Chimica e tecnologia farmaceutiche

MARGHERITA EUFEMI
FABIO ALTIERI

Obiettivi generali
Comprendere il ruolo delle macromolecole nelle cellule o tessuti; -fornire agli studenti conoscenze sulle basi biochimiche e metaboliche dei processi cellulari che avvengono nel corpo umano in condizioni fisiologiche e patologiche, -sviluppare le competenze nella valutazione della condizione patologica da dati di analisi biochimiche.

Obiettivi specifici
1. Conoscenza e capacità di comprensione
Dopo aver completato il corso di Biochimica, lo studente ha incrementato le sue conoscenze scientifiche sulla chimica degli organismi viventi come:
- relazione struttura e funzione delle principali molecole di interesse biologico quali proteine, glucidi, lipidi, acidi nucleici e vitamine.
-I principali meccanismi biochimici delle attività metaboliche e dei meccanismi molecolari dei fenomeni biologici che avvengono nel corpo umano in condizioni fisiologiche e patologiche, anche in rapporto all’azione dei farmaci, inclusi quelli biologici.
- Conoscenze sui meccanismi molecolari alla base delle malattie, utili per il trattamento farmacologico delle varie patologie.

2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Le conoscenze acquisite forniscono la capacità di applicare tali competenze in molti settori come la chimica farmaceutica, medicina, scienze ambientali. Il corso fornisce agli studenti più brillanti, buone capacità di risolvere problemi in questo settore come identificare nuovi bersagli molecolari per lo sviluppo di nuovi trattamenti terapeutici e tecniche diagnostiche, anche su base biotecnologica e ottime capacità di comunicazione.

3. Autonomia di giudizio
Capacità di utilizzare un approccio metodologico di tipo scientifico alle attività di studio e di ricerca, esercitando senso critico e autonomina di giudizio.

4. Abilità comunicative
Durante le lezioni gli studenti saranno coinvolti nella discussione degli argomenti affrontati al fine di verificare la comprensione, l’apprendimento della materia e sviluppare le capacità efficacemente le capacità comunicative.

5. Capacità di apprendimento
Gli studenti acquisiranno la capacità di consultare materiale bibliografico scientifico e banche dati specifiche del settore, al fine di mantenere un aggiornamento continuo delle proprie conoscenze e abilità professionali in rapporto all'avanzamento del settore in ambito sia nazionale che internazionale.
Gli studenti acquisiranno capacità di intraprendere autonomamente studi più avanzati.

Al termine del corso, lo studente dovrà dimostrare di:

Conoscere la struttura, le proprietà chimico-fisiche e la reattività delle principali biomolecole: amminoacidi, proteine, carboidrati, lipidi, nucleotidi.
Comprendere le basi molecolari delle funzioni cellulari, incluse le proprietà delle membrane, i trasporti cellulari e la trasduzione del segnale.
Acquisire conoscenze sui principi della catalisi enzimatica, la cinetica enzimatica e i meccanismi di regolazione.
Conoscere i cofattori e le vitamine coinvolti nelle reazioni biochimiche.
Comprendere il funzionamento delle principali vie metaboliche, il loro significato energetico e biosintetico, e le regolazioni che le coordinano.
Riconoscere il ruolo della biochimica nei processi fisiologici e patologici (incluso l’effetto Warburg nelle cellule tumorali).

Lo studente inoltre sarà in grado di:
Applicare conoscenze chimiche e biochimiche per comprendere il metabolismo e le sue regolazioni.
Interpretare curve di attività enzimatica, curve di saturazione dell’emoglobina, e dati relativi a sistemi tampone.
Risolvere problemi quantitativi (es. calcoli di pH, attività enzimatica, rese energetiche).
Integrare concetti teorici con situazioni biologiche e cliniche (es. deficit enzimatici, disturbi metabolici).
Utilizzare le conoscenze acquisite per comprendere le basi molecolari dell’azione di farmaci e di agenti tossici.
Al termine del corso lo studente dovrà:
Valutare criticamente i dati biochimici in relazione al contesto fisiologico.
Collegare alterazioni biochimiche a condizioni patologiche.
Formulare ipotesi sui meccanismi molecolari sottostanti a fenomeni biologici complessi.

