Scienze Chimiche

Contenuti del corso. Il corso si articolerà in una prima parte dedicata allo studio delle proprietà, della struttura e della funzione delle macromolecole biologiche. Nella seconda parte saranno prese in esame le principali metodologie utilizzate nel laboratorio biochimico. Lo studio teorico dei metodi sperimentali sarà affiancato da esercitazioni in classe, con proiezione e discussione di video e calcoli numerici. L’ultima parte del corso sarà dedicata ai principi, ai meccanismi e alla regolazione del metabolismo cellulare. PARTE 1: Le macromolecole biologiche 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. Ruolo dell’RNA messaggero e dell’RNA transfer nella traduzione delle proteine. Codice genetico. Amminoacidi e proteine (4). Struttura degliamminoacidi. Struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria delle proteine. Mioglobina ed emoglobina (6 ore). Ruolo fisiologico. Struttura terziaria e quaternaria. Cooperatività del legame con l’ossigeno. Modelli allosterici concertato e sequenziale. Effetto Bohr ed effettori allosterici. Emoglobine patologiche e malattie molecolari. Enzimologia (6 ore). Caratteristiche generali degli enzimi. Teoria generale della catalisi enzimatica. Cinetica enzimatica. Meccanismi d’inibizione reversibile. Meccanismi di catalisi enzimatica. Ruolo di vitamine e coenzimi nella catalisi. Regolazione dell’attività enzimatica. Lipidi (4 ore). Struttura e funzione. Membrane biologiche. Vitamine liposolubili. PARTE 2: Le metodologie biochimiche. Metodologie biochimiche (4 ore). Strategie di purificazione delle proteine. Dosaggio delle proteine. Tecniche cromatografiche ed elettroforetiche. Spettrometria di massa. Dosaggio degli enzimi. Tecniche per determinare la struttura primaria e la struttura tridimensionale delle proteine. PARTE 3: Il metabolismo. Aspetti generali del metabolismo (2 ore). Principi fondamentali della termodinamica applicati ai sistemi biologici. Ruolo dell’ATP e dei composti ad alta energia nel metabolismo energetico. Trasportatori di elettroni. Reazioni di ossidoriduzione. Meccanismi di regolazione metabolica. Vie metaboliche e loro regolazione (20 ore). Glicolisi, fermentazione alcolica e omolattica. Via dei pentosi fosfato. Gluconeogenesi. Ciclo di Cori. Cenni sul metabolismo del glicogeno. Piruvato deidrogenasi. Ciclo degli acidi tricarbossilici. Ciclo del gliossilato. Degradazione degli acidi grassi e cenni sulla loro sintesi. Corpi chetonici. Metabolismo dell’azoto proteico e degradazione degli amminoacidi. Cenni sul ciclo dell’urea e sui trasportatori di unità monocarboniose. Catena di trasporto degli elettroni. Fosforilazione ossidativa.

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; c) il concetto di acido, base e di pH; d) le proprietà delle soluzioni tampone.

Appling D.R., Anthony-Cahill. BIOCHIMICA. MOLECOLE E METABOLISMO. Pearson Voet, Voet, Pratt. PRINCIPI DI BIOCHIMICA. Zanichelli

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.

La frequenza non è facoltativa

L'esame di Biochimica, che si svolge al termine dell’insegnamento, è orale e si articola in tre fasi della durata di circa 10 minuti ciascuna. 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; la capacità di spiegare le principali vie metaboliche in termini di reazioni chimiche, riconoscendo e riproducendo le strutture dei metaboliti; la capacità di spiegare i principi e le applicazioni delle più comuni metodologie biochimiche. Ai fini della valutazione complessiva della preparazione dello studente, saranno prese in considerazione anche le capacità di comunicazione, critica e giudizio.

Non prevista

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.

