Programma
Il corso si articolerà in tre parti:
1. Studio delle proprietà, della struttura e della funzione delle macromolecole biologiche;
2. Principali metodologie utilizzate nel laboratorio biochimico. Lo studio teorico dei metodi sperimentali sarà affiancato dalla proiezione e discussione di video;
3. Principi del metabolismo cellulare, vie metaboliche e loro regolazione.
PARTE 1: Le macromolecole biologiche (22 ore)
Architettura delle cellule (0,5 ore). Cenni sulla struttura della cellula procariotica e della cellula eucariotica. Differenze e similitudini tra cellule animali e vegetali.
Struttura e funzione degli acidi nucleici (1,5 ore). Struttura di nucleosidi e nucleotidi, basi puriniche e pirimidiniche. Struttura del DNA. Ruolo del DNA come vettore dell’informazione genetica. Replicazione del DNA (cenni). Trascrizione (cenni). Ruolo dell’RNA messaggero e dell’RNA transfer nella traduzione delle proteine. Codice genetico. Cenni sul sequenziamento del DNA e sulla tecnologia del DNA ricombinante.
Amminoacidi e proteine (4 ore). Struttura, stereochimica e proprietà acido-base degli amminoacidi. Legame peptidico. Struttura primaria, secondaria (α-elica, foglietti β), terziaria e quaternaria delle proteine. Grafico di Ramachandran. Ripiegamento delle proteine (folding). Denaturazione e rinaturazione delle proteine. Esperimenti di Anfinsen.
Mioglobina ed emoglobina (6 ore). Struttura e funzione. Struttura e ruolo del gruppo prostetico. Equilibrio di legame dell’ossigeno alla mioglobina ed equazione che lo descrive. Legame cooperativo dell’ossigeno all’emoglobina. Equazione di Hill. Modello simmetrico e modello sequenziale dell’allosteria. Effetto Bohr. Effettori allosterici dell’emoglobina (protoni, CO2, 2,3-bisfosfoglicerato). Emoglobina fetale. Cenni sulla struttura degli anticorpi. Legame antigene-anticorpo. Anticorpi catalitici.
Lipidi e membrane biologiche (4 ore). Cenni sulla classificazione e sui ruoli biologici dei lipidi. Struttura e organizzazione delle membrane biologiche. Proteine di membrana. Trasporto passivo facilitato: ionofori e porine. Trasporto attivo. Sistemi di traslocazione: uniporto, simporto, antiporto. Trasporto attivo guidato da ATP: pompa Na+-K+ e Ca2+-ATPasi (Na/K; Ca/H; H/K). Trasporto attivo guidato da gradienti ionici: il trasporto secondario del glucosio nell'epitelio intestinale.
Enzimi (6 ore). Specificità di substrato, stereospecificità, specificità prochirale. Strategie catalitiche (catalisi acido-base, covalente etc.). Cenni su nomenclatura e classificazione degli enzimi. Cinetica enzimatica. Equazione di Michaelis-Menten. Inibizione enzimatica: inibizione competitiva, incompetitiva e mista (equazioni). Esempio di meccanismo catalitico: le proteasi a serina. Regolazione dell’attività enzimatica: regolazione allosterica e modificazioni covalenti.
PARTE 2: Le metodologie biochimiche (4 ore)
Metodologie biochimiche (4 ore). Strategie di purificazione delle proteine. Scelta della fonte. Dosaggio delle proteine. Principali tecniche cromatografiche ed elettroforetiche. Cenni sulla spettrometria di massa. La struttura primaria delle proteine e l’evoluzione molecolare. Cenni sulle tecniche per determinare la struttura tridimensionale delle proteine (cenni sulla cristallografia ai raggi X, sull’NMR e sulla Cryo-EM).
PARTE 3: Il metabolismo (22 ore)
Aspetti generali del Metabolismo (2 ore). Vie cataboliche e anaboliche. Approcci sperimentali allo studio del metabolismo. Le reazioni accoppiate. ATP e potenziale di trasferimento del gruppo fosforico. Reazioni di ossidoriduzione e trasportatori di elettroni (NAD+, NADP+, FAD e FMN). Potenziale redox.
