Explora las enzimas y la ciencia de la intolerancia a la lactosa con comprimidos de lactasa Teach article

Author(s): Hanne Rautenstrauch, Klaus Ruppersberg, Stefan Thomsen
Translator(s): Karen Sailer

Los comprimidos de lactasa para tratar la intolerancia a la lactosa pueden utilizarse en el aula para explorar la bioquímica de los azúcares y las propiedades de las enzimas.

Un montón de comprimidos blancos al fondo con la estructura de la E.coli en verde y azul delante.
La estructura de la enzima lactasa de E.
coli
La estructure de PDB: 1JYN, renderizada utilizando el visor Mol*.

La intolerancia a la lactosa es un fenómeno frecuente,[1] basado en la ausencia o producción insuficiente de la enzima digestiva β-galactosidasa (lactasa)[2]. Las personas afectadas son incapaces de descomponer el disacárido lactosa (figura 1, arriba) en sus subunidades de monosacáridos, glucosa (Glc) y galactosa, y pueden sufrir diarrea y flatulencia[3] tras ingerir alimentos que contienen lactosa. Como respuesta, ha surgido un mercado creciente de alimentos sin lactosa. Las personas afectadas pueden optar también por tomar lactasa en forma de comprimidos para ayudarles a digerir los alimentos que contienen lactosa. En las alternativas lácteas, como la leche de avena, se encuentra la maltosa (figura 1, abajo). Las diferencias estructurales menores entre la lactosa y la maltosa son la posición espacial de un único grupo hidroxilo y el tipo de enlace glucosídico entre las unidades de monosacáridos (figura 1, resaltado en rojo).

Figura 1: Estructuras moleculares de los disacáridos lactosa (arriba) y maltosa (abajo), mostradas en forma de silla. Las unidades respectivas de monosacáridos (galactosa, Gal; glucosa, Glc), los números de átomos de carbono y los tipos de enlace glucosídico se indican en gris; las diferencias estructurales se resaltan en rojo; y los enlaces ondulados indican capacidad reductora o de apertura de anillos.
Imagen cortesía del autor

Aquí presentamos actividades que abordan los temas curriculares de la enzimología y los azúcares utilizando métodos científicos que son adecuados para alumnos de 14 a 18 años. Los alumnos investigan la actividad de los comprimidos de lactosa en dos azúcares estrecha y estructuralmente relacionados, la lactosa y la maltosa, tanto disueltos como en leche entera y leche de avena. Estos experimentos demuestran que la enzima lactasa es específica del sustrato lactosa, mientras que la maltosa no puede descomponerse. Otros experimentos abordan por qué las personas intolerantes a la lactasa no deben tomar comprimidos de lactasa con el estómago vacío, revelando así la dependencia del pH de las enzimas. Además, los alumnos pueden investigar el efecto de la temperatura sobre las enzimas y por qué estos medicamentos deben protegerse del calor, de ese modo, explorarán el impacto de las enzimas, o la falta de ellas, en la vida cotidiana.

La prueba de Fearon[4] se utiliza para detectar azúcares durante todos los experimentos, ya que permite una diferenciación fácil, segura y vívida de los azúcares[5].

Preparación de todas las actividades

  1. Preparar el reactivo de Fearon disolviendo 0,5 g de cloruro de metilamonio y 2 g de hidróxido de sodio en 100 ml de agua. La solución puede almacenarse en un frasco de vidrio ámbar y tiene una caducidad aproximada de un año. Si se forman partículas en suspensión, la solución debe desecharse. La etiqueta de la botella debe incluir el pictograma GHS05 (metal corrosivo) y la advertencia de peligro[6].
  2. Soluciones azucaradas y líquidos: la leche entera y la leche de avena pueden adquirirse en los supermercados. Las cantidades de soluciones azucaradas deben prepararse de antemano de cuerdo al número previsto de alumnos; deben preverse cantidades iguales para cada grupo.
  3. Preparar los baños de agua precalentando recipientes de tamaño conveniente a 65°C.

Actividad 1: Detección de diferentes azúcares mediante el reactivo de Fearon

En esta actividad preparatoria, los alumnos se inician en la detección de azúcares utilizando el reactivo de Fearon en diversas soluciones azucaradas, así como en leche entera y leche de avena.