Architettura delle cellule: Cenni sulla struttura della cellula procariotica e della cellula eucariotica. Differenze e similitudini tra cellule animali e vegetali. Struttura e funzione degli acidi nucleici: Struttura di nucleosidi e nucleotidi, basi puriniche e pirimidiniche. Struttura del DNA. DNA come vettore dell’informazione genetica. Replicazione del DNA. Trascrizione. Codice genetico. Sintesi proteica. Tecnologie del DNA ricombinante (cenni) Struttura delle Proteine: 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. Indice idropatico. Ripiegamento delle proteine (folding). Metodi per la Denaturazione e rinaturazione delle proteine. Esperimenti e dogma di Anfinsen. Paradosso di Levinthal. Metodi per lo studio del folding e patologie legate al mis-folding (cenni) Metodologie biochimiche: Espressione eterologa in E. coli (cenni). Strategie di purificazione delle proteine. Tecniche cromatografiche ed elettroforetiche. La struttura primaria delle proteine e la evoluzione molecolare. Cenni sulle tecniche per determinare la struttura delle proteine. Mioglobina ed emoglobina: 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 (protone, CO2, 2,3-bisfosfoglicerato). Alcune patologie molecolari dell'emoglobina Actina e Miosina: Struttura delle proteine coinvolte e meccanismo della contrazione muscolare ATP e Ca dipendente. Anticorpi: Struttura degli anticorpi. Classi delle immunoglobuline. Legame antigene-anticorpo. Cenni sulle tecniche di laboratorio basate su anticorpi. Cenni sulla produzione di anticorpi monoclonali mediante topi transgenici. Carboidrati: struttura e funzione dei glucidi. Monosaccaridi e Disaccaridi. Legame glicosidico (configurazioni α e β). Zuccheri riducenti e non riducenti. Polisaccaridi: cellulosa, amido, pectina, peptidoglicano. Differente organizzazione della parete cellulare nei batteri Gram positivi e Gram negativi. Penicillina. Glicosilazione delle proteine. Glicolipidi. Lipidi e membrane biologiche: Cenni sulla classificazione e sui ruoli biologici dei lipidi. Struttura e organizzazione delle membrane biologiche. Proteine di membrana. Trasporto di membrana: Trasporto passivo facilitato: Ionofori. Porine. Trasporto attivo. Sistemi di traslocazione: uniporto, simporto, antiporto. Trasporto attivo guidato da ATP: ATPasi di tipo P (Na/K; Ca/H; H/K), V e F. Trasportatori ABC. Cenni sul trasporto del glucosio Enzimi: Specificità di substrato, stereospecificità. Cofattori. Strategie catalitiche: catalisi acido-base (RNAsi), covalente (Proteasi a serina, enzimi PLP dipendenti), ioni metallici (anidrasi carbonica, cluster Fe-S). Cenni su nomenclatura e classificazione degli enzimi. Cinetica enzimatica: Equazione di Michaelis-Menten. Inibizione enzimatica: irreversibile e reversibile (competitiva, acompetitiva e mista). Cenni sulla regolazione dell’attività enzimatica: regolazione allosterica (ATCasi) e modificazioni covalenti (Fosforilazione). La trasduzione del segnale: Ormoni. Proteine e recettori con attività tirosina chinasica (PTK e RTK). Chinasi non recettoriali. Le Proteine G. Recettori associati a proteine G (GPCR). La via del fosfoinositide. Aspetti generali del Metabolismo: Vie cataboliche e anaboliche. Controllo del flusso metabolico: Reazioni enzimatiche vicine all’equilibrio o irreversibili (gates). ATP e composti ad alta energia. Potenziale di trasferimento del gruppo fosforico. Le reazioni accoppiate. Reazioni di ossidoriduzione e trasportatori di elettroni (NAD+, NADP+, FAD). Glicolisi: Reazioni della via glicolitica. Fermentazione omolattica e fermentazione alcolica. Glicogenolisi. Cenni sul metabolismo del glicogeno Gluconeogenesi. Reazioni irreversibili della gluconeogenesi. Regolazione coordinata della glicolisi e della gluconeogenesi (ruolo del fruttosio- 2,6-bisfosfato e controllo ormonale). Ciclo dell’acido citrico: Complesso multienzimatico della piruvato deidrogenasi. Cenni sulla struttura. Meccanismo catalitico della piruvato deidrogenasi. Reazioni del ciclo. Cenni sulla regolazione del ciclo dell’acido citrico. Trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa: Generalità sui trasportatori degli elettroni. Cenni sulla struttura, cofattori e funzionamento dei complessi I-IV. Generazione della forza motrice protonica. Struttura e meccanismo dell’ATP sintasi (catalisi rotazionale). Cenni sui sistemi di trasporto navetta malato-aspartato e glicerolo-3-fosfato La fotosintesi: I cloroplasti. Clorofilla e caroteni. Reazioni alla luce: fotosintesi e catena di trasporto degli elettroni lineare e ciclica (fotosistemi I e II, citocormo b6f, ferredossina, ferredossina-NADP-reduttasi). Reazioni indipendenti dalla luce: ciclo di Calvin (fase 1 e cenni sulla fasi 2 e 3). Struttura e funzione della RuBisCO e cenni sulla sua regolazione. Metabolismo dei lipidi: β-ossidazione degli acidi grassi. Cenni sui corpi chetonici, biosintesi degli acidi grassi e sintesi del colesterolo. Il metabolismo degli amminoacidi: La degradazione delle proteine. La deamminazione degli amminoacidi. Il ciclo dell’urea. Cenni sulla sintesi e degradazione degli aminoacidi e sui derivati del loro metabolismo (neurotrasmettitori, eme)

