Catalogo dei Corsi di studio

Italiano
L’insegnamento ha lo scopo di fornire una adeguata conoscenza delle principali classi di sostanze biosintetizzate dagli organismi viventi classificabili come metaboliti secondari. Allo scopo di conferire allo studio un carattere strettamente logico, la trattazione delle varie classi di molecole è sviluppata in relazione alle tre fondamentali vie biosintetiche (le vie dell’acetato, dello shikimato e del mevalonato) che sono alla base della loro formazione, dedicando una giusta attenzione ai meccanismi implicati nei vari stadi delle trasformazioni. Nel contesto della metodologia appena descritta gli obiettivi che si intendono conseguire sono i seguenti:
I. raggiungimento da parte degli studenti di un adeguato grado di conoscenza specializzata (intesa come capacità di classificare le strutture di metaboliti secondari, collegandole alla corretta via biosintetica di provenienza; richiamare regole; saper distinguere e commentare la diversa strategia sintetica adottata dagli organismi viventi rispetto a quella comunemente praticata nella chimica di laboratorio nell’ambito di reazioni implicanti sostituzioni nucleofile aciliche, processi tautomerici e reazioni di disidratazione), da gestire con buon livello di autonomia per comprendere contenuti inerenti argomenti di chimica delle sostanze organiche naturali incontrati nella bibliografia di tipo primario e secondario (libri di testo e articoli scientifici);
II. conseguimento di una adeguata capacità di analisi degli schemi di reazione implicati nella formazione dei metaboliti secondari trattati, così come dei connessi aspetti stereochimici, sapendone discutere le varie fasi costitutive sotto l’aspetto meccanicistico;
III. conseguimento di una adeguata abilità nella scrittura degli stadi reattivi implicati dalle tre vie biosintetiche di base (quelle dell’acetato, dello shikimato e del mevalonato);
IV. capacità di stabilire interconnessioni logiche tra gli argomenti studiati nell’ambito del presente insegnamento e in corsi strettamente affini (come quelli di Biochimica, Farmacognosia, Botanica Farmaceutica, Chimica Farmacologica e Tossicologica, ecc);
V. aver maturato autonomia nella capacità di scambiare opinioni, idee e informazioni inerenti gli argomenti studiati nell’ambito del presente insegnamento.