Lo studente acquisirà:
Capacità di aggiornamento continuo nell’ambito biochimico, utile per lo studio di discipline successive (Biochimica applicata, Farmacologia, Biotecnologie farmaceutiche, ecc.).
Autonomia nello studio e nell’approfondimento di testi scientifici.
Abilità di collegare le conoscenze biochimiche ad altre discipline del corso di laurea (Chimica organica, Biologia molecolare, Fisiologia, ecc.).

Per seguire con profitto il corso di Biochimica, lo studente dovrebbe possedere solide conoscenze di base nei seguenti ambiti:

Chimica generale e inorganica:
Struttura dell’atomo, configurazione elettronica, legami chimici
Equilibri chimici, acido-base, ossido-riduzione
Termodinamica chimica (energia libera, entalpia, entropia)
Proprietà delle soluzioni e concetti fondamentali di solubilità, pH e tamponi

Chimica organica:
Struttura e reattività dei principali gruppi funzionali (alcoli, ammine, acidi carbossilici, aldeidi, chetoni, esteri, ammidi)
Concetti base di stereochimica e isomeria
Reazioni fondamentali (nucleofile, elettrofile, condensazioni, idrolisi)
Comprensione del legame peptidico e delle caratteristiche delle biomolecole organiche

Biologia cellulare :
Struttura e funzione della cellula eucariotica e procariotica
Organizzazione degli organelli cellulari e loro ruoli

Queste conoscenze sono fondamentali per comprendere:
Le interazioni molecolari nelle biomolecole
I principi della catalisi enzimatica e delle vie metaboliche
I meccanismi di trasporto, regolazione e trasduzione del segnale
I concetti energetici alla base delle reazioni biochimiche

La chimica del carbonio: gruppi funzionali. Architettura cellulare: l'organizzazione, la struttura e la composizione delle cellule eucariotiche e procariotiche; ruolo funzionale degli organelli subcellulari. Proprieta' chimico-fisiche dell'acqua: struttura, solvatazione, legami idrogeno, interazioni idrofobiche, interazioni di van der Walls, legami ionici, proprieta' colligative, osmosi, diffusione, ionizzazione, chimica acido-base, pH, pK, sistemi tamponi, tamponi biologici del fosfato e del carbonato.
Nucleotidi: struttura e funzione dei nucleotidi, nucleotidi modificati, nucleotidi ciclici. Struttura e funzione degli amminoacidi: Struttura e funzione degli amminoacidi standard e di alcuni amminoacidi non standard, ionizzazione e proprieta' acido-base degli amminoacidi.
Proteine: legame peptidico, struttura primaria, secondaria, terziaria, quaternaria, strutture supersecondarie, domini di disordine intrinseco. Peptidi biologici come il glutatione. Processo del folding proteico, denaturazione e ripiegamento delle proteine, paradosso di Levyntal, struttura e funzione della cheratina, fibroina, collagene; struttura e funzione della mioglobina e dell'emoglobina, struttura dell'eme, curve di saturazione della mioglobina e della emoglobina, allosteria, cooperativita', effetto Bohr, trasporto dell'anidride carbonica, emoglobine patologiche.
Catalisi enzimatica: proprieta' generali degli enzimi, energia di attivazione, meccanismi di catalisi enzimatica, cinetica di reazione dello stato stazionario, equazione di Michelis-Menten, grafico dei doppi reciproci. Inibizione enzimatica. Meccanismi di regolazione dell'attivita' enzimatica.
Coenzimi e vitamine: struttura e funzione del NAD e NADP, FMN, FAD (nelle forme ossidate e ridotte) vitamina A, C, D, E, K, acido lipoico, piridossal fosfato, tiamina pirofosfato, biotina, acido pantotenico, folati, S-adenosil metionina.
Carboidrati: struttura e funzione dei monosaccaridi, disaccaridi, polisaccaridi e glicoconiugati, ruolo degli oligosaccaridi nel riconoscimento e nell’ adesione cellulare; i determinanti antigenici dei gruppi sanguigni, lectine, glicoproteine.
Lipidi: struttura e funzione degli acidi grassi, triacilgliceroli, glicerofosfolipidi, sfingolipidi, prostaglandine, steroli. Lipoproteine. Membrane cellulari: struttura ed organizzazione delle membrane, micelle e doppi strati lipidici, zattere lipidiche, caveole, meccanismi generali della fusione di membrane, proteine di membrana. Meccanismi di trasporto attraverso le membrane: ionofori, canali, pompe, trasportatori del glucosio.
Biosegnalazione: Principali vie cellulari della trasduzione del segnale, recettori associati a proteine G e a secondi messaggeri, AMP ciclico, Ca+2, diacilglicerolo e trifosfato inositolo, recettori enzimatici, canali ionici. Meccanismo di azione dell'adrenalina e glucagone, il meccanismo della visione, meccanismo dell’Insulina e degli ormoni steroidei.
Introduzione al metabolismo: le leggi della termodinamica, energia libera, ruolo dei nucleotidi trifosfati e dei composti fosforilati ad alta energia, reazioni di ossido-riduzione. Metabolismo dei carboidrati: le reazioni della glicolisi, della fermentazione alcolica e lattica, la via del pentosio fosfato, della sintesi e della demolizione del glicogeno, glicogenina, gluconeogenesi. Cenni al Ciclo di Calvin. Ciclo dell'acido citrico: il ciclo dell'acido citrico, struttura e funzione del coenzima A, complesso della piruvato deidrogenasi, ruolo del ciclo dell'acido citrico nell'anabolismo. Trasporto degli elettroni, fotosintesi e fosforilazione ossidativa: catena di trasferimento degli elettroni nel mitocondrio, sintesi mitocondriale ATP, termogenesi. Introduzione al trasporto degli elettroni nei cloroplasti. Metabolismo dei lipidi: assorbimento lipidico: chilomicroni e lipoproteine, ossidazione degli acidi grassi saturi, lineee generali dell'ossidazione degli acidi grassi insaturi o con un numero dispari di atomi di carbonio, corpi chetonici e loro metabolismo, biosintesi degli acidi grassi, biosintesi del colesterolo, linee generali della biosintesi dei triacilgliceroli, dei fosfolipidi di membrana. Metabolismo degli amminoacidi e delle proteine: digestione delle proteine ed assorbimento degli amminoacidi, catabolismo dei gruppi amminici. Escrezione dell'azoto e ciclo dell'urea.
Linee generali del catabolismo degli amminoacidi. Linee generali della biosintesi degli amminoacidi. Metabolismo delle cellule tumorali, effetto Warburg.