Gli studenti dovranno possedere le conoscenze di base della chimica generale e inorganica e di chimica organica, della fisica, matematica e biologia. Sono prerequisiti richiesti la comprensione dei legami chimici, della stechiometria di reazione e dei gruppi funzionali presenti nelle molecole inorganiche e organiche. Sono altresì richieste competenze sulla reattività dei gruppi funzionali e su come la struttura di una molecola influenzi la sua capacità di reazione. Lo studente infine deve aver anche acquisito conoscenze minime sulla struttura della cellula e dei vari compartimenti cellulari così come sulla organizzazione e funzione dei principali organi e tessuti.

Uno tra: • D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt: “Fondamenti di Biochimica” Zanichelli, Ed. • D.L. Nelson, M.M. Cox” Introduzione alla biochimica di Lehninger" Zanichelli, Ed. • D.L. Nelson, M.M. Cox” I principi di Biochimica di Lehninger” Zanichelli, Ed. • C.K. Mathews, K.E. van Holde D.R Appling S.J. Antony-Cahill: “Biochimica” Piccin Ed. • J. M. Berg, J.L.Tymoczko, L. Stryer: “Biochimica” Zanichelli, Ed. • R.H.Garret C.M Grisham" Biochimica " Piccin Ed. • J. Koolman K.H.Roehm "Testo atlante di biochimicaSeconda" Zanichelli, Ed. • T. M. Delvin "La Biochimica" EdiSES, Ed.

frequenza fortemente consigliata

Modalità esame: Orale L'esame viene svolto mediante l'utilizzo delle Biochemistry Cards. Le 52 carte coprono tutti gli argomenti affrontati nel corso (24 lezioni). L’elenco completo delle carte è a disposizione nella cartella contenente le lezioni. Ogni carta rappresenta solo un PUNTO DI PARTENZA da cui iniziare ad argomentare. Ci sono anche 2 Jolly (argomento a piacere). L’esame consta di 2 domande: I domanda: pescare 1 carta e parlare dell’argomento correlato. II domanda: pescare 3 carte e collegare tra loro sinteticamente gli argomenti relativi. E' possibile cambiare 1 delle 3 carte.

