PRESENTAZIONE

La Biochimica studia a livello molecolare i processi biologici, quali le proprietà strutturali, funzionali e regolatrici delle macromolecole biologiche e le caratteristiche dinamiche delle vie metaboliche negli organismi viventi. La Biochimica svolge un ruolo centrale nelle Biotecnologie perchè fornisce conoscenze di base e metodi di studio per comprendere ed applicare sistemi biologici, dal più semplice (enzima) al più complesso (organismo), al fine di ottenere beni e servizi. 

OBIETTIVI E CONTENUTI

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 gli studenti dovranno:

• 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, 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

Gli studenti devono 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 sperimentale fornito, applicando le metodiche descritte. L’organizzazione e le date di svolgimento delle attività di laboratorio verranno comunicate direttamente dal docente all’inizio delle lezioni.

Si consigliano i casi con certificazione di DSA, di disabilità o di altri bisogni educativi speciali di contattare sia il referente di Dipartimento sia il docente all’inizio delle lezioni per concordare modalità didattiche e d’esame che, nel rispetto degli obiettivi dell’insegnamento, tengano conto delle modalità di apprendimento individuali e forniscano idonei strumenti compensativi/dispensativi riconosciuti dal Servizio per gli studenti DSA di Ateneo.

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

Nelson D.L., Cox M.M. - Introduzione alla biochimica di Lehninger. Zanichelli (copie del Nelson-Cox sono disponibili per la consultazione presso la Biblioteca di Scienze mediche e farmaceutiche).

Appling et al. - Biochimica, molecole e metabolismo. Pearson.

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

DOCENTI E COMMISSIONI

LEZIONI

INIZIO LEZIONI

I semestre, ottobre.

Orari delle lezioni

BIOCHIMICA E LABORATORIO

ESAMI

MODALITA' D'ESAME

L’esame si compone di due prove scritte.

Il primo scritto è relativo agli argomenti del Laboratorio teorico-pratico: è costituito da un test con domande a risposta singola, esercizi di calcolo e problemi.. Esempi di problemi ed esercizi verranno forniti durante l'attività di laboratorio. Lo scritto relativo al Laboratorio teorico-pratico dovrà essere effettuato prima della seconda prova scritta e potrà essere sostenuto sia in appelli precedenti, che nello stesso appello in cui lo studente intende sostenere il secondo scritto. L’esito della prova scritta del Laboratorio teorico-pratico verrà ritenuto valido solo fino al primo appello della sessione invernale dell’a.a. successivo (es. primo appello della sessione invernale 2024 per l’aa 2022/23). Dopo tale data, gli studenti dovranno sostenere nuovamente