Tradotto da Monica Mauri.
Fred Engelbrecht e Thomas Wendt dell’ExploHeidelberg Teaching Lab descrivono alcuni esperimenti per il dosaggio dello zucchero al fine di far conoscere i problemi che i diabetici affrontano ogni giorno.
Il monosaccaride glucosio è la più importante fonte di energia negli organismi viventi eucarioti e viene utilizzato dalle cellule nella respirazione aerobica o anaerobica. Esso funge anche da precursore nella produzione delle proteine e nel metabolismo dei lipidi. Quindi, esso è una molecola centrale in alcune vie metaboliche, e la sua concentrazione ematica (glicemia) deve essere rigidamente regolata dall’insulina e dal glucagone.
Il Diabete mellito (o semplicemente diabete) è una sindrome caratterizzata da un alterato metabolismo del glucosio e da eccessivi livelli ematici di zucchero (iperglicemia). Questo è dovuto o a bassi livelli dell’ormone insulina, o ad un’abnorme resistenza all’effetto dell’insulina associata a livelli di secrezione di insulina che sono troppo bassi per poter compensare questa resistenza.
Ci sono due forme principali di diabete: il Tipo 1 ed il Tipo 2. Sebbene abbiano cause diverse, i pazienti di entrambe le forme sono incapaci di produrre, nelle cellule beta del pancreas, quantità di insulina sufficienti ad evitare l’iperglicemia.
Il diabete di Tipo 1 comprende il 10% di tutti i casi di diabete in Europa, ed è caratterizzato dalla perdita di cellule pancreatiche beta, di solito a causa di una distruzione autoimmune. Poiché il Diabete di Tipo 1 spesso affligge pazienti di giovane età, esso viene anche chiamato diabete giovanile. È la forma più grave della malattia, in quanto non esiste una cura. Piuttosto, i pazienti devono adattare il loro stile di vita, per esempio migliorando la loro dieta, facendo esercizio fisico regolare e monitorando i loro livelli di zucchero nel sangue. In aggiunta, per evitare il coma o la morte, sono necessarie iniezioni sottocutanee o continue perfusioni di insulina, mediante una pompa, nel sistema di circolazione sanguigna.
Il diabete di Tipo 2 è dovuto alla resistenza all’insulina o ad una ridotta sensibilità all’insulina nei tessuti bersaglio, combinate con un’insufficiente secrezione di insulina. La diminuita risposta dei tessuti dell’organismo all’insulina quasi certamente coinvolge i recettori dell’insulina nelle membrane cellulari. Questo fa sì che il corpo necessiti di quantitativi di insulina abnormemente elevati per mantenere dei normali livelli ematici di zucchero, ed il diabete si sviluppa quando le cellule beta non possono soddisfare questa richiesta. Il diabete di tipo 2, comunemente noto come diabete dell’età adulta, di solito compare dopo i 30 anni di età. Nella maggior parte dei casi, esso è correlato all’obesità e ad un insufficiente esercizio fisico; adottare uno stile di vita più salutare può migliorare le condizioni o, in alcuni casi, persino portare alla guarigione. Vedere Dugi (2006) per maggiori dettagli sul diabete.
Le persone affette da entrambi i tipi di diabete hanno bisogno di imparare a convivere con i sintomi della malattia. Questi includono frequenti minzioni, aumento della sete e, di conseguenza, un’aumentata assunzione di liquidi. Poiché un gran numero di bambini è affetto da diabete, è essenziale informare gli alunni su questa malattia fin dai primi momenti. I diabetici devono imparare come ridurre al minimo i loro sintomi, o persino a prevenire la malattia adottando una dieta salutare e facendo abbastanza esercizio fisico. I bambini sani dovrebbero comprendere le necessità dei loro amici ammalati.