La Biochimica di Thomas M. Devlin EdizioneVI/2023
Edises ISBN9788836231300

Fondamenti di biochimica
Donald Voet, Judith G Voet, Charlotte W Pratt
Zanichelli

La didattica frontale prevede:

Lezione svolta in presenza o online da parte del docente
Esposizione verbale dei concetti, con l’ausilio di slide, schemi e materiali visivi
Coinvolgimento attivo degli studenti tramite domande, esempi, brevi quiz
Eventuale uso di lavagna, PowerPoint, video didattici, modelli molecolari, ecc.


Obiettivi come esempio: Comprendere la struttura degli amminoacidi, la classificazione, la struttura proteica, il folding

Contenuti:
Struttura generale degli amminoacidi
Classificazione (polares/non polares, carichi, aromatici...)
Livelli di struttura proteica (primaria → quaternaria)
Mioglobina vs emoglobina, effetto Bohr
Materiale: Slide con strutture, tabelle di classificazione, curve di saturazione
Verifica intermedia: 3 domande orali o quiz a scelta multipla

Strumenti e materiali


Slide PowerPoint con immagini chiare (formule, schemi, strutture 3D)
Video brevi (es. folding proteico, trasduzione del segnale, mitocondri)
Mappe concettuali e tabelle riassuntive
Quiz interattivi su Google Forms
Schede cartacee o PDF per il ripasso

Verifica dell’apprendimento

Domande orali durante la lezione
Mini test a scelta multipla (5-10 domande)
Brevi esercizi scritti (es. completamento, vero/falso, definizioni)
Discussione collettiva di un caso clinico o metabolico (es. effetto Warburg)

Esempio di pianificazione settimanale (estratto)
Settimana Modulo Argomenti Attività
1 Chimica dell’acqua e gruppi funzionali Struttura acqua, legami, proprietà colligative Lezione + quiz
2 Cellule e organelli Procarioti vs eucarioti, mitocondri, RE Lezione + esercizi
3 Amminoacidi e proteine Struttura, folding, emoglobina Lezione + domande orali
4 Enzimi Catalisi, Michaelis-Menten, inibizioni Lezione + grafico + quiz
5 Coenzimi e vitamine NAD+, FAD, vitamine A-D Slide + verifica scritta