Metabolismo dei carboidrati (4 ore). Glicolisi: reazioni della via glicolitica. Fermentazione omolattica e fermentazione alcolica. Gluconeogenesi. Via del pentoso fosfato: reazioni della fase ossidativa e generalità sulla fase non ossidativa. Regolazione coordinata della glicolisi e della gluconeogenesi (ruolo del fruttosio 2,6 bisfosfato e controllo ormonale). Cenni sul metabolismo del glicogeno: degradazione e sintesi.
Complesso multienzimatico della piruvato deidrogenasi (2 ore). Cenni sulla struttura. Meccanismo di reazione della piruvato deidrogenasi.
Ciclo dell’acido citrico (4 ore). Reazioni del ciclo. Ruolo anfibolico e reazioni anaplerotiche. Cenni sulla regolazione.
Metabolismo dei lipidi (4 ore). Attivazione e degradazione degli acidi grassi. Cenni sui corpi chetonici, biosintesi degli acidi grassi e ciclo del gliossilato.
Metabolismo degli amminoacidi (4 ore). Ruolo e meccanismo d’azione delle transaminasi. Deamminazione ossidativa del glutammato. Cenni sul ciclo dell’urea. Cenni sulla degradazione degli aminoacidi. Cenni sul ruolo e struttura dei trasportatori di unità monocarboniose (tetraidrofolato e adenosilmetionina).
Trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa (2 ore). Generalità sui trasportatori degli elettroni. Cenni sul funzionamento dei complessi I-IV. Generazione della forza motrice protonica. Struttura e meccanismo dell’ATP sintasi (catalisi rotazionale).
ATTENZIONE: Per ulteriore chiarezza, si specifica che è richiesta la conoscenza delle formule di struttura delle seguenti molecole di interesse biochimico:
• I 20 amminoacidi (GALVIPFYHWKRDENQCSTM) e il legame peptidico
• Ossi e desossi-nucleotidi e legame fosfodiesterico nel R(D)NA.
• ATP e GTP, cAMP e cGMP
• Glucosio (forma ciclica α e β; legami α e β glicosidici), fruttosio
• Triacilgliceroli, glicerolo-3-fosfato, glicerofosfolipidi, sfingosina, sfingolipidi
• NAD(P)+/NAD(P)H; FAD/FADH; FMN; Q/QH2
• Coenzima-A, eme (protoporfirina IX), piridossal-5’-fosfato (PLP)
• Gli intermedi delle seguenti vie metaboliche: glicolisi, fermentazione omolattica e alcolica, gluconeogenesi, via dei pentosi fosfato (solo fase ossidativa), ciclo di Krebs (incluso meccanismo di reazione della piruvato deidrogenasi), attivazione e -ossidazione degli acidi grassi. Le strutture degli intermedi delle vie metaboliche indicate nel programma come “cenni” non devono essere conosciute.
Prerequisiti
INDISPENSABILE. Conoscenza dei concetti di base della chimica generale e della chimica organica. In particolare, è necessario conoscere: a) le proprietà dei principali gruppi funzionali; b) il meccanismo delle reazioni di sostituzione e addizione nucleofila, eliminazione, addizione elettrofila, e reazioni redox; c) il concetto di acido, base e di pH; d) le proprietà delle soluzioni tampone.
UTILE. Principi della cromotografia e dell'elettroforesi
CONSIGLIABILE. Struttura della cellula eucariotica e procariotica
Testi di riferimento
“Principi di Biochimica” Voet, Voet, Pratt - Zanichelli
Diapositive delle lezioni messe a disposizione sulla piattaforma ELearnig2
Modalità insegnamento
Le lezioni si tengono normalmente in presenza.
Tuttavia, in caso di specifiche disposizioni governative e regionali legate all'emergenza COVID-19, in alcuni periodi le lezioni potrebbero svolgersi in modalità mista (in presenza e a distanza).
Il corso sarà svolto tramite lezioni frontali teoriche (44 ore) ed esercitazioni teoriche in classe (4 ore).
Lezioni frontali:
1) Svolgimento di un test d’ingresso anonimo per la valutazione delle conoscenze di base. Correzione e discussione del test. Spiegazione dei concetti che costituiscono i prerequisiti del corso, su richiesta degli studenti e in base ai risultati del test.