Noi abbiamo quindi messo insieme alcuni esperimenti che consentano agli studenti di rilevare i carboidrati. Una serie di esperimenti determina se una soluzione contenga o meno amido, proteine, o zuccheri quali glucosio, lattosio o saccarosio. Una volta che gli zuccheri sono stati identificati, ulteriori esperimenti determinano, per mezzo di una reazione enzimatica, quali campioni contengono lattosio o glucosio. Il principio alla base di questi esperimenti è lo stesso dei saggi per la determinazione dei livelli del glucosio nel sangue per la diagnosi del diabete, o per il dosaggio di glucosio e/o lattosio, ad esempio nei succhi di frutta, nel latte e nei latticini. Questi esperimenti, quindi, danno agli studenti un’idea di come i diabetici possano monitorare il loro stato zuccherino.
Gli studenti ricevono cinque campioni, contrassegnati con le lettere dalla A alla E, contenenti amido, una proteina (sieroalbumina bovina), il monosaccaride glucosio, o i disaccaridi lattosio o saccarosio. Tutte le soluzioni sono alla concentrazione dello 0,1% in acqua. Si potrebbero testare anche campioni di energy-drinks incolori contenenti glucosio (ad esempio Powerade®-Lemon). Usando differenti soluzioni reagenti, gli studenti dovrebbero determinare quali dei cinque campioni contengono zucchero, amido o la proteina.
Per una classe di 30 studenti che lavorino a coppie occorreranno le seguenti soluzioni:
Le soluzioni contenenti zuccheri riducenti quali fruttosio, glucosio o lattosio dovrebbero diventare rosse e formare un precipitato rosso (gli ioni rameici disciolti vengono ridotti a ossido rameoso insolubile), mentre non dovrebbe esserci variazione di colore con il saccarosio o l’amido. La soluzione proteica dovrebbe diventare viola pallido.
La soluzione di Lugol è un indicatore che serve per identificare l’amido. Il colorante tingerà l’amido non appena esso interagirà con la struttura attorcigliata del polisaccaride, dando luogo ad una colorazione blu intenso. Esso non reagirà con i monosaccaridi (glucosio) o i disaccaridi (lattosio o saccarosio).
Il saggio delle proteine è basato sul procedimento legante del colorante di Bradford, che determina il cambiamento di colore del colorante Coomassie Brilliant Blue quando esso si lega alle proteine.
In presenza della proteina, la soluzione diventerà blu (questo può essere rilevato con un fotometro a 595 nm). I campioni che contengono zucchero o amido non cambieranno colore.
La soluzione per il saggio Biorad per le proteine contiene metanolo ed acido fosforico, e quindi dovrebbe essere usata con cautela.
Reazione di Fehling | Reazione di Lugol | Saggio delle proteine | Composto | |
---|---|---|---|---|
Soluzione A | Precipitato rosso | Marrone | Marrone | Zucchero riducente |
Soluzione B | Soluzione blu | Blu scuro | Marrone | Amido |
Soluzione C | Precipitato rosso | Marrone | Marrone | Zucchero riducente |
Soluzione D | Soluzione viola | Marrone | Blu | Proteina |
Soluzione E | Soluzione blu | Marrone | Marrone | Saccarosio |
La soluzione B dà una reazione positiva con la soluzione di Lugol, rivelando così la presenza di amido. La soluzione D dà risposta positiva al saggio di Bradford, rivelando di essere una soluzione proteica. Le soluzioni A e C danno un precipitato rosso durante la reazione di Fehling, e possono quindi essere identificate come i campioni degli zuccheri riducenti glucosio e lattosio (sebbene non sia possibile in questa fase dire quale sia l’uno e quale l’altro). La restante soluzione, E, non dà reazioni in nessuno dei test, e di conseguenza deve trattarsi della soluzione di saccarosio.
In questo secondo esperimento, le due soluzioni rimanenti A e C vengono nuovamente analizzate, per vedere quale di loro contenga il lattosio e quale il glucosio. Per questo esperimento utilizziamo un kit reperibile in commercio, EnzyPlus EZS 962+ lactose/D-glucose, che può essere acquistato da BioControlw2. Il procedimento è simile a quello utilizzato abitualmente dai pazienti diabetici per monitorare la loro glicemia. Il protocollo standard per il prodotto è stato modificato e ridotto di scala, in modo che si possa condurre un numero maggiore di esperimenti con i reagenti a disposizione. Un kit fornisce materiali sufficienti per 20 coppie di studenti.