La reducción de disacáridos ligados a 1,4, como la maltosa, la lactosa y la celobiosa, puede detectarse con el reactivo de Fearon mediante la formación de un colorante rojo brillante. Por el contrario, los monosacáridos, como la glucosa, producirán un tinte amarillo, mientras que los disacáridos β-1,2-ligados, como la sacarosa, no provocarán un cambio de color. El mecanismo de formación del colorante con el reactivo de Fearon no está totalmente explicado, hasta la fecha; sin embargo, existen hipótesis bien fundadas apoyadas por un creciente cuerpo de pruebas empíricas[7].

Esta actividad dura unos 15 minutos.

Notas de seguridad

  • La leche entera y la leche de avena utilizadas en experimentos ya no son aptas para el consumo.
  • Peligro de quemaduras al utilizar un baño de agua (65°C).
  • Debe utilizarse protección ocular cuando se utilice el reactivo de Fearon fuertemente alcalino.
  • En general, debe evitarse el contacto de los productos químicos con la piel y los ojos. En caso de contacto, las zonas afectadas deben cuidadosamente enjuagarse con agua.

Materiales

Equipamiento por grupo:

  • 6 tubos de ensayo
  • 1 soporte para tubos de ensayo
  • 1 vaso de precipitados grande (por ejemplo, 600 ml) que sirva para baño de agua
  • 1 termómetro (hasta 100°C)
  • 1 placa calefactora, si es necesario
  • 7 pipetas cuentagotas
  • Lápiz resistente al agua
  • Alícuotas de soluciones
  • Ficha 1

Productos químicos:

  • Solución de lactosa (1% p/p)
  • Solución de maltosa (1% p/p)
  • Solución de glucosa (1% p/p)
  • Solución de sacarosa (1% p/p)
  • Leche de avena
  • Leche entera
  • Reactivo de Fearon

Procedimiento

  1. Rotule los tubos de ensayo con los números del 1 al 6, o con abreviaturas de tres letras para los azúcares (Lac, Mal, Glc, Suc) y «entera» o «avena» para los productos lácteos (figura 2, arriba), utilizando un lápiz resistente al agua. A continuación, añade las siguientes soluciones utilizando pipetas cuentagotas: 1) solución de lactosa, 2) solución de maltosa, 3) solución de glucosa, 4) solución de sacarosa, 5) leche entera y 6) leche de avena.
  2. Añadir 1 mL de reactivo de Fearon a cada tubo de ensayo con una pipeta cuentagotas y agitar muy bien para mezclar.
  3. Colocar 6x tubos de ensayo en un baño de agua precalentado a 65°C (figura 2, derecha).
  4. Incubar las soluciones durante aproximadamente 5 minutos.
  5. Observa y documenta los resultados.

Resultados

Observaciones:

Los tubos de ensayo 1 (Lac), 2 (Mal), 5 (entero) y 6 (avena) son de color rojo.

El tubo de ensayo 3 (Glc) es de color amarillo.

El tubo de ensayo 4 no parece cambiar de color.

Serie de imágenes que muestran lactosa, maltosa, glucosa, sacarosa y leche entera y de avena en soluciones más el reactivo de Fearon tras incubación a 65°C. Los resultados de la prueba muestran los diferentes colores que tienen los monosacáridos (blanco y amarillo) y los disacáridos (tonos rosados).
Figura 2: Cómo diferenciar los disacáridos, como la lactosa y la maltosa, de los monosacáridos, como la glucosa y la sacarosa
Imagen cortesía del autor

Interpretación: Los resultados experimentales muestran que los disacáridos 1,4-ligados (lactosa, maltosa) pueden detectarse utilizando el reactivo de Fearon mediante un color rojo. Uno o ambos de estos azúcares están presentes tanto en la leche entera como en la de avena. Además, la glucosa (y otros monosacáridos reductores) puede detectarse en solución mediante la formación de un colorante amarillo.

Actividad 2: Investigación de la actividad de la lactasa en diferentes azúcares, leche entera y leche de avena.

La prueba de Fearon se utiliza como herramienta para investigar la actividad y la especificidad de sustrato de la enzima lactasa, que las personas intolerantes a la lactosa toman en forma de comprimidos como complemento alimenticio. En concreto, en esta actividad exploramos los efectos de la lactasa sobre dos azúcares estructuralmente relacionados, la lactosa y la maltosa (figura 1), así como sobre la leche entera y la leche de avena.