2) Spiegazione degli argomenti oggetto del programma tramite proiezione di diapositive e materiale audiovisivo. Questo modello didattico è volto a fornire la conoscenza teorica della Biochimica.
3) Discussioni aperte degli argomenti di lezione, durante le quali gli studenti sono chiamati a intervenire, che hanno lo scopo di sviluppare le capacità di comunicazione, critica e giudizio.
Esercitazioni teoriche in classe:
1) Proiezione e discussione di video sulla purificazione delle proteine (2 ore in classe)
2) Proiezione e discussione di video sull'elettroforesi (2 ore in classe)
Le esercitazioni hanno lo scopo di approfondire i concetti teorici studiati a lezione, anche tramite esercitazioni numeriche, e di metterli in pratica.
Frequenza
La frequenza non è obbligatoria ma è fortemente raccomandata.
Modalità di esame
L'esame di valutazione di Biochimica, che si svolge al termine dell’insegnamento, è orale anche se prevede la scrittura di strutture chimiche, grafici e schemi.
Si articola in tre fasi della durata di circa 10 minuti ciascuna, che hanno uguale peso nella valutazione complessiva. Le tre fasi dell’interrogazione vertono sulle parti del programma: le macromolecole biologiche, le metodologie biochimiche e il metabolismo.
In generale, la preparazione dello studente sarà valutata in base alla sua capacità di descrivere i processi biochimici in modo chiaro e scientificamente rigoroso e di saper collegare i vari argomenti, dimostrando di aver compreso la logica biochimica dei viventi.
In particolare, allo studente sarà richiesta: la conoscenza della struttura e della funzione delle principali classi di macromolecole biologiche (33%); la capacità di spiegare le principali vie metaboliche in termini di reazioni chimiche, riconoscendo e riproducendo le strutture dei metaboliti (33%); la capacità di spiegare i principi e le applicazioni delle più comuni metodologie biochimiche (33%).
Ai fini della valutazione complessiva della preparazione dello studente, saranno prese in considerazione anche le capacità di comunicazione, critica e giudizio.
Bibliografia
Non prevista
Modalità di erogazione
Le lezioni si tengono in presenza.
Il corso sarà svolto tramite lezioni frontali ed esercitazioni guidate in classe in presenza del docente.
Lezioni frontali:
1) Spiegazione degli argomenti oggetto del programma , divisi in moduli di apprendimento, tramite proiezione di diapositive e materiale audiovisivo. Questo modello didattico è volto a fornire un'approfondita conoscenza teorica della Biochimica.
2) Discussioni aperte degli argomenti di lezione, durante le quali gli studenti sono chiamati a intervenire, che hanno lo scopo di sviluppare le capacità di comunicazione, critica e giudizio. In questi frangenti, il docente suggerisce collegamenti tra diversi moduli di apprendimento, ponendo domande alle quali gli studenti sono chiamati a rispondere singolarmente.
Esercitazioni teoriche in classe:
1) Svolgimento di un test d’ingresso anonimo per la valutazione delle conoscenze di base. Correzione e discussione del test. Spiegazione dei concetti che costituiscono i prerequisiti del corso, su richiesta degli studenti e in base ai risultati del test.
2) Proiezione e discussione di video sugli argomenti trattati a lezione, con lo scopo di richiamare, rielaborare e discutere le conoscenze acquisite.
3) Ogni modulo di insegnamento sarà seguito da un test anonimo di valutazione con domande a risposta multipla. Alla fine del test gli studenti potranno verificarne autonomamente i risultati. Comunque i risultati, in forma aggregata, saranno sempre discussi dal docente, che spiegherà il significato delle domande e indicherà quali sono le risposte giuste, facendo seguire anche un richiamo alle lezioni svolte. I test sono formulati anche in modo di sviluppare la capacità di applicare le conoscenza apprese a problematiche biochimiche.
Le esercitazioni hanno lo scopo di approfondire ed elaborare i concetti teorici studiati a lezione, anche tramite esercitazioni numeriche, e di metterli in pratica, sviluppando le capacità metacognitive.