Il principio del test è il seguente (vedere le figure figure sottostanti):
Per effettuare la reazione:
Nota: nei successivi passaggi di questo esperimento, tutti e quattro i campioni vengono trattati nello stesso modo.
Prima misura (OD340) | Seconda misura (OD340) | Risultato | |
---|---|---|---|
Campione A+ | 0.09 | 2.43 | Glucose |
Campione A- | 0.09 | 2.37 | Glucose |
Campione C+ | 0.10 | 1.43 | Lactose |
Campione C- | 0.09 | 0.10 | Lactose |
Tutti e quattro i campioni danno bassi valori di assorbimento alla prima misurazione, evidenziando l’assenza di NADPH. La seconda misurazione (dopo l’aggiunta degli enzimi) dovrebbe permettere la distinzione delle soluzioni A e C. Poiché la soluzione A dà risultati positivi indipendentemente dall’aggiunta o meno della β-galattosidasi, si può concludere che essa contiene glucosio. Al contrario, una variazione dell’assorbimento della soluzione C dovrebbe essere misurato solo in presenza di β-galattosidasi (C+), segno che essa contiene lattosio.
Durante la prova, i partecipanti acquisiscono informazioni di base sul diabete e sui problemi che i diabetici devono affrontare. Per tenere sotto controllo la loro glicemia, i pazienti usano un sistema di misura del glucosio costituito da apposite strisce reattive, che si comporta come una scatola nera, ma è basato sul principio usato nell’esperimento 2. Realizzare questi esperimenti potrebbe accrescere la conoscenza del diabete, o di come si possa sopravvivere alla malattia, o come prevenirla cambiando il proprio stile di vita.
Gli esperimenti qui descritti possono essere realizzati in modo sicuro in un normale laboratorio scolastico, poiché i reagenti impiegati non sono materiali pericolosi ai sensi dei Regolamenti Europei sulle Sostanze Pericolose (EC Regulation 67/548/EEC). Il livello di sodioazide, il conservante presente nei reagenti, è inferiore al più basso livello di tossicità di un preparato, in accordo con la Direttiva 1999/45/EC.
L’ExploHeidelbergw3 è un centro di apprendimento informale ed interattivo. È costituito da tre diverse sezioni: un’esposizione interattiva, un laboratorio multimediale ed un laboratorio didattico biotecnologico.
Nella mostra interattiva, circa 50 allestimenti sollecitano i visitatori a sperimentare fenomeni acustici, ottici e meccanici. I concetti pedagogici ed il design della mostra interattiva vengono sviluppati in stretta collaborazione con l’Università di scienze dell’educazione di Heidelbergw4. Insegnanti tirocinanti e membri dello staff del dipartimento di fisica vengono coinvolti in qualità di guide della mostra, e nell’ideazione delle esposizioni e nello sviluppo delle attività di laboratorio, nell’addestramento degli insegnanti ed in progetti di ricerca.
Il laboratorio didattico offre agli studenti delle scuole medie e superiori l’opportunità di realizzare, durante corsi pratici giornalieri, esperimenti di biotecnologia che non sono realizzabili in classe.
Un laboratorio multimediale con 12 postazioni, risorse Internet e una video postazione completano il centro studi.
La mostra interattiva ed i laboratori multimediali sono aperti al grande pubblico ogni giorno, e sono pensati per destare l’interesse dei visitatori verso le scienze della vita in generale. Il laboratorio didattico offre agli studenti di scuole e università, agli insegnanti e ai tirocinanti, corsi speciali correlati ai programmi scolastici, che permettono loro di conoscere meglio le moderne tecniche biotecnologiche. I partecipanti possono scegliere, a partire da corsi di un giorno sulla manipolazione del DNA e delle proteine, fino a corsi specialistici di una settimana riguardanti tecniche sofisticate che solitamente vengono insegnate solo a livello universitario.