I.T.I.S. E.MAjorana Ragusa 21 aprile 2009 Angela Tosto

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1 I.T.I.S. E.MAjorana Ragusa 21 aprile 2009 Angela Tosto

2 Scienze da imparare perché? Lo studente è un cittadino e come tale è coinvolto in problemi che richiedono l interpretazione dei fenomeni naturali, o riguardano la salvaguardia dell ambiente, le risorse, la salute. Perché vanno anche utilizzate nel quotidiano e sono ritenute competenze di base per la vita!!!

3 La valenza formativa del laboratorio nella didattica delle scienze è condivisa da tutti Punti di vista Luogo di verifica delle leggi e addestramento al metodo sperimentale Costruzione di abilità sperimentali e capacità di ragionamento

4 La didattica laboratoriale deve insegnare a comprendere, integrando ragionamento, esplorazione della fenomenologia e misure Non solo un luogo fisico!

5 Studente protagonista di operazioni manuali e mentali: per attivare un processo di apprendimento che trasformi l atteggiamento e il comportamento dell allievo

6 La didattica laboratoriale è inserita in un quotidiano contesto di senso : Esperienza Esercitazione Esperimento attore attivo esecutore Si osservano gli eventi, si raccolgono i dati, si analizzano e si comparano per giungere al concetto es. chiodi, paglietta di Fe, limatura di Fe, paglietta di acciaio e si lasciano reagire con H 2 O, H 2 O 2, CH 3 CH 2 OH. dopo minuti, ore, giorni (vedi prova OCSE PISA) Dall esperimento lineare all esperienza aperta e da questa alla sintesi dell esperimento lineare

7 Quanto più i materiali usati in un esperimento illustrativo sono semplici, quanto più essi sono familiari allo studente, tanto più sarà possibile che egli acquisisca completamente il concetto così presentato. Il valore educativo degli esperimenti di questo tipo è inversamente proporzionale alla complessità dell attrezzatura. Lo studente che adopera un attrezzatura fatta in casa, che funziona sempre male, spesso impara di più di quello che ha a disposizione strumenti accuratamente calibrati, di cui può fidarsi, e che egli non sa smontare ( Maxwell 1871)

8 (da fervere ribollire) processo anaerobico attraverso il quale i microrganismi utilizzano substrati organici come donatori di elettroni, accettori e come fonte di C

9 ALCUNI OBIETTIVI Conoscenza di forme viventi unicellulari vive e morte e osservazione del ciclo vitale Comprensione di semplici tappe metaboliche Comprensione di semplici rapporti ecologici intraspecifici (competizione, riproduzione) Osservazione di dinamica di popolazioni Osservazione di cinetica dei processi metabolici Conoscenza della microscopia ed apprendimento di semplici tecniche microscopiche Aspetti biotecnologici sull impiego dei lieviti (biodigestori e bio-fermentatori industriali) Biocarburanti Apprendimenti sulla produzione di alcool etilico, bevande alcoliche e panificazione Organismo modello della citologia e genetica(1996 è stato il primo eucariote interamente sequenziato)

10 Un poco di storia 1860: Louis Pasteur studia il fenomeno della fermentazione ed individua in microrganismi come i lieviti i suoi effettori; afferma che tale processo può essere svolto solo da strutture cellulari. 1897: Hans e Eduard Buchner scoprono che il semplice estratto di lievito (Saccharomyces cerevisiae) è capace di trasformare il saccarosio in alcol etilico, dimostrando che la fermentazione è indipendente dall integrità della cellula.