Esta actividad dura unos 20 minutos.

Notas de seguridad

  • Las pastillas de lactasa, la leche entera y la leche de avena utilizadas en experimentos ya no son aptas para el consumo.
  • Peligro de quemaduras al utilizar un baño de agua (65°C).
  • Debe utilizarse protección ocular cuando se utilice el reactivo de Fearon fuertemente alcalino.
  • En general, debe evitarse el contacto de los productos químicos con la piel y los ojos. En caso de contacto, las zonas afectadas deben enjuagarse cuidadosamente con agua.

Materiales

Equipamiento por grupo:

  • 4 tubos de ensayo
  • 1 soporte para tubos de ensayo
  • 2 vasos de precipitados grandes (por ejemplo, de 600 ml) que sirvan como baños de agua
  • 2 termómetros (hasta 100°C)
  • 1 placa calefactora, si es necesario
  • 5 pipetas cuentagotas
  • Lápiz resistente al agua
  • 1 cronómetro
  • 1 mortero
  • 1 vaso pequeño
  • Alícuotas de productos químicos líquidos
  • Ficha 2

Productos químicos:

  • Solución de lactosa (4% p/p)
  • Solución de maltosa (4% p/p)
  • Leche de avena
  • Leche entera
  • Reactivo de Fearon (ver actividad complementaria)
  • Comprimidos exprés de lactasa (12 000 FCC ALU (Códice Químico de Alimentos[1]), eficaces desde el primer minuto)

Nota: Es importante utilizar agua del grifo y no agua destilada para preparar soluciones enzimáticas, ya que contiene determinadas especies iónicas, por ejemplo, calcio, que puede actuar como cofactor enzimático.

Procedimiento

  1. Lee la introducción a la lactasa en la ficha del alumno.
  2. Rotula los tubos de ensayo con los números del 1 al 4, o con abreviaturas de tres letras para los azúcares (Lac, Mal) y con leche entera o de avena para los productos lácteos (figura 3, arriba), utilizando un lápiz resistente al agua. A continuación, añadir 1 ml de las siguientes soluciones utilizando pipetas cuentagotas: 1) solución de lactosa, 2) solución de maltosa, 3) leche entera y 4) leche de avena.
  3. Utilizando un mortero, pulveriza una pastilla de lactasa exprés y transfiérala a un vaso de precipitados pequeño.
  4. Añade 10 mL de agua del grifo con una pipeta cuentagotas y mezcla para disolver la pastilla de lactasa pulverizada.
  5. Añade 1 mL de solución de lactasa del vaso pequeño a cada uno de los tubos de ensayo utilizando una pipeta cuentagotas y agita suavemente para mezclar.
  6. Coloca los tubos de ensayo en un baño de agua precalentado (38°C) durante 5 minutos, simulando la temperatura del cuerpo humano.
  7. Añade 1 mL de reactivo de Fearon a cada tubo de ensayo con una pipeta cuentagotas y agita a fondo para mezclar.
  8. Coloca los tubos de ensayo en un baño de agua precalentado a 65°C.
  9. Incuba las soluciones durante aproximadamente 5 minutos.
  10. Observa y documenta los resultados, por ejemplo, en la hoja de trabajo de la actividad complementaria.

Observaciones: Tras la adición del reactivo de Fearon, aparece un color amarillo en los tubos de ensayo 1 (Lac) y 3 (leche entera) durante la incubación en el baño de agua, mientras que en los tubos de ensayo 2 (Mal) y 4 (leche de avena; figura 3, comparar las imágenes superior e inferior) se forma un colorante rojo.

Figura 3: Uso de la prueba Fearon para detectar la actividad de la pastilla de lactasa en soluciones azucaradas y alimentos líquidos
Imagen cortesía del autor

Interpretación: La ausencia de colorante rojo en los tubos de ensayo 1 (lactosa) y 3 (leche entera) indica la desaparición de los disacáridos 1,4-ligados de estos líquidos, mientras que la aparición de un colorante amarillo señala la presencia de glucosa, producto conocido de la descomposición de la lactosa (figura 1, arriba). Estos resultados demuestran que la lactasa descompone con éxito el azúcar de la leche (lactosa) en glucosa y galactosa.

