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Categoria: Didattica Scienze
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lievitiE’ ormai da oltre un anno che gestisco la rubrica settimanale di laboratorio povero di Fisica. Essa è il frutto di anni di lavoro e sperimentazioni con i miei studenti delle superiori, anni di ricerca didattica, di formazione, anni bellissimi!

Il laboratorio povero richiede poche risorse economiche, ma tanto tanto impegno mentale, perché i fenomeni non sempre sono evidenti e vanno selezionati. Cosa è importante in quel fenomeno ? Quali variabili in gioco ? Cosa succede se trascuro questo o quello ? In quali altri fenomeni riconosco questa o quella legge fisica ?

Sono queste alcune delle domande che ci si pone mentre si fa laboratorio di Scienze. Le domande sono sempre aperte ed i fenomeni di volta in volta offrono spunti e riflessioni nuove: è per questo che anche io con i miei studenti, dopo 8 anni di insegnamento, rimango sempre sorpreso dalla varietà dei fenomeni.
A questo si aggiungono domande didattiche: quale metodologia applicare ? Come organizzare le schede di lavoro? Ma anche domande organizzative: quali materiale portare ? E se un gruppo non ha il materiale come fare ?

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Il laboratorio povero si intreccia con tutte le moderne tecnologie digitali: risorse quali Edmodo, Questbase, Prezi diventano necessari per la gestione, l’organizzazione dei gruppi e del materiale!

Un lavoro che richiede una piccola rivoluzione nella propria didattica, ma che avrà effetti positivi fin da subito sui propri studenti e sul nostro insegnamento!

Oggi vi presenterò il primo di una serie di tre articoli dove ho cercato di applicare il laboratorio povero alla Biologia!

Si avete capito bene: la Biologia si presta fortemente ad esperimenti di Laboratorio Povero.

Il lavoro è frutto di una mia tesina presentata durante il mio TFA presso l’Università di Padova per la classe di concorso A059, Matematica e Scienze alle Scuole Medie.

Il lavoro si inserisce all’interno di un progetto più ampio (oltre 100 pagine) su muffe e lieviti fatto con altri colleghi, chi è interessato al lavoro completo o ad altre informazioni può scrivermi ad Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.

Oggi vi presenterò la premessa teorica, seguiranno altri due articoli dove verranno descritte le attività di laboratorio. Sperando di farvi cosa gradita vi presento il progetto nella sua forma generale, sottolineando che è stato sviluppato concretamente nelle classi della scuola media statale di Villa Estense (PD).

Buona lettura e Buon Natale!

Crescita e nutrizione dei lieviti

Il lievito (Saccharomyces cerevisiae) è un semplice organismo unicellulare eucariote che può esistere sia in forma aploide che in forma diploide. I lieviti sono organismo chemiorganotrofi, cioè usano composti organici come risorsa di energia e non per questo richiedono la lice solare. Il carbonio viene ottenuto da zuccheri, quali il glucosio ed il fruttosio o da disaccaridi quali maltosio. Alcune specie possono metabolizzare gli zuccheri quali il ribosio, gli alcooli, gli acidi organici. Le specie dei lieviti posso anche richiedere ossigeno per la respirazione cellulare aerobica oppure sono anaerobici, ma posso anche avere dei meccanismi aerobici per la produzione di energia. Rispetto ai batteri, non vi sono specie note di lieviti che crescono solo anaerobicamente (anaerobi obbligati). I lieviti crescono meglio in un ambiente a PH neutro o leggermente acido. Il range di temperatura per la crescita lieviti varia. Per esempio il leucosporodium frigidum cresce da  -2 to 20 °C, Saccharomyces telluris da 5 a 35 °C e Candida slooffi da 28 a 45 °C  . Le cellula possono sopravvivere congelate sotto determinate condizioni, con una vitalità che decresce nel tempo.  In laboratorio i lieviti crescono in maniera ottimale su strati di agar (PDA) oppure estratto di malto o agar.

Ciclo vitale del lievito:

1. gemmazione
2. coniugazione
3. Spora

I lieviti, come tutti I funghi, posso avere un ciclo riproduttivo asessuato e sessuato. Il modo più comune di riproduzione è asessuata è per gemmazione; una piccola escrescenza (gemma o cellula figlia) è formata dalla cellula madre. Il nucleo della cellula madre si divide in un altro nucleo gemello e migra nella cellula gemella. La gemma continua a crescere fino a che non si separa dalla cellula madre e forma una nuova cellula. La cellula prodotta è solitamente più piccola della cellula madre. Alcuni lieviti come il Schizosaccharomyces pombe, si riproduce per fissione invece che per gemmazione, così da creare due identiche cellule figlie.

Solo le cellule aploidi posso attuare una riproduzione sessuata, prima di unirsi all’altra cellula esse diventano più lunghe e sottili. Le cellule poi si fondono e uniscono i nuclei per creare una cellula diploide. La cellula diploide così formata inizia a gemmare e forma una colonia di cellule diploidi.

La riproduzione sessuata continua fino a che le cellule diploidi non diventano aploidi quando le condizioni diventano ostili (le cellule diploidi tendono a morire), le cellule diploidi si dividono per meiosi in 4 spore, inerti e capaci di resistere alle condizioni avverse.

Dettagli sulla riproduzione

L’accoppiamento del lievito avviene tra due sue forme aploidi, dette forma a e forma α.

Il lievito S. cerevisiae può esistere stabilmente nelle due forme aploide e diploide. Riprodursi per mitosi, generando così due cellule figlie uguali geneticamente alla cellula madre.  Ogni cellula aploide può unirsi a una cellula aplodie della forma opposta generando una cellula diploide stabile. Come detto, in condizioni di forte stress, una cellula diploide può dare luogo a 4 cellule aploidi (2 per forma), per meiosi.