Non obbligatoria ma molto consigliata con firme tre volte durante il corso prese casualmente

L’esame orale consiste in un colloquio con il docente volto a verificare della durata di 30-40 minuti.
Conoscenza teorica dei principali argomenti del programma (biomolecole, metabolismo, enzimi, biosegnalazione, ecc.). con relative strutture delle biomolecole e cicli metabolici.
Capacità di collegare concetti biochimici a funzioni cellulari, fisiologiche e patologiche.
Interpretazione e analisi di dati sperimentali come curve enzimatiche e sistemi tampone.
Chiarezza espositiva e capacità di sintesi.
La valutazione si basa su accuratezza, completezza delle risposte e capacità di ragionamento critico.

Descrivi la struttura di un nucleotide.
Qual è il ruolo dei nucleotidi ciclici nella trasduzione del segnale?
Quali sono alcune modificazioni comuni dei nucleotidi e perché sono importanti?

Amminoacidi e proteine
Qual è la struttura generale di un amminoacido?
Come si classificano gli amminoacidi in base alle loro proprietà chimiche?
Descrivi i quattro livelli di struttura di una proteina.
Cos’è il paradosso di Levinthal e cosa ci dice sul folding proteico?
Confronta la struttura e la funzione di mioglobina ed emoglobina.
Che cos'è l'effetto Bohr?

Catalisi enzimatica
Quali sono i principali meccanismi di catalisi enzimatica?
Spiega l’equazione di Michaelis-Menten e il significato dei parametri Km e Vmax.
Quali sono i tipi principali di inibizione enzimatica?
Come avviene la regolazione allosterica di un enzima?

Coenzimi e vitamine
Qual è il ruolo di NAD+, FAD e NADP+ nel metabolismo?
Quali sono le principali funzioni delle vitamine liposolubili?
Descrivi il ruolo della biotina e del TPP.

Carboidrati
Qual è la differenza tra monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi?
Qual è il ruolo dei glicoconiugati nel riconoscimento cellulare?
Come sono coinvolti i carboidrati nei gruppi sanguigni?

Lipidi e membrane
Quali sono i principali tipi di lipidi e la loro funzione?
Cosa sono le zattere lipidiche?
Descrivi i principali meccanismi di trasporto attraverso la membrana.

Biosegnalazione
Qual è la funzione delle proteine G?
Quali sono i principali secondi messaggeri e come funzionano?
Come agisce l’adrenalina a livello molecolare?
Come funziona il meccanismo della visione?

Metabolismo – introduzione
Cosa afferma la prima legge della termodinamica?
Che cosa si intende per energia libera di Gibbs?
Qual è il ruolo dell’ATP come moneta energetica?

Metabolismo dei carboidrati
Quali sono le fasi della glicolisi e i prodotti finali?
Quali sono le principali differenze tra fermentazione lattica e alcolica?
Qual è la funzione della via del pentoso fosfato?
Descrivi la gluconeogenesi: dove avviene e quando è attiva?

Ciclo dell’acido citrico e trasporto elettroni
Qual è il bilancio energetico del ciclo di Krebs?
Quali sono le funzioni del coenzima A e del complesso della piruvato deidrogenasi?
Descrivi il funzionamento della catena di trasporto degli elettroni mitocondriale.

Fotosintesi e fosforilazione ossidativa
Quali sono le fasi principali della fotosintesi?
Come viene prodotto ATP nei cloroplasti?
Che cos’è la termogenesi e come si lega alla catena respiratoria?

Metabolismo dei lipidi
Come avviene l’assorbimento dei lipidi nell’intestino?
Cosa sono i corpi chetonici e in quali condizioni vengono prodotti?
Quali enzimi sono coinvolti nella biosintesi del colesterolo?

Metabolismo degli amminoacidi
Quali sono i principali passaggi del catabolismo degli amminoacidi?
Come funziona il ciclo dell’urea e dove avviene?
Quali sono le fonti per la biosintesi degli amminoacidi?

Metabolismo tumorale
Che cos’è l’effetto Warburg e perché è importante nelle cellule tumorali?
Come differisce il metabolismo di una cellula tumorale da una cellula normale?

• Le lezioni sono organizzate come da presentazione del power point presenti sulla pagina e-learning del corso