Lieviti e mitocondri in soluzioni zuccherine: metabolismo e fermentazione
Nel mondo del vino, siamo abituati a pensare ai lieviti come semplici “fermenti”. Eppure, dietro ogni fermentazione alcolica si cela un organismo molto più complesso di quanto si creda: Saccharomyces cerevisiae, un microrganismo eucariota dotato di mitocondri, organelli fondamentali per la respirazione cellulare. Ma cosa accade davvero quando il lievito entra in contatto con una soluzione zuccherina, come accade nel mosto d’uva? E quale ruolo gioca il glucosio nel determinare il destino metabolico della cellula?
Con questo articolo esploriamo insieme le vie metaboliche dei lieviti in soluzioni zuccherine, approfondendo il delicato equilibrio tra respirazione mitocondriale e fermentazione alcolica, l’impatto dell’effetto Crabtree e l’importanza di elementi chiave come azoto, ossigeno e acido 2-osso-glutarico nella funzionalità del lievito.
Pensato per te che lavori in cantina e desideri comprendere a fondo ciò che accade, a livello biochimico, nel cuore della fermentazione.
Biologia cellulare e genetica del lievito
I lieviti sono organismi unicellulari eucarioti e in questa sede desidero innanzitutto analizzare brevemente il percorso evolutivo che ha condotto a tali cellule fungine.
Dalle cellule procariotiche ai lieviti eucarioti: un viaggio evolutivo
In origine tutte le forme di vita erano cellule procariotiche ovvero cellule nelle quali il DNA non era compartimentato in un nucleo. Tali cellule esistono ancora oggi e sono gli eubatteri e gli archeobatteri.
Il ruolo chiave dei mitocondri nell’origine delle cellule eucariotiche
Nel tempo, e parliamo di circa 1,7 miliardi di anni fa, alcune cellule procariotiche hanno racchiuso il DNA all’interno di una membrana fosfolipidica, sterolica e proteica, strutturalmente analoga alla membrana che circonda il citoplasma.
In un secondo tempo queste cellule hanno inglobato cellule di minori dimensioni chiamate α-protobatteri. che hanno iniziato a comportarsi da endosimbionti: è questo il caso dei mitocondri che sono stati “inglobati” all’interno del citoplasma della cellula “ospite”.
Portando, così, in dote la loro formidabile capacità di produrre energia dai prodotti della glicolisi, tramite due passaggi metabolici di enorme importanza: il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa.
Nei lieviti il 15% del DNA totale è DNA mitocondriale. (Carl Malina, Christer Larsson, Jens Nielsen, 2018)
Respirazione e fermentazione dei lieviti
I mitocondri, diventati così parte integrante della cellula ospite (citoplasma), da allora sono i protagonisti di una simbiosi, che ha dato vita alle attuali cellule eucariotiche, tra le quali i Saccharomyces cerevisiae. Noti come “lieviti del vino”.
Saccharomyces cerevisiae: oltre il semplice concetto di fermento (H3)
Noi siamo tradizionalmente abituati a considerare il lievito come un fermento, ma questa definizione è riduttiva e non giustificherebbe la presenza dei mitocondri, che hanno una funzione respiratoria.
ATP e ossigeno: cosa succede in presenza di basse concentrazioni di glucosio (H3)
Il lievito infatti respira. E in condizioni aerobie, con bassissimi tenori di glucosio, produce un alto tenore di ATP; ovvero circa 36 moli di ATP per ogni mole di glucosio.
Effetto Crabtree e condizioni fermentative
Ma non appena il lievito si trova in soluzioni lievemente zuccherine (8 g/L secondo il dottor Herbert G. Crabtree) i mitocondri vengono inibiti.
Soluzioni zuccherine e inibizione mitocondriale: l’effetto Crabtree (H3)
Ciò significa che, in presenza di un certo quantitativo di zuccheri, i mitocondri non scompaiono dal lievito, semplicemente non riescono a sintetizzare le proteine.
Perché la trascrizione del DNA mitocondriale viene bloccata? (H3)
Ovvero, in questo modo viene inibita la produzione di enzimi. Quelle proteine addette alla generazione di ATP nella catena di ossidazione del NADH,H+ e del FADH2, nota come “fosforilazione ossidativa".
Ciclo di Krebs e metaboliti intermedi
A questo punto sorge spontaneo chiedersi: ”ma nella condizione fermentativa cosa accade al ciclo di Krebs?”.
Quali reazioni mitocondriali restano attive durante la fermentazione (H3)
Il ciclo di Krebs è certamente inibito dal glucosio ma è evidente come una serie di passi metabolici avvengono nei mitocondri anche durante la fermentazione.
Infatti nel corso della fermentazione l’esistenza di alcune molecole del ciclo di Krebs è assolutamente dimostrata (Carl Malina, Rosemary Yu, Johan Björkeroth, Eduard J. Kerkhoven, Jens Nielsen, 2021).
