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Experimento: Oxígeno y Spikes

¿Alguna vez te has preguntado que es lo que pasa con el oxígeno que respiras después que ha pasado por tus pulmones y entra al torrente sanguíneo? En este experimento, vamos a mostrarte cómo las neuronas usan el oxígeno, nuestro recurso más vital. Tabmién veremos qué le pasa a las neurons cuando les falta el oxígeno.

Tiempo 1 hora
Dificultad Avanzado

¿Qué vas a aprender?

Vas a aprender por qué el oxígeno es esencial para la función celular y la formación of ATP (adenosina trifosfato). Vas a experimentar los efectos reversibles de la privación de oxígeno de las neurons de la pata de la cucaracha.

Prácticos Requeridos

  • SpikerBox - Debieras estar familiarizado con el uso de tu SpikerBox.


Antecedentes

Recordemos un experimento anterior, donde hablamos acerca de la energía que las neuronas necesitan para continuar generando spikes, y específicamente acerca de la energía necesaria para hacer funcionar la bomba de sodio-potasio. Esta energía es proporcionada por la adenosin trifosfato (ATP), que se generada en mayormente a partir los alimentos que consumes. Sin embargo, el alimento es sólo una de las cosas que tu cuerpo necesita para mantenerse con vida. ¿Qué cosa es invisible, insípida, sin forma, pero sin embargo fundamental para la vida?

¡El oxígeno! El oxígeno es un "oxidante", lo que significa que es ávido de electrones. El oxígeno elemental, puro, gaseoso es tan ávido de electrones que era un veneno para la mayoría de los seres vivos de la Tierra miles de millones de años atrás. De hecho, los únicos elementos más hambrientos de electrones son el flúor y el cloro, ambos muy venenosos en su forma elemental gaseosa. Una vez que las formas de vida evolucionaron para aprovechar la naturaleza oxidante de oxígeno, las criaturas aeróbicas (que respiran oxígeno) se convirtieron en los organismos dominantes en el planeta.

Todos los animales, incluyendo insectos, peces, pájaros, perros, y tú mismo, necesitan oxígeno además de alimento para generar suficiente ATP para seguir con vida. Las razones y los mecanismos por los cuales el oxígeno es tan vital para la generación de energía se pueden explicar mediante la bioquímica. Por ejemplo, abajo puedes ver cómo tu cuerpo metaboliza la glucosa:

Esta compleja reacción química tiene docenas de pasos estrictamente controlados que se clasifican en tres vías diferentes, comenzando con la 1) Glicólisis (descomposición del azúcar de 6 carbonos para formar piruvato, de 3 carbonos), seguida por el 2) Ciclo de Krebs (o del ácido cítrico), que genera moléculas ricas en electrones, con nombres divertidos como NADH y FADH, para finalizar con la 3) vía de la fosforilación oxidativa, donde los electrones del NADH y FADH se transfieren a través de múltiples moléculas (con nombres aún más divertidos, como la coenzima Q y el complejo IV) antes de llegar al aceptor final de electrones, el oxígeno. El oxígeno se convierte en agua en el proceso.

Mientras estos electrones (que comenzaron con el NADH y FADH) se mueven a través de propietarios sucesivos (como la coenzima Q, el complejo IV, y el oxígeno) en la vía de la fosforilación oxidativa, el movimiento crea energía que se utiliza para generar un exceso de iones de hidrógeno (protones) fuera del membrana de la mitocondria de la célula, el organelo donde ocurre la fosforilación oxidativa. El exceso de protones fuera de la membrana produce un desequilibrio iónico, que se utiliza para alimentar una enzima muy especial: la ATP sintasa. Los iones de hidrógeno en exceso viajan de vuelta hacia la mitocondria a través de la ATP sintasa, lo que hace que la sintasa "rote", y esto genera el trabajo que convierte el ADP en ATP (a través de química de proteínas). Este proceso se ilustra en la figura de abajo.