11 1905: Arthur Harden e William Young dimostrano, con trattamento termico a 50 C, che la fermentazione è mediata da una componente enzimatica termolabile e da una componente termostabile coenzimatica (ATP, NAD + ) Negli anni successivi si chiarisce la comune matrice biochimica nei diversi tipi di fermentazione (alcolica, lattica) 1940: Gustav Embden, Otto Meyerhof ed altri ricercatori definiscono il processo biochimico della glicolisi nel citosol cellulare

12 I lieviti sono un gruppo di funghi, formati da un unico tipo di cellula eucariote, che può avere una forma ellittica o sferica e vivono in habitat liquidi o umidi, compresa la linfa delle piante e i tessuti animali. Esistono più di mille specie di lieviti. Alcune sono comunemente usate per lievitare il pane e far fermentare le bevande alcoliche. Un piccolo numero di lieviti, come la Candida albicans, possono causare infezioni nell'uomo. Rhodotorula, lievito rosa, cresce sulle tende delle docce e su altre superfici umide della casa Il lievito più comunemente usato è Saccharomices cerevisiae, che è stato "addomesticato" da migliaia di anni per la produzione di vino, pane e birra.

13 Saccharomyces cerevisiae (pane, vino, birra) S. uvarum (birre) S. bayanus (spumanti) Si tratta di funghi ascomiceti (Prototunicata, Endomycetales), unicellulari, aerobi facoltativi, riproducentisi asessualmente per gemmazione o scissione, e sessualmente per sporogonia (ascospore). S. cerevisiae ha un ciclo aplodiplonte, con alternanza di generazioni isomorfe. In una sospensione cellulare, quindi, si avranno sia individui aploidi (germinazione da spora) che diploidi (germinazione da zigote 2n, dopo fusione di due cellule n)

14 Saccharomyces cerevisiae Lunghezza circa 5-30 µm e larghezza circa 1-5 µm.

15 Generalmente sono diploidi, ovvero nel loro nucleo contengono 2 serie omologhe di 16 cromosomi. In condizioni ambientali normali, il lievito si moltiplica per gemmazione. In condizioni ambientali avverse invece la cellula si trasforma in asco, un sacco contenente 4 cellule aploidi dette spore. Le spore prodotte dai lieviti del genere Saccharomyces sono di due sessi: a ed a Spore di sesso diverso possono unirsi a formare un nuovo individuo diploide. Quando si uniscono spore di specie diverse si originano i cosiddetti ibridi.

16 Dal saccarosio al glucosio saccarasi (invertasi) endocellulare Glucosio Saccarosio Fruttosio

17 O2 : FASE AEROBICA FASE ANAEROBICA Ciclo di Krebs

18 Dal glucosio a piruvato ed energia: sintesi e bilancio C(I): n.o NAD ADP + 2 Pi Glucosio 2 NADH ATP + 2 H 2 O + 2H + Acido piruvico C(II): n.o. +2

19 FERMENTAZIONE ALCOLICA: 1^ Fase + H + + 1e- Piruvato decarbossilasi + CO 2 Acido piruvico Aldeide acetica

20 FERMENTAZIONE ALCOLICA: 2^ Fase + NADH + H e- Alcol deidrogenasi H 3 C-CH 2 -OH + NAD + Aldeide acetica Alcol etilico

21 processo anaerobico attraverso il quale i microrganismi utilizzano substrati organici come donatori di elettroni, accettori e come fonte di C

22 Nella fase iniziale ed in presenza di ossigeno, la coltura di S. cerevisiae svolge un metabolismo aerobio, con completa ossidazione di glucosio e fruttosio in CO2, H2O e 36 molecole nette di ATP nei MITOCONDRI In una fase successiva, in condizioni di microaerobiosi o anaerobiosi, S. cerevisiae attua un metabolismo fermentativo con produzione di 2 molecole nette di ATP e riossidazione del NAD + con riduzione di etanolo nel CITOSOL. Durante la fermentazione, 100 g di zucchero vengono trasformati in 51,1 g di etanolo, più altri metaboliti secondari come glicerina, acido succinico, acido acetico. La CO2 prodotta è responsabile della lievitazione del pane (panificazione) e dell effervescenza di vino, spumante, birra.

