RIPRODUZIONE DEI LIEVITI
La riproduzione può essere essenzialmente di due tipologie:
RIPRODUZIONE VEGETATIVA
Genera biomassa; è l’aumento del numero di cellule |
RIPRODUZIONE SESSUATA
Mette in atto una strategia di sopravvivenza; no vantaggi dal punto di vista della biomassa ma crea variabilità. |
RIPRODUZIONE VEGETATIVA
La riproduzione vegetativa si avvale della MITOSI, con conseguente aumento di biomassa. I lieviti sono organismi che quando si riproducono per mitosi GEMMANO, particolarità che darà il nome di “microrganismi gemmanti”.
La gemmazione consiste nella rottura temporanea della parete della cellula madre con estroflessione del citoplasma, seguito da una rapita sintesi e ricostruzione di altra parete che completa la citodieresi[1]. Verrà prodotto un lievito con caratteristiche genomiche identiche a quelle della cellula madre e, inoltre, sulla cellula madre rimarrà visibile un callo di cicatrizzazione.
C’è solo un lievito che si riproduce per SCISSIONE BINARIA ed è Schyzosaccharomyces pombe, microrganismo di particolare interesse per il settore enologico in quanto fautore della fermentazione maloalcolica, fermentazione molto utile in caso di vini molto acidi, ma che generalmente si cerca di evitare.
La GEMMAZIONE può essere diversa a seconda di dove avviene:
- GEMMAZIONE MULTILATERALE: può avvenire su tutta la superfice del lievito senza distinzioni, in modo casuale. Questo garantisce una certa sfericità alla cellula di lievito, che però è considerata ellittica in quanto schiacciata ai poli. Il lievito di interesse enologico che ha questo tipo di gemmazione è Saccharomyces cerevisiae;
- GEMMAZIONE BIPOLARE: la gemmazione può avvenire solo ai poli della cellula conferendo una conformazione APICULATA ai lieviti che usano questa metodologia di gemmazione (simile ad un limone). Era una caratteristica sulla quale si basava la tassonomia di questi microrganismi, tanto da distinguere i lieviti apiculati con gli ellittici, mentre oggi le differenze per la classificazione tassonomica sono più basate sulle caratteristiche. I lieviti ellittici, generalmente, fermentano meglio degli apiculati, i quali saranno più vocali a sistemi ossidativi per la produzione di energia; sono quindi più presenti in vigneto, a contatto con l’aria, come Hanseniaspora uvarum. Posseggono una classe di enzimi molto importante, le β-glicosidasi, capaci di degradare i legami glicosidici che interessano particolari complessi aromatici (aromi varietali legati agli zuccheri, tolto lo zucchero permetto l’espressione di questi); questi lieviti, inoltre, portano con loro una piccola quantità di acido acetico proveniente da processi respirativi, il quale favorisce la produzione di acidi grassi di S. cerevisiae (effetti positivi degli apiculati). Lievito apiculato che oggi è spesso usato come fautore di una prima fermentazione è Torulaspora delbrueckii, aggiunto all’inizio lavorerà liberando aromi varietali grazie alle β-glicosidasi (non produce grandissime quantità di acido acetico); è poi soppiantato da S. cerevisiae sia per le grandi capacità competitive di quest’ultimo, sia perché T. delbrueckii non è molto resistente all’alcol;
- GEMMAZIONE UNIPOLARE: la gemmazione è consentita solo ad uno dei due poli conferendo alle cellule la forma di birillo; un lievito di gemmazione unipolare di interesse enologico è Saccharomycodes ludwigii, che però è un lievito negativo (molto resistente alla solforosa : produce tantissima acetaldeide che legherà alla solforosa non esponendo il lievito).
CICLO CELLULARE DI SACCHAROMYCES CEREVISIAE
Il ciclo cellulare di Saccharomyces cerevisiae (e non solo) è suddiviso in 4 fasi principali:
- S
Precede la fase M nella quale avviene la mitosi ed è il momento in cui avviene la sintesi di DNA. In questa fase sono concentrate una serie si azioni importanti ed essenziali che sono segno che la cellula si sta preparando attivamente alla divisione. Infatti, oltre alla replicazione del DNA, vengono sintetizzati i microtubuli di actina che andranno ad orientare le vescicole del Golgi contenente enzimi verso la zona della fuoriuscita della gemma. Altri microtubuli serviranno per orientare i mitocondri verso il nuovo individuo e, quelli più lunghi, andranno a formare il fuso mitotico.