Il ruolo dell’acido 2-osso-glutarico nella sintesi del glutammato (H3)
Una di queste molecole è l’acido 2-osso-glutarico (α-chetoglutarico nella versione arcaica), senza il quale non vi sarebbe l’organicazione dello ione ammonio nella posizione 2 con formazione del glutammato:l’amminoacido base per la sintesi proteica.
Tale reazione ha un risvolto pratico ben noto: se infatti non ci fosse l’acido 2-osso-glutarico la nutrizione tramite sali ammoniacali (quali il DAP) non darebbe risultati, in quanto l’ammonio resterebbe inutilizzato: questa reazione è mostrata nella figura sottostante.
Organicazione dello ione ammonio nella posizione 2 con formazione del glutammato
Produzione di acido succinico: un altro segnale dell’attività mitocondriale
Possiamo dunque affermare che in presenza di glucosio, il ruolo dei mitocondri non è del tutto inibito.
Vi è anzi un altro passaggio metabolico che richiede l’attività dei mitocondri e coinvolge ancora una volta l’acido 2-osso-glutarico. all’interno della fase iniziale del ciclo di Krebs.
È noto che i lieviti durante la fermentazione producono acido succinico in quantità rilevanti e l’acido succinico si origina appunto dall’acido 2-osso-glutarico, come mostrato nella figura a seguito.
Produzione durante la fermentazione di acido succinico dall’acido 2-osso-glutarico
L’effetto principale che il glucosio esplica sulla repressione dell’attività mitocondriale (effetto Crabtree) è certamente quella di inibire completamente la trascrizione del DNA mitocondriale, impedendo la sintesi degli enzimi necessari alla fosforilazione ossidativa.
Apporto di ossigeno e pied de cuve
Il mondo dell’enologia a volte ci pone di fronte a dei limiti che riguardano convinzioni o modi di pensare che non ci permettono di riunire le fila di un ragionamento, con scarsi riscontri pratici.
Ossigeno e fermentazione: sfatiamo un falso mito enologico
Infatti è da sfatare, una volta per tutte, la convinzione che fornendo una grande quantità di ossigeno durante le prime fasi della fermentazione, o nella preparazione del pied de cuve, si possa ottenere una certa attività respiratoria.
In nessuna matrice vinica sarà mai possibile che i mitocondri svolgano la loro funzione principale, ovvero produrre ATP.
L’ossigenazione iniziale migliora la funzionalità delle membrane cellulari
È vero però che una ossigenazione importante, specialmente nella preparazione del pied de cuve, può migliorare la funzionalità di membrana dei mitocondri, così come la funzionalità di membrana della cellula di Saccharomyces cerevisiae.
Questo però è dovuto alla insaturazione degli acidi grassi e allo stimolo alla formazione di ergosterolo.
Nutrizione azotata e fabbisogni del lievito
In condizioni fermentative, a causa dell’effetto Crabtree, i mitocondri perdono la capacità di sintetizzare amminoacidi. Questo comporta una dipendenza completa del lievito dagli apporti azotati presenti nel mezzo fermentativo, rendendo fondamentale per l’enologo garantire un’adeguata disponibilità di azoto assimilabile.
La perdita della sintesi aminoacidica e la dipendenza dall’azoto esogeno
In condizioni fermentative, a causa dell’effetto Crabtree, i mitocondri perdono la capacità di sintetizzare amminoacidi. Questo comporta una dipendenza completa del lievito dagli apporti azotati presenti nel mezzo fermentativo, rendendo fondamentale per l’enologo garantire un’adeguata disponibilità di azoto assimilabile.
L’apporto può avvenire tramite azoto organico o inorganico, come i sali ammoniacali (es. DAP), ma deve essere ben bilanciato per evitare carenze nutrizionali che potrebbero compromettere la vitalità cellulare e l’andamento della fermentazione.
Selezione dei ceppi lievito
L’effetto Crabtree determina, nei ceppi classici di Saccharomyces cerevisiae, una significativa perdita di funzionalità metaboliche mitocondriali. Tuttavia, questi ceppi risultano altamente performanti nel consumo del glucosio, rendendoli ideali per fermentazioni rapide e vigorose.
Lieviti Crabtree negativi: meno efficienza, ma più equilibrio?
Esistono però anche ceppi definiti "Crabtree negativi", ovvero microrganismi in grado di mantenere la respirazione anche in presenza di concentrazioni zuccherine moderate. Questi lieviti offrono una fermentazione più lenta ma potenzialmente più equilibrata, con minore produzione di metaboliti indesiderati e maggiore conservazione della vitalità cellulare.
Si tratta di un approccio che in enologia sta suscitando crescente interesse e che smuove diversi interrogativi: quali vantaggi offrono i ceppi Crabtree negativi? Quali condizioni ne favoriscono l’impiego? Quali vini ne traggono maggiore beneficio?
Tematiche di cui sarà interessante parlare in un prossimo futuro.
Vuoi approfondire il metabolismo dei lieviti nella vinificazione moderna e scoprire come ottimizzare la fermentazione in cantina? Oppure sperimentare strategie fermentative alternative e lieviti non convenzionali?
Continua a leggere i miei approfondimenti. Rimanere informati è il migliore investimento per scelte enologiche di successo!