Programma

A - Introduzione:
Forme di metabolismo messe in atto negli organismi viventi - distinzione tra metabolismo primario e secondario; argomenti di studio della Biochimica e della Chimica delle Sostanze Organiche Naturali; via del carbonio; mattoni biosintetici: frammenti C1, C2, C5, C6C3 (C6C2, C6C1), C6C2N, C4N, C5N; origine dei mattoni biosintetici.
B - Tipici meccanismi di costruzione implicati nelle vie metaboliche e analogie riscontrate rispetto alla chimica organica di laboratorio. Reazioni: 1) di alchilazione; 2) di trasposizione; 3) tipo aldolica e Claisen; 4) retro-aldoliche e retro-Claisen; 5) di carbossilazione; 6) di decarbossilazione; 7) di transaminazione; 8) di ossidoriduzione enzimatiche (ossidazioni tramite deidrogenasi, ossidasi, mono-ossigenasi, diossigenasi, ammino-ossidasi); 9) di ossidazione tipo Bayer-Villiger; 10) di accoppiamento ossidativo di fenoli; 11) di glicosilazione.
C - Classi di sostanze naturali (metraboliti secondari) e loro biosintesi.
C1 - Via dell’acetato.
Biosintesi di acidi grassi: saturi (meccanismo d’azione dell’enzima acido grasso sintetasi e classi di composto nelle quali questi sono incorporati); insaturi, con doppi legami (in posizione 2,3 e configurazione trans; in posizione 3,4 e configurazione cis; insaturazioni introdotte da desaturasi: formazione di acido oleico, linoleico, gamma- e alfa-linolenico, acido arachidonico, acido eicosapentaenoico, acido docosapentaenoico, acido docosaesanoico, acido ricinoleico, acido vernolico); insaturi, con tripli legami (acidi grassi acetilenici, p.e. acido deidromatricaria); a catena ramificata.
Biosintesi di: prostaglandine PGGx, PGHx, PGEx, PGDx, PGFx, PGAx, PGBx, PGCx, PGI2/3, x=serie 1, 2 e 3; trombossani TXAx, TXBx, x=serie 1, 2 e 3; leucotrieni LTA4, LTB4, LTC4, LTD4, LTE4.
Meccanismo d’azione iterativo e non iterativo dell’enzima polichetide sintetasi.
Biosintesi di polichetidi aromatici: acido orsellinico; floracetofenone; alternariolo; acido 6-metilsalicilico; acido lecanorico; antrachinoni; sennosidi; antroni; ipericina; patulina; stilbeni; calconi; flavonoidi; catechine; antocianidine; cannabinoidi; aflatossine; tetracicline; antracicline; uruscioli; alcaliodi chinolinici (4-idrossi-2-chinolone) e acridinici (1,3-diidrossi-N-metilacridone).
Biosintesi di polichetidi macrolidici: eritromicine; spiramicine; macrolidi polienici (amfotericine); macrolidi ansa (ansamicine); polichetidi lineari; polieteri; statine.
C2 - Via dello shikimato.
Biosintesi di acido shikimico, corismico e prefenico.
Biosintesi di acidi benzoici a partire da acido 3-deidroshikimico: acido gallico (gallotannini); acido protocatechico; acido salicilico; acido 4-idrossibenzoico.
Biosintesi degli amminoacidi L-triptofano, L-fenilalanina, L-tirosina.
Biosintesi di catecolammine; melanine; acidi cinnamici; lignani, neolignani e lignina; flavonoidi, isoflavonoidi e stilbeni (naringenina, cianidina, afzalechina, epicatechina e tannini, genisteina, cumestrolo, resveratrolo); fenilpropanoidi (cinnamaldeide, anetolo, eugenolo, miristicina); acidi benzoici; cumarine (cumarina, umbeliferone, scopolina, dicumarolo, psoraleni).
C3 - Via del mevalonato.
Biosintesi di acido mevalonico, isopentenil pirofosfato e dimetilallil pirofosfato.
Generazione di: emiterpeni (isoprene e 2-metil-3-buten-2-olo); monoterpeni lineari (geranil, linalil e neril pirofosfato e loro diretti derivati) e ciclici (alfa-terpineolo, limonene, cineolo, car-3-ene, alfa- e beta-pinene, fencolo, fencone, borneolo, canfora e canfene); iridoidi (nepetalattone, valtrato); sesquiterpeni (farnesil pirofosfato e suoi derivati generati per ciclizzazione dei cationi di configurazione (E,E) e (E,Z) formati per perdita dell’anione pirofosfato); diterpeni (geranilgeranil pirofosfato e suoi derivati , formati per sua ciclizzazione gestita dall’enzima: tassolo, forbolo, steviosidi, acido abietico, gibberelline); sesterterpeni (geranilfarnesil pirofosfato e i suoi derivati ofiobolina A e scalarina); triterpeni (squalene, i suoi derivati lanosterolo e cicloartenolo generati dal catione protosterile, e gli ulteriori derivati lupeolo, eufolo e alfa e beta amirina, generati dal catione dammerenile; strutture stereoidee generate per progressiva modificazione della molecola di lanosterolo, saponine stereoidee, glicosidi cardioattivi, fitosteroli, stanolesteri, ecdisoni, acidi biliari, corticosteroidi, estrogeni, androgeni); tetraterpeni (Z-fitene, licopene, carotenoidi).
D - Alcaloidi.
Classificazione, basata su: a) famiglia di appartenenza della pianta da cui sono estratti; b) amminoacido di provenienza; c) tipo di struttura eterociclica presente nella molecola.
Approfondimenti riguardanti alcuni esempi di rilievo. Biosintesi di: nicotina; piperina; atropina e cocaina; efedrina e mescalina; papaverina e morfina; stricnina, caffeina e teobromina.

Testi adottati

Dewick, P. M.: Chimica, biosintesi e bioattività delle sostanze naturali, Piccin Nuova Libraria SpA, Padova, 2012. ISBN: 882992234X.
in alternativa,
Hanson, J. R.: Natural products, the secondary metabolites, Royal Society of Chemistry, Cambridge, 2003. ISBN 0-85404-490-6.

Prerequisiti

Al fine di garantire un’adeguata comprensione dei contenuti proposti nelle lezioni e conseguire gli obiettivi di apprendimento che sono oggetto dell’insegnamento, è indispensabile che come prerequisito lo studente sia in possesso di adeguate conoscenze di base di Chimica Organica, con particolare riferimento ai meccanismi con cui si compiono sostituzioni nucleofile alifatiche e aciliche, sostituzioni elettrofile aromatiche, ossidazioni di Bayer-Villiger, reazioni di decarbossilazione, reazioni aldoliche e di Claisen.

Modalità di valutazione

Lo studente è invitato ad esporre alla lavagna i vari stadi reattivi di cui si compone la biosintesi di una delle classi di sostanze organiche naturali sorteggiata tra tutte quelle estesamente trattate a lezione, discutendo, su richiesta del docente, aspetti meccanicistici con cui parte delle trasformazioni della via metabolica selezionata si compiono nel sistema biologico in considerazione.