23 Apparato sperimentale Sistema I: nutriamo i lieviti (inizio) LIEVITO (50 g); SACCAROSIO (100 g); ACQUA ACQUA DI BARITE soluzione satura, filtrata Ba(OH) 2 40 g L

24 Apparato sperimentale Sistema I: sviluppo di cataboliti (C 2 H 5 OH; CO 2 ) Produzione di CO 2 gassosa Effervescenza Intorbidamento Gorgogliamento di CO 2 1 2

25 Apparato sperimentale Sistema I: dopo 1-2 h, effetti del metabolismo anaerobio Sospensione cellulare di lieviti vitali gemmanti Odore caratteristico Intorbidamento: Ba(OH) 2 +H 2 CO 3 BaCO 3 +2H 2 O 1 2

26 Apparato sperimentale Sistema I: dopo 1 settimana Sospensione cellulare di lieviti ancora vitali. Odore caratteristico La produzione di CO 2 è arrestata per esaurimento della risorsa nutritiva (substrato) 1 2

27 Apparato sperimentale Sistema II: i lieviti non hanno nutrimento LIEVITO (50 g); ACQUA ACQUA DI BARITE (idem) Ba(OH) 2 40 g L

28 Apparato sperimentale Sistema II: dopo 1-2 h, nessun metabolismo Nessuna effervescenza Nessuna sospensione cellulare né gemmazione Nessun gorgogliamento di CO 2 3 4

29 Apparato sperimentale Sistema II: dopo 1 settimana Gran parte delle cellule sono morte Nessuna effervescenza Le cellule vive restano piccole e sedimentano al fondo Produzione di odore putrido Nessuna precipitazione Nessun intorbidamento 3 4

30 Cosa osservare: confronto fra i due sistemi e spunti didattici Osservazioni macroscopiche: Effervescenza gassosa da CO 2 Intorbidamento per precipitazione (in alternativa test della candela) Produzione di odori differenti Osservazioni microscopiche: Numero (conteggi) e densità cellulari Dimensioni cellulari Presenza/assenza di catene di gemmazione Presenza/assenza di materiale non cellulare dovuto a lisi (morte) delle cellule Considerazioni generali su evoluzione nel tempo dei due sistemi (mesocosmi semplici): ecologia (risorse, competizione, popolazioni); fisiologia (metabolismo eterotrofo, ciclo vitale); citologia (osservazione di alcune strutture come parete e nucleo [x1000 a immersione]) Impiego della microscopia ottica

31 Tutto ciò quando e come? Prima spiego tutto e poi li faccio assistere all esperimento. Gli allievi produrranno una relazione Partiamo dalle domande stimolo e insieme produrremo i sistemi sperimentali, permetteremo loro di sbagliare, saranno protagonisti del fare, ma soprattutto costruiranno insieme a noi competenze scientifiche più complesse delle semplici conoscenze. Impareranno a progettare, a fare delle ipotesi e a verificarle!!

32 Esempi di domande stimolo Il lievito è vivente oppure no? Sapete se qualcuno lo usa? Quale apparato sperimentale potremmo utilizzare per vedere se mangiano? Cosa dovremmo usare come nutrimento? Come potremmo determinare sperimentalmente la funzione dello zucchero? Cosa sta succedendo? E se cambiamo la temperatura? Osserviamo la produzione di gas, quale sarà?

33 Come possiamo evidenziarlo? (prima facciamo l esperienza di farli espirare con la cannuccia nell acqua di barite per poter fare il confronto con il sistema sperimentale) nella scuola primaria useremo la candela Osservazione e raccolta dati a tempi diversi dei diversi apparati sperimentali approntati Cerchiamo di fare delle ipotesi sulle differenze che si evidenziano tra gli apparati sperimentali a tempi diversi e li confrontiamo con le attese che erano state esplicitate dai ragazzi prima Osservazione microscopica dei lieviti a tempi diversi, sia a fresco che colorati. Come si riproducono?...

34 Quali apparati sperimentali? Bottigliette di succhi di frutta Bottigliette di plastica con valvole collegate ad un tubicino Quali strumenti di percorso per documentare i processi? La sceneggiatura Il diario di bordo del docente Il diario di bordo dello studente