OBIETTIVI FORMATIVI

Lo scopo principale dell'insegnamento  è quello di fornire agli studenti conoscenze approfondite sui principali processi biochimici e sui sistemi di controllo metabolico che avvengono nei sistemi biologici, in modo che possano essere applicate per comprendere le risposte cellulari e dell'organismo in condizioni fisiologiche e le loro alterazioni in alcuni stati patologici utilizzati come modello (diabete, tumori). Il Laboratorio teorico-pratico si prefigge di fornire allo studente competenze di base per l’utilizzo di alcune fondamentali tecniche sperimentali biochimiche attraverso esperienze pratiche in laboratorio.

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

Al termine dell'insegnamento lo studente dovrà:

• conoscere in modo approfondito le principali macromolecole presenti all’interno degli organismi viventi,  dimostrando di avere compreso come le proprietà chimiche e fisiche influenzano la loro funzione;
• applicare le differenze chimico-fisiche delle macromolecole per la loro analisi e separazione nella pratica di laboratorio;
• riconoscere i principali tipi di reazioni chimiche che avvengono all’interno degli organismi, di spiegarne i meccanismi e le variazioni energetiche; disegnare correttamente le formule di struttura dei principali intermedi metabolici.
• conoscere i meccanismi di catalisi e cinetica enzimatica ed essere in grado di applicarli nella pratica di laboratorio
• conoscere la bioenergetica cellulare ed essere in grado di analizzare criticamente le differenze nei diversi organismi (procarioti, animali e vegetali)
• conoscere le principali vie metaboliche, il loro significato funzionale e i meccanismi di regolazione
• applicare le conoscenze acquisite sui meccanismi generali di regolazione metabolica per spiegare le principali differenze tra cellule animali e vegetali
• applicare queste conoscenze per spiegare le risposte cellulari e dell'organismo nei mammiferi in risposta all'azione di ormoni, durante il digiuno e lo stato alimentato, e le loro alterazioni in alcuni stati patologici utilizzati come modello (diabete, cellule tumorali)
• fornire esempi di applicazioni biotecnologiche di processi biochimici
• saper descrivere i processi biochimici in modo adeguato e con una terminologia corretta per l'identificazione delle molecole

PREREQUISITI

Lo studente deve avere conoscenze adeguate di chimica generale e organica. L’esame di Chimica organica è propedeutico all’esame di Biochimica

MODALITA' DIDATTICHE

L’insegnamento si compone di lezioni frontali su argomenti di Biochimica generale svolte dalle Proff. Bruzzone e Tonetti, per un totale di 64 ore, e di una parte di Laboratorio teorico-pratico (32 ore).

Il Laboratorio teorico-pratico sarà tenuto dai Proff. Sturla e Piacente, coadiuvati da  tutors, presso il Polo Biotec. All’inizio di ogni attività di laboratorio è prevista una breve introduzione teorica con lo scopo di fornire i principi di base su cui si fondano le metodologie biochimiche che verranno utilizzate nella parte pratica. Nella parte pratica, gli studenti, suddivisi in gruppi di due o tre e con il supporto dei docenti e dei tutor, dovranno applicare il protocollo sperimentalefornito, applicando le metodiche descritte. L’organizzazione e le date di svolgimento delle attività di laboratorio verranno comunicate direttamente dal docente all’inizio delle lezioni.

PROGRAMMA/CONTENUTO

Biochimica generale

Parte 1: Le molecole della vita

1. Velocità di reazione e equilibrio di reazione. Energia delle reazioni chimiche
2. I gruppi funzionali organici e la loro reattività nei sistemi biologici
3. Principali carboidrati e lipidi nei sistemi biologici
4. Amminoacidi: struttura e reattività
5. Peptidi e legame peptidico: caratteristiche del legame
6. Proteine: struttura primaria, secondaria, terziaria, quaternaria
7. Proteine: classificazione e funzioni. Proteine coniugate: emoglobina
8. Catalizzatori biologici (enzimi): meccanismi di catalisi e classificazione; coenzimi e cofattori enzimatici; cinetica enzimatica; inibizione enzimatica