Ahora, analicemos para ver como se aplica esto a las patas de cucaracha que usamos para registrar. Si bien la pata "desconectada" tiene suficiente alimento almacenado en su interior para sobrevivir como máximo un par de días , la pata no tiene suficiente oxígeno para sobrevivir por ese tiempo. Esto es igualmente cierto en tu caso. Por ejemplo, ¿cuánto tiempo puedes sobrevivir son comer? ¿Y sin respirar?

Veamos si podemos investigar la dependencia de oxígeno de los spikes en la pata de la cucracha. Hay dos formas de hacer esto:

A. La Forma Difícil
Coloca la pata de la cucaracha y el SpikerBos en un contenedor con un flujo de aire positivo. Para hacer esto, tendrías que comprar un tanque de oxígeno y un tanque de argón (el argón se utiliza normalmente como un gas inerte). También se necesitarían reguladores de flujo y mangueras, y entonces tendrías que conectar los tanques de tal manera de poder disminuir poco a poco el porcentaje de oxígeno en el recipiente hermético para ver el efecto que diferentes niveles de oxígeno tienen sobre la actividad de la pata de la cucaracha.

B. La Forma Fácil
Ya que la pata de la cucaracha obtiene todo su oxígeno a través de la herida abierta (descubrimos esto cuando visitamos a un amigo microscopista electrónico), es posible privarla de oxígeno simplemente revistiendo la pata con vaselina.

Video

Materiales

Para este experimento vas a necesitar:
  1. Dos patas de una cucarachas
  2. Dos electrodos de registro
  3. Un SpikerBox (aunque este experimento sería más fácil con dos)
  4. Vaselina
  5. Mondadientes
  6. Cronómetro

Procedimiento

  1. Anestesia una cucaracha en agua con hielo, corta dos patas, y conecta cada una al SpikerBox igual que en el Experimento 1 para ver si puedes escuchar spikes. Nota: se pueden utilizar dos SpikerBox (uno para cada pierna), pero no es necesario, puedes hacerlo con solo un SpikerBox; simplemente puedes intercambiar los electrodos de una pata a la otra.
  2. Recubre una pata (la "pata experimental") con vaselina usando un mondadientes, y comienza a cronometrar.
  3. Cada 10-15 minutos, manipula ambas patas (experimental y control) tocando las púas con un mondadientes para ver si puedes generar spikes.
  4. Después de un tiempo, la pata experimental debiera dejar de generar spikes. Anota en la tabla el tiempo al que esto ocurre (Nota: si la pata experimental no deja de disparar spikes, no pusiste suficiente vaselina en la pata para sellarla correctamente. Si esto sucede, coloca más vaselina y vuelve a cronometrar).
  5. Con una servilleta o toalla de papel, retira cuidadosamente la vaselina. Reinicia el cronómetro. Cada 10-15 minutos, toca las púas de ambas patas para tratar de provocar spikes. Eventualmente, las spikes debieran reaparecer en la pata experimental. En la tabla, anota el tiempo al que esto ocurre. Aseúrate que la pata control siga disparando spikes.
  6. Repite los pasos 2-5, por todo el tiempo posible y por el tiempo que la pata siga generando spikes. Nota: ¿Por qué es tan importante monitorear el control?
  7. Repetir el experimento en un par de patas más para ver si puedes encontrar un "tiempo promedio para hacer desaparecer las spikes" y un "tiempo promedio para hacerlas reaparecer". ¿Son distintos, o es el mismo tiempo? ¿Por qué creesque es así? Usa la tabla de abajo como guía.

Preguntas de Discusión

  1. Es fácil entender por qué las spikes eventualmente desaparecen al privar a la pata de oxígeno, pero ¿por qué las spikes reaparecen? ¿Cuánto tiempo puede permanecer la pata recubierta con vaselina antes de que las spikes desaparezcan de forma permanente?
  2. Probablemente ya te has dado cuenta que la pata eventualmente muere por desecación. ¿Hay alguna manera de mantener la pata húmeda y al mismo tiempo permitir el paso de oxígeno? ¿Existe algún material permeable al aire, pero no al agua?