Il corso si svolge mediante lezioni frontali

Architettura delle cellule. Cenni sulla struttura della cellula procariotica e della cellula eucariotica. Differenze e similitudini tra cellule animali e vegetali. Struttura delle Proteine. 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. Indice idropatico. Ripiegamento delle proteine (folding). Denaturazione e rinaturazione delle proteine. Esperimenti e dogma di Anfinsen. Paradosso di Levinthal. Mioglobina ed emoglobina. 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 (protone, CO2, 2,3-bisfosfoglicerato). Alcune patologie molecolari dell'emoglobina. Anticorpi. Cenni sulla struttura degli anticorpi. Legame antigene-anticorpo. Struttura e funzione degli acidi nucleici. Struttura di nucleosidi e nucleotidi, basi puriniche e pirimidiniche. Struttura del DNA. DNA come vettore dell’informazione genetica. Replicazione del DNA. Trascrizione. Codice genetico. Sintesi proteica. Tecnologie del DNA ricombinante (cenni) Struttura e funzione dei glucidi. Zuccheri riducenti e non riducenti. Monosaccaridi. Legame glicosidico (configurazioni α e b). Disaccaridi e polisaccaridi. Glicoproteine. Metodologie biochimiche. Strategie di purificazione delle proteine. Scelta della fonte. Dosaggio delle proteine. Tecniche cromatografiche ed elettroforetiche. La struttura primaria delle proteine e la evoluzione molecolare. Cenni sulle tecniche per determinare la struttura delle proteine. Lipidi e membrane biologiche. Cenni sulla classificazione e sui ruoli biologici dei lipidi. Struttura e organizzazione delle membrane biologiche. Proteine di membrana. Ionofori. Porine. Proteine trasportatrici. Sistemi di traslocazione: uniporto, simporto, antiporto. Cenni sul trasporto del glucosio. Trasporto attivo guidato da ATP: sodio-potassio ATPasi. Enzimi. Specificità  di substrato, stereospecificità. Strategie catalitiche (catalisi acido-base, covalente). Ruolo delle vitamine e dei coenzimi nella catalisi. Cenni su nomenclatura e classificazione degli enzimi. Cinetica enzimatica. Equazione di Michaelis-Menten. Inibizione enzimatica. Esempio di meccanismo catalitico: le proteasi a serina. Regolazione dell’attività  enzimatica: regolazione allosterica e modificazioni covalenti. Aspetti generali del Metabolismo. 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. Glicolisi. Reazioni della via glicolitica. Fermentazione omolattica e fermentazione alcolica. Gluconeogenesi. Regolazione coordinata della glicolisi e della gluconeogenesi (ruolo del fruttosio- 2,6-bisfosfato e controllo ormonale). Cenni sul metabolismo del glicogeno. Complesso multienzimatico della piruvato deidrogenasi. Cenni sulla struttura. Meccanismo catalitico della piruvato deidrogenasi. Ciclo dell’acido citrico. Reazioni del ciclo. Ruolo anfibolico e reazioni anaplerotiche. Cenni sulla regolazione. Metabolismo dei lipidi. -ossidazione degli acidi grassi. Trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa. 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).

Gli studenti dovranno possedere le conoscenze di base della chimica generale e inorganica e di chimica organica, della fisica, matematica e biologia. Sono prerequisiti richiesti la comprensione dei legami chimici, della stechiometria di reazione e dei gruppi funzionali presenti nelle molecole inorganiche e organiche. Sono altresì richieste competenze sulla reattività dei gruppi funzionali e su come la struttura di una molecola influenzi la sua capacità di reazione. Lo studente infine deve aver anche acquisito conoscenze minime sulla struttura della cellula e dei vari compartimenti cellulari così come sulla organizzazione e funzione dei principali organi e tessuti.

• D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt: “Fondamenti di Biochimica” Zanichelli, Ed. • D.L. Nelson, M.M. Cox” Introduzione alla biochimica di Lehninger" Zanichelli, Ed. • D.L. Nelson, M.M. Cox” I principi di Biochimica di Lehninger” Zanichelli, Ed. • C.K. Mathews, K.E. van Holde D.R Appling S.J. Antony-Cahill: “Biochimica” Piccin Ed. • J. M. Berg, J.L.Tymoczko, L. Stryer: “Biochimica” Zanichelli, Ed. • R.H.Garret C.M Grisham" Biochimica " Piccin Ed.

Il corso si articola in lezioni frontali. Sono previsti 6 CFU di lezioni frontali (48 ore) in aula. Le lezioni di didattica frontale sono lo strumento principale per la trasmissione di informazioni sulla struttura, funzioni e trasformazioni delle biomolecole (i.e. glucidi e polisaccaridi, lipidi e membrane, amminoacidi e proteine, nucleotidi e acidi nucleici).

Non obbligatoria

È richiesto al candidato di padroneggiare i contenuti del corso evidenziando capacità di analisi, comprensione e valutazione di grafici, di rappresentazione mediante formula di metaboliti e di meccanismi di reazione catalizzati da enzimi.

Disponibile sulle slide delle lezioni e sulla pagina moodle del corso

Il corso si articola in lezioni frontali. Sono previsti 6 CFU di lezioni frontali (48 ore) in aula. Le lezioni di didattica frontale sono lo strumento principale per la trasmissione di informazioni sulla struttura, funzioni e trasformazioni delle biomolecole (i.e. glucidi e polisaccaridi, lipidi e membrane, amminoacidi e proteine, nucleotidi e acidi nucleici).