemistry for the IB Diploma, G. Neuss, Oxford University Press 2007

4. http://chemistry.about.com/od/biochemistry/a/proteinstructur.htm, último

acceso: 26 de febrero de 2012

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