Due cellule di lievito di tipo d'accoppiamento opposto secernono ferormoni, fanno crescere ciascuna una protuberanza e si accoppiano.

Come avviene l’accoppiamento?

Sostanzialmente le cellule dei due fattori secernono dei feromoni, che se in concentrazione sufficiente “catturano” l’attenzione della cellula di forma opposta, sulla quale si crea una escrescenza/protuberanza (appunta una gemma). I due feromoni, diversi per tipo di forma, fanno sì che è impossibile che due cellule aploidi della stessa forma si accoppiano (un po’ come due cariche dello stesso segno si respingono, ogni feromone riconosce solo il suo “complementare”)

Le cellule diploidi non secernono feromoni ma possono dividersi solo per meiosii.

Le differenze feonotipiche tra le cellule aploidi e diploidi derivano dalla attivazione/disattivazione di determinati geni; in pratica le cellule aploidi condividono un programma di di trascrizione aploide che attiva determinati geni e disattiva quelli che codificano quelli destinati a formare caratteri delle diploidi. In maniera simile fanno le diploidi.  Le cellule aploidi hanno un corredo di 16 cromosomi, quelle diploidi 32.

Una cellula aploide di lievito si divide, e una delle cellule figlie dà luogo ad un cambio del tipo d'accoppiamento. Questo permette la formazione di una cellula diploide.

Sotto condizioni di mancanza di nutrienti le cellule aploidi muoino, mentre le cellule diploidi iniziano la gemmazione, entrando nella riproduzione sessuale (meiosi) e producendo una varietà di spore aploidi, che così si riconiugano per formare cellule diploidi.

Fermentazione lievito di birra

Cellula di lievito



METABOLISMO DEI LIEVITI 

Il lievito ha una composizione variabile, ma è formato da:

 

Acqua: 75%

 

Sostanza secca: 25%

 La composizione è ripartita in glucidi, protidi, lipidi e sostanze minerali, tra cui acido fosforico e potassio.

Il lievito, per vivere, ha bisogno pertanto di acqua , glucidi, protidi e Sali minerali; trova tali sostanze nel mosto d’uva, ma anche nella birra ad esempio.

Il lievito non può sintetizzare da solo i glucidi (come fanno le piante), deve perciò ricavare l’energia di cui ha bisogno dalla respirazione o dalla fermentazione, a partire dagli zuccheri.  Infatti, a seconda che si trovi in presenza o al riparo dell’aria, reagisce diversamente.

In aerobiosi, il lievito respira e provoca la combustione totale degli zuccheri, producendo biossido di carbonio e acqua e una gran quantità di calore.

  

C6H12O6           +          6 O2                               6 O2  +          6H2O   +          674 calorie

 In anaerobiosi, al riparo dall’aria, il lievito libera energia per degradazione incompleta degli zuccheri con formazione di alcol etilico e di gas carbonico:  

C6H12O6          ------                  2 CH3CH2OH    +          2 CO2   +          33 calorie

 Non tutti gli zuccheri sono attaccati allo stesso modo dai lieviti:

 

Gli zuccheri con 6 atomi di carbonio o esosi (glucosio, fruttosio) sono direttamente fermentabili;

 

Gli zuccheri con 12 carboni o disaccaridi devono essere preventivamente invertiti in due zuccheri semplici sotto l’azione di una diastasi (invertasi) secreta dal lievito stesso, ma soprattutto già contenuta nell’uva.

 Quando l’ambiente non contiene più elementi nutritivi, il lievito può vivere a spese delle proprie riserve. E’ il fenomeno di autolisi, che ha come conseguenza la formazione di alcoli superiori  e di amminoacidi, in modeste quantità. Questi ultimi, liberati alla fine della fermentazione alcolica, serviranno da alimento ai batteri lattici, incapaci di fabbricarli.  [1]

In sintesi un lievito, in presenza di aria, utilizza l’ossigeno per “respira” e produrre energia, fermentano in condizione di carenza di ossigeno.

I lieviti sono i principali agenti della fermentazione alcolica dei carboidrati con formazione di alcool etilizo e anidride carbonica (per questo vengono usati nella produzione del vino, della birra, nella lievitazione del pane ). Le cellule di lievito, per esempio, fanno fermentare gli zuccheri presenti nella birra, nel vino e nel pane convertendo il glucosio in biossido di carbonio ed etanolo (alcol etilico)

C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2

I lieviti e tutti i tipi di cellule sfruttano l’energia immagazzinata negli zuccheri scindendo le molecole di glucosio in un processo metabolico chiamato Glicolisi che avviene nel citosol della cellula.[2]

Pe la formazione del pane, il lievito si nutre di amidi presente nella farina, esso viene diviso in zuccheri più semplice per produrre  anidride carbonica (CO2) e alcol etilico (CH3CH2OH) ed energia sotto forma di ATP.

Inizialmente, i lieviti messi nel substrato di coltura ( l’impasto del pane) svolgono una

respirazione aerobiotica cioè utilizzando l’ossigeno nell’aria, trasformano gli zuccheri in acqua e anidride carbonica. Poi all’interno della massa in fermentazione per mancanza di ossigeno passano alla fermentazione sfruttando l’energia degli zuccheri (ossidandoli anaerobicamente) in alcool etilico e anidride carbonica.

Bibliografia

[1] estratto da http://lucio15.altervista.org/vino/metabolismo.htm

[2]http://www.csdim.unical.it/scienzeformazione/dispense%20docenti/mazzuca/biologia/esercitazioni%20biologia/lezione%205%20%20lieviti%20e%20la%20fermentazione.pdf