En cambio, en los tubos de ensayo 2 (maltosa) y 4 (leche de avena) se sigue formando un colorante rojo tras el tratamiento con lactasa. Esto indica que la maltosa no puede ser digerida por la lactasa, demostrando así la especificidad del sustrato de esta enzima y que la leche de avena contiene maltosa, o un disacárido diferente de 1,4 enlaces, que no puede ser digerido por la lactasa.

 

Actividad 3: ¿Por qué los comprimidos de lactasa no deben tomarse con el estómago vacío?

Las instrucciones que figuran en los envases de los comprimidos de lactasa suelen advertir del peligro de tomarlos con el estómago vacío. En esta actividad, escrutamos experimentalmente este descargo de responsabilidad. La lactasa ingerida en forma de comprimidos tiene que pasar por el estómago humano, un medio ácido que contiene ácido clorhídrico en diferentes concentraciones, según el nivel de llenado. Por lo tanto, simulamos la exposición de la lactasa al «ácido gástrico» en un estómago vacío mediante la preincubación en ácido clorhídrico y evaluamos su rendimiento digestivo tras este tratamiento.

Esta actividad dura unos 25 minutos.

Notas de seguridad

  • La leche entera y la leche de avena utilizadas en experimentos ya no son aptas para el consumo.
  • Peligro de quemaduras al utilizar un baño de agua (65°C).
  • Debe utilizarse protección ocular cuando se utilice el reactivo de Fearon fuertemente alcalino.
  • En general, debe evitarse el contacto de los productos químicos con la piel y los ojos. En caso de contacto, las zonas afectadas deben enjuagarse cuidadosamente con agua.

Materiales

Equipamiento por grupo:

  • 4 tubos de ensayo
  • 1 soporte para tubos de ensayo
  • 2 vasos de precipitados grandes (por ejemplo, de 600 ml) que sirvan como baños de agua
  • 2 termómetros (hasta 100° C)
  • 1 placa calefactora, si es necesario
  • 6 pipetas cuentagotas
  • Lápiz resistente al agua
  • 1 cronómetro
  • 1 mortero
  • 2 vasos pequeños
  • Alícuotas de productos químicos líquidos
  • Ficha 3

Productos químicos:

  • Solución de lactosa (1% p/p)
  • Solución de maltosa (1% p/p)
  • Leche de avena
  • Leche entera
  • Reactivo de Fearon
  • Comprimidos exprés de lactasa (12 000 FCC ALU (Códice Químico de Alimentos[1]), eficaces desde el primer minuto)
  • Ácido clorhídrico (c=0,1 mol l−1)

Procedimiento

  1. Rotula los tubos de ensayo con los números del 1 al 4, o con abreviaturas de tres letras para los azúcares (Lac, Mal) y entera o avena para los productos lácteos (figura 4, arriba), utilizando un lápiz resistente al agua. Añade 1 ml de las siguientes soluciones utilizando pipetas cuentagotas: 1) solución de lactosa, 2) solución de maltosa, 3), leche entera y 4) leche de avena.
  2. Utilizando un mortero, pulveriza una pastilla de lactasa exprés y pásala a un vaso de precipitados pequeño.
  3. Añade 10 ml de solución 0,1 M de ácido clorhídrico a cada tubo e incuba las soluciones durante 3 minutos. Esta concentración de ácido clorhídrico corresponde a la acidez de un estómago vacío.
  4. Añade 1 mL de solución de lactasa tratada con ácido del vaso pequeño a cada uno de los tubos de ensayo utilizando una pipeta cuentagotas y agita suavemente para mezclar.
  5. Coloca los tubos de ensayo en un baño de agua precalentado (38°C) durante 5 minutos, simulando la temperatura del cuerpo humano.
  6. Añade 1 mL de reactivo de Fearon a cada tubo de ensayo con una pipeta cuentagotas y agita muy bien para mezclar.
  7. Coloca los tubos de ensayo en un baño de agua precalentado a 65°C.
  8. Incuba las soluciones durante aproximadamente 5 minutos.
  9. Observa y documenta los resultados.

Notas

  • La estructura molecular del colorante rojo, que se forma con el reactivo de Fearon, varía en función del valor del pH. De ahí que la tonalidad roja observada en este experimento pueda diferir de la obtenida en experimentos anteriores realizados en entornos más alcalinos (actividad complementaria y actividad 1).
  • Los ensayos en los tubos 2 (Mal) y 4 (leche de avena) sirven como controles negativos, ya que experimentos anteriores (Actividad 1) demostraron la incapacidad de la lactasa para digerir los disacáridos presentes en estas muestras.

