Aplicación de gases ideales en sistemas biológicos

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA
LA MOLINA

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FACULTAD DE CIENCIAS

DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE QUÍMICA

Informe N°1 - Laboratorio de Fisicoquímica I

Título: Aplicación de gases ideales en sistemas biológicos

Integrantes:

Aguirre Bottger Cosette - 20160090

Maynetto Vilches Brenda - 20150108

Rodríguez Zevallos Daniel - 20160114

Sullca Pinares Diego - 20130103

Profesora: M. Sc. Elsa Huamán Paredes

LA MOLINA – LIMA – PERÚ

2018

OBJETIVOS:

• Aplicar la ley de los gases en la manometría a volumen constante.
• Determinar el volumen de un gas generado por un sistema biológico a temperatura constante.
• Calcular la constante de Warburg (K) para el manómetro.

MARCO TEÓRICO:

Los gases y los sistemas biológicos se encuentran estrechamente relacionados. Muchos de estos, como el oxígeno (O2), dióxido de carbono (CO2), nitrógeno (N2) e hidrógeno (H2) son tanto sustratos o productos de muchos organismos. Por esto mismo, es muy importante estudiar y comprender cómo interactúan los gases durante los procesos metabólicos y las características que tienen en el medio.

Es muy común la medición de volúmenes de gas a varias temperaturas y presiones durante procesos biológicos con el fin de entender el papel y cómo influye, por ejemplo, durante diferentes procesos industriales como fermentaciones microbianas. A través de métodos manométricos, es posible estudiar a pequeña escala tanto la producción como el consumo de gases de estos sistemas biológicos.

El manómetro es un aparato que se utiliza para medir la presión de una muestra de un gas. Consiste en un tubo con forma de U que contiene mercurio (Hg). Un brazo del tubo en U se encuentra abierto a la atmósfera. Aquí, la presión atmosférica se ejerce sobre el mercurio. Por otro lado, el otro brazo se encuentra conectado a un recipiente con gas de manera que este último ejerce presión sobre el mercurio de este brazo. Si la muestra de gas está bajo una presión que la presión atmosférica, el mercurio se encontraría al mismo nivel en ambos brazos.

El sistema biológico es depositado en el recipiente. Este será el que se encargue de producir o consumir el gas, generando cambio de presiones a través del tiempo. Para la medición del consumo o producción de gas por un sistema biológico se pueden utilizar dos métodos manométricos:

-          Presión constante: mide el cambio de volumen de un gas a presión y temperatura constantes. Bajo este principio operan el manómetro de Haldne-Barcroft , así como el aparato volumétrico de Van Slyke.

-         Volumen constante: mide un cambio en la presión de un gas a volumen y temperatura constantes. Aquí son utilizados el manómetro de Warburg, Van Slyke y Neil.

El manómetro de Warburg permite medir la producción de gas generado por la fermentación del microorganismo utilizado, considerando que la distancia “h”, que es aquella que recorre el menisco en un brazo del tubo, es directamente proporcional al volumen “V” del gas producido a temperatura y presión estándar. Esta proporción se encuentra regida por la siguiente ecuación:

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La constante del manómetro K es un valor que debe ser determinado para cada sistema. Se halla a través de la siguiente ecuación:

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Donde:

Vg: volumen del espacio gaseoso disponible

T: temperatura experimental (K)

Vf: volumen del fluido en el recipiente manométrico en mm3

: coeficiente de absorción del gas.[pic 4]

P0: presión atmosférica normal expresada en mm de fluido manométrico, este fluido está habitualmente constituido de forma tal que: P0 = 10 000 mm de fluido manométrico. (Canales Martínez, Hernández Delgado, Meraz Martínez, & Peñalosa Castro, 1999)

El género que se utilizó durante la práctica fue Saccharomyces spp., siendo Saccharomyces cerevisiae la especie más estudiada, una levadura muy utilizada durante diferentes procesos industriales, como en la panadería o en la industria cervecera. Estas son anaerobias facultativas, es decir, son capaces tanto de un metabolismo totalmente aeróbico como de un metabolismo anaerobio, del cual se produce CO2 durante la fermentación. (Madigan, Martinko, Dunlap, & Clark, 2009)

DISCUSIONES:

La gráfica obtenida de la relación entre el volumen de CO2 producido por Saccharomyces cerevisiae en intervalos de tiempo de 4 min fue muy similar a las curvas de crecimiento de este microorganismo. En efecto, se puede observar que al cabo de cierto tiempo la producción de CO2, medida en su volumen, pasa de ser creciente a mantenerse constante para luego empezar a decaer. Lo cual es un fenómeno similar al que sucede cuando se evalúa la biomasa de la levadura en función al tiempo donde se puede observar un patrón de crecimiento determinado que incluye una fase exponencial, de latencia y decaimiento (Herkowitz, 1988).

Existen muchos factores importantes que pudieron haber influido en que la tasa de producción de CO2 se vea disminuida. Entre estos está el propio crecimiento de la levadura, que como se mencionó, tiene relación directa con la producción de CO2. Es de relevancia señalar que esta disminución en el CO2 también pudo causarse por el agotamiento del sustrato en el medio a medida que la fermentación se desarrollaba. Así, a un mayor tiempo de fermentación, mayor sería el sustrato consumido hasta el punto en el que este llegase a ser un factor limitante y el microorganismo ya no sea capaz de usarlo debido a su falta.

Por otro lado, autores como (Rodney, 1982), destacan el hecho de que las altas cantidades de CO2 en el medio pueden afectar el crecimiento de Saccharomyces cerevisiae dando lugar a una menor fermentación y un menor volumen de CO2. El hecho de que las altas cantidades de CO2 afectan el crecimiento de la levadura está ligado a que el CO2 en el medio acuoso donde se realizó el ensayo puede formar ácido carbónico (HCO3-), este nuevo compuesto disminuye el pH y, al igual que otros factores que influyen en el crecimiento de un microorganismo como la temperatura y nutrientes (Moral, 2017), esta variación en la acidez resultaría adversa para la levadura en cuestión. Además del efecto del CO2 en el pH del medio extracelular, un factor aún más drástico a tener en cuenta es que la membrana plasmática de Saccharomyces cerevisiae es altamente permeable al CO2 del medio (Hunter, 1977). De esta forma, al existir mayor CO2 en el medio este tenderá a difundirse dentro de la levadura e interaccionar con enzimas claves en el metabolismo fermentativo.

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