Parte 2: Il metabolismo e le principali vie metaboliche

1. Metabolismo e bioenergetica: ATP, composti ad alta energia, le reazioni biologiche di ossidoriduzione
2. Principi generali di controllo delle attività enzimatiche e di regolazione delle vie metaboliche. Il ruolo degli enzimi allosterici nelle tappe limitanti delle vie metaboliche. Le modifiche covalenti reversibili (fosforilazione/defosforilazione)
3. Metabolismo glucidico:
   1. glicolisi: ruolo funzionale, reazioni (con formule) e regolazione; glicolisi aerobica ed anaerobica; 
   2. gluconeogenesi: ruolo funzionale, reazioni (con formule) e regolazione; ruolo del F2,6BP nella regolazione della glicolisi/gluconeogenesi; 
   3. metabolismo del glicogeno: vie di sintesi e degradazione, ruolo funzionale e regolazione; altri polisaccaridi di interesse biologico: amido, cellulosa e peptidoglicano (cenni);
   4. ciclo del pentosio fosfato: reazioni (con formule), ruolo funzionale e regolazione; specie reattive dell’ossigeno e meccanismi di difesa dallo stress ossidativo e difetto genetico di G6PD; utilizzo di fruttosio e galattosio
4. Piruvato deidrogenasi: ruolo e meccanismo enzimatico (con formule). Fermentazione alcolica.
5. Ciclo dell’acido citrico: ruolo funzionale, reazioni (con formule) e regolazione
6. Fosforilazione ossidativa: potenziali di riduzione standard, ΔE e ΔG, il gradiente protonico, struttura e funzione dei complessi della catena respiratoria, la ATP-sintasi, termogenesi mitocondriale.
7. Metabolismo lipidico: 
   1. trigliceridi, digestione ed assorbimento, trasporto attraverso le lipoproteine; lipolisi nel tessuto adiposo 
   2. attivazione degli acidi grassi e trasporto nei mitocondri; ossidazione degli acidi grassi, ruolo funzionale, reazioni (con formule) e regolazione; degradazione degli acidi grassi insaturi e con catena a numero dispari di C (cenni);
   3. sintesi degli acidi grassi: correlazioni tra mitocondrio e citosol, reazioni di sintesi (con formule), regolazione;
   4. sintesi del colesterolo e regolazione (cenni); il colesterolo come precursore per altre molecole;
   5. sintesi dei glicerofosfolipidi, fosfolipasi e loro ruolo nella generazione di molecole segnale; le ciclossigenasi e la sintesi degli eicosanoidi (cenni)
8. Corpi chetonici: ruolo funzionale, reazioni di sintesi (con formule) e sistemi di utilizzo nei tessuti periferici. 
9. Metabolismo degli amminoacidi:
   1. destino metabolico dei gruppi amminici, transaminasi e glutammico deidrogenasi (con formule);
   2. il trasporto dei gruppi amminici al fegato: glutammina e ciclo alanina-piruvato (reazioni con formule);
   3. ciclo dell’urea
10. Metabolismo dei nucleotidi:
    1. sintesi de novo e di recupero dei nucleotidi purinici e pirimidinici; la formazione dei nucleotidi difosfato e trifosfato;
    2. degradazione delle purine ed acido urico (cenni);
    3. formazione dei deossiribonucleotidi: ribonucleotide reduttasi, timidilato sintasi;
    4. ciclo dei folati; ciclo della SAM
    5. metabolismo dei coenzimi dinucleotidici
    6. Il metabolismo nucleotidico per applicazioni terapeutiche e biotecnologiche (inibitori della TS e della DHFR, farmaci antivirali, la dUTPasi dei batteri, la DHFR come marker di selezione)
11. Biochimica vegetale: fotosintesi in procarioti e piante superiori, la Rubisco e il ciclo di Calvin; sistemi di regolazione enzimatica da parte della luce; piante C3 e C4 (cenni); ciclo del gliossalato; principali differenze metaboliche tra cellule animali e vegetali.

Parte 3: Regolazione ormonale ed integrazione del metabolismo nei mammiferi

1. Biosegnalazione e caratteristiche generali della trasduzione del segnale
2. Recettori e meccanismo di azione di insulina, glucagone, adrenalina, ormoni steroidei
3. Controllo ormonale del metabolismo: effetti di insulina, glucagone, ormoni steroidei, ormoni del tessuto adiposo; controllo della glicemia, digiuno e stato alimentato
4. Interazioni metaboliche tra organi

Laboratorio teorico- pratico

1. Calcolo di concentrazioni (molarità, normalità, percentuali), diluizioni, calcolo del pH, uso della bilancia analitica, preparazione di soluzioni.
2. Separazione di particelle e molecole: tecniche di centrifugazione, ultrafiltrazione, dialisi, precipitazione, estrazione.
3. Spettrofotometria e spettrofluorimetria: principi base ed applicazioni.
4. Dosaggi spettrofotometrici di DNA e proteine.
5. Dosaggi enzimatici. Determinazione della concentrazione di composti mediante saggi enzimatici.
6. Purificazione di proteine ricombinanti mediante cromatografia per affinità.
7. Elettroforesi delle proteine: tecniche ed applicazioni.  Western blot: tecniche ed applicazioni.

TESTI/BIBLIOGRAFIA

Tutte le slides utilizzate durante le lezioni e altro materiale didattico saranno disponibili su Aulaweb. In generale, gli appunti presi durante le lezioni e il materiale su Aulaweb sono sufficienti per la preparazione dell'esame.

I libri sotto indicati sono suggeriti come testi di appoggio, ma gli studenti possono comunque utilizzare anche altri testi di Biochimica di livello universitario, purché siano edizioni pubblicate negli ultimi 5 anni.Copi del Nelson Cox soo disponibili per la consultazione presso la biblioteca di Scienze mediche e farmaceutiche

Nelson DL e Cox MM Introduzione alla biochimica di Lehninger, Zanichelli

Appling et al. Biochimica, molecole e metabolismo, Pearson

Tymoczko J, Berg, J. Stryer L. Principi di Biochimica, Zanichelli