Observación: Al contrario que en un experimento anterior (Actividad 2) sin preincubación con ácido clorhídrico, se observa la formación de un colorante rojo en los cuatro ensayos (figura 4). Estos resultados son idénticos a los obtenidos en las pruebas Fearon con lactosa, maltosa, leche entera y leche de avena sin digestión previa de la lactasa (figura 2, abajo).

A group of four test tubes filled with lactose, maltose, whole milk and oat milk solutions, plus lactase and gastric acid and Fearon's reagent.
Figura 4: El ácido, como el que se encuentra en el estómago, inactiva la lactasa
Imagen cortesía del autor

Interpretación: La actividad enzimática depende en gran medida del valor del pH ambiental. Al disolver la tableta de lactasa en ácido clorhídrico 0,1 M, simulamos la ingestión de tabletas de lactasa con el estómago vacío. La persistencia de la formación de colorante rojo utilizando el reactivo de Fearon y la ausencia de formación de colorante amarillo –  que indica la formación de glucosa como resultado de la descomposición de la lactosa (como se observó durante un experimento anterior sin pretratamiento ácido; figura 3) –  demuestran la pérdida de actividad de la lactasa en condiciones de pH bajo como las de un estómago humano vacío. Esto puede explicarse por los cambios en la estructura tridimensional de la enzima debidos a la desnaturalización ácida.

Actividad complementaria opcional

Las instrucciones del envase de los comprimidos de lactasa también suelen advertir contra la exposición de los medicamentos al calor, por ejemplo, tomándolos con bebidas calientes. Como actividad complementaria opcional, puedes explorar la influencia del calor en la actividad enzimática. Los detalles figuran en el material de apoyo.

References

[1] Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA, por sus siglas en inglés) (2009) Scientific opinion on the substantiation of health claims related to lactase enzyme and breaking down lactose (ID 1697, 1818) pursuant to Article 13(1) of Regulation (EC) No 1924/20061. EFSA Journal 7: 1236–1249. doi: 10.2903/j.efsa.2009.1236

[2] Swallow DM (2003) Genetics of lactase persistence and lactose intolerance. Annual Review of Genetics 37: 197–219. doi: 10.1146/annurev.genet.37.110801.143820

[3] Ingram CJE et al. (2009) Lactose digestion and the evolutionary genetics of lactase persistence. Human genetics 124: 579–591. doi:10.1007/s00439-008-0593-6

[4] Fearon WR (1942) The detection of lactose and maltose by means of methylamine. The Analyst 67: 130–132. doi: 10.1039/an9426700130

[5] Ruppersberg K et al. (2020) How to visualize the different lactose content of dairy products by Fearon’s test and Woehlk test in classroom experiments and a new approach to the mechanisms and formulae of the mysterious red dyes. Chemistry Teacher International 2: 1–11. doi: 10.1515/cti-2019-0008

[6] Ruppersberg K, Rautenstrauch H (2023) Zucker unterscheiden: Herstellung und Anwendung von Fearon’s Reagenz. Unterricht Chemie 193: 49–50.

[7] Ruppersberg KM, Kussler M (2023) Über die rote Farbe bei Zuckernachweisen. Nachrichten aus der Chemie 71: 68–73. doi: 10.1002/nadc.20234133798

Resources

 

Author(s)

La Dra. Hanne Rautenstrauch es científica del Instituto de Educación de Química de la Universidad Europa de Flensburg.

El Dr. Klaus Ruppersberg es científico invitado en el Instituto de Educación de Química de la Universidad Europa de Flensburg.

El Dr. Stefan Thomsen enseña Biología y Química en un instituto bávaro y es profesor adjunto en el Instituto de Educación Química de la Universidad Ludwig-Maximilian (LMU) de Múnich.

Review

The article exhibits a high degree of rigor, both in its experimental design and in the presentation of results. The methodology appears sound, and the data analysis is robust. This activity can serve as an excellent illustration of the crucial role of chemistry in understanding biological phenomena. By showcasing how a sound understanding of chemistry is integral to the study of biology, it reinforces the importance of a strong foundation in mathematics, physics, and chemistry for students pursuing careers or further studies in the life sciences.

Antonio Pedro Fonseca

Science Teacher/Microbiology Professor (invited)

License

CC-BY

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