La cellula intanto cambia la morfologia della parete con inizio di degradazione della parete stessa e con iniziale fuoriuscita della gemma.
- G2
La cromatina finisce di avvolgersi formando i cromosomi che verranno agganciati al centromero dai microtubuli di actina formando così il fuso mitotico; i microtubuli incominceranno poi ad orientare i cromosomi nella cellula con un processo che porterà parte del nuovo nucleo dentro la gemma.
Alcuni mitocondri vengono portati dento la gemma tramite vescicole ed all’estremità opposta rispetto alla spaccatura della parte la cellula madre formerà un vacuolo di grandi dimensioni che spingerà le componenti dentro la gemma.
- M
È la fase di mitosi dove il nucleo si allunga al massimo iniziando la vera e propria separazione tra la cellula madre e la cellula figlia (totale in fase L). La parete cellulare si ricostruisce e la cellula deposita un anello di chitina nella zona di cicatrizzazione della cellula madre.
- G1
È la fase di riposo ed è una LA FASE DECISIONALE FONDAMENTALE. La cellula, da qua, gestirà tutte le fasi successive (questa fase è seguita dalla fase S).
Il DNA deve essere replicato in maniera accurata per far si che non subentrino mutazioni importanti e per questo motivo tra il processo della replicazione del DNA (fase S) e della separazione dei cromatidi[2] (fase M), si verificano due fasi intermedie importantissime che avvengono negli intervalli G1 e G2.
Qui ci sono dei veri e propri checkpoint:
- CHECKPOINT G1: come detto in precedenza è la fase più importante; se si verificano eventuali danni al DNA si riparano. inoltre, in questa fase, la cellula fa un rapido controllo della situazione esterna che, se favorevole alla replicazione, riprende il ciclo, altrimenti si ferma in G1. Sempre in questa fase la cellula se sente la presenza di ormoni sessuali che stimolano la meiosi o se non ha raggiunto le dimensioni critiche, blocca tutto in fase G1 “capendo” di non essere in grado di superare il punto inizio del ciclo (start).
- CHECKPOINT G2: se la cellula riscontra un danno al DNA o questo non si replica completamente oppure se i cromosomi non saranno allineati sulla piastra metafasica, si arresterà in metafase bloccando la divisione.
Ma cosa vuol dire per un lievito “ragionare” (decidere di passare da fase G1 a fase S)? Per un lievito ragionare vuol dire attivare determinate regolazioni genetiche che portano alla sintesi di determinate proteine.
Ci sono dei regolatori specifici per il ciclo cellulare che sono le CHINASI ed i punti di checkpoint saranno regolati da vari complessi proteici come le cicline, proteine inibenti e fosforilazioni inibenti ed attivatrici.
In pratica la subunità catalitica è una chinasi ciclina dipendente (CdK, Cyclin-dependent-Kinase) che è attiva solo quando è legata alla subunità di regolazione detta ciclina (c’è una sola CdK, Cdc28, e 9 cicline differenti, Cln 1-3, Clb 1-6). A seconda della ciclina, il dimero CdK-ciclina, svolge attività differenti e, per il ciclo cellulare, viene richiesta l’attivazione e l’inattivazione di questi dimeri; il processo è regolato da:
- Sintesi di cicline diverse per mezzo di vari attivatori di trascrizione (SBF, MBF, Mcm1);
- Degradazione delle cicline (promosse da CdK/APC, Cdh/APC, Grr1/SCF);
- L’associazione di inibitori stechiometrici di CdK (Sic1 e Cdc6, Far1);
- Fosforilazione di Cdc28 per mezzo di Swe1 e Mih1.
Questa importantissima proteina chinasi CdK è sempre sintetizzata e viene resa non funzionante da un insieme di regolatori: appena prodotta le viene aggiunta una proteina inibitrice (CkI) e una ciclina CYC, con aggiunta di due fosforilazioni inibitrici.
Quando la cellula sa di essere nelle condizioni di poter iniziare un’eventuale ciclo di divisione (dimensioni, ambiente, ecc…) toglierà le due fosforilazioni insieme alla proteina inibente (proteolisi di CkI), aggiungendo, poi, una fosforilazione attivatrice su CdK.
A questo punto il complesso è attivo e pronto a fosforilare altre proteine regolatrici (attivandole), che attiveranno precisi fattori di trascrizione, i quali a loro volta, daranno il via all’espressione genica fondamentale per il passaggio in fase S. Finito il compito del complesso chinasi/ciclina, viene tolta la fosforilazione attivatrice insieme alla ciclina.
Questo processo ci spiega come sia fondamentale, per il lievito, bloccare subito le attività delle chinasi, poiché altrimenti porterebbero la cellula ad entrare in fase S, senza la possibilità di tornare indietro.
Ricordiamo che si tratta di un sistema di regolazione A CASCATA.
NB → si noti come nella cellula la fosforilazione sia fondamentale per tutta una serie di processi; infatti la fosforilazione entra nelle vie per la produzione di energia, per attuare i sistemi di trasporto, per sottrare le molecole dal gradiente ed, infine, nel processo di regolazione genica. Un esempio importante è rappresentato dall’attivazione dei vari complessi il quale avviene attraverso fosforilazione.
È importante, per la cellula, la fase G1, in quanto è qua che questa decide se entrare in riproduzione sessuata o meno, differentemente dalle cellule aploidi o diploidi che si trovano nelle fasi diverse dalla G1 le quali possono solo finire il ciclo cellulare senza possibilità di cambiare via.
In fase G1 è la carenza o la presenza di nutrienti che determina quale via intraprendere :
- CARENZA DI NUTRIENTI: la cellula aploide o entra in fase G0 (fase di quiescenza) o se trova la sua complementare aploide (a – α) si fonderà formando una cellula diploide, iniziando il ciclo sessuale concluso, poi, con la sporulazione.
- PRESENZA DI NUTRIENTI: sia le cellule diploidi che le cellule aploidi entreranno in fase S ed inizieranno la crescita vegetativa.
RIPRODUZIONE SESSUATA
La riproduzione sessuata avviene sempre mediante l’unione di due cellule con nucleo aploide che si comportano da gameti; le due cellule si fonderanno dando origine ad un fenomeno chiamato PLASMOGAMIA (unione del citoplasma) che, per un certo tempo ristretto, permetterà di mantenere l’individualità e quindi la condizione di DICARION (due nuclei distinti in un’unica cellula).
Subito dopo avviene la CARIOGAMIA, ossia la fusione dei nuclei con formazione di un nucleo diploide, generando quindi lo ZIGOTE, cellula diploide, che fa si che il lievito torni in fase diploide.
Quando il lievito entra in condizioni di difficoltà o in un ambiente ostile si appresterà a fare la meiosi e quindi il crossing over sui filamenti di DNA parentali per cercare di creare delle variabilità genetiche che potrebbero aiutarlo con una mutazione vantaggiosa.
Alla meiosi si ha un’unica duplicazione del DNA con doppia divisione ottenendo, di fatto, quattro cellule aploidi con DNA ricombinato. In prima battuta, queste cellule aploidi, sembreranno molto diverse dalle cellule normali presentando parate diversa con impossibilità al movimento; per questo motivo vengono chiamate MEIOSPORE. Da ciascuna meiospora si ottengono cellule vegetative aploidi che possono comportarsi da gamete.
Alcuni funghi possono produrre meiospore contenute in ASCHI, struttura che le avvolge e che da origine alle ASCOSPORE; questo tipo di funghi è chiamato ASCOMICETI.
Altri funghi, quasi sempre i BASIDIOMICETI, producono MITOSPORE, generate da divisione mitotica e prodotte per una miglior diffusione nell’ambiente attraverso i conidi. È bene ricordare che gli ASCOMICETI NON PRODUCONO MITOSPORE.
Come accennato un precedenza la riproduzione sessuale negli ascosporigeni (S. cerevisiae) si verifica in situazioni ostili quali quando il mezzo di crescita è privo di zuccheri fermentescibili, con poco azoto e con forte aerazione; in particolare se S. cerevisiae, in laboratorio, è messo in terreno con alto contenuto di acetato e zero azoto, questo va incontro a una degradazione massiva delle proteine determinata da un intensa attività degli enzimi del vacuolo. Viene bloccata la moltiplicazione cellulare ed avviene una trasformazione della cellula con l’ispessimento della parete e formazione di ascospore (mosto non favorevole alla sporulazione).
[1] Citodieresi : o citocinesi, è un processo di divisione del citoplasma che normalmente segue la mitosi; la citodieresi inizia di solito verso la fine della telofase mitotica e, in genere, divide la cellula in due parti quasi uguali.
[2] Cromatidi : sono le due subunità di cui sono costituiti i cromosomi nel processo di divisione cellulare, mitosi o meiosi. I cromatidi fratelli sono la coppia dei cromatidi uniti per il centromero, che derivano dalla replicazione di un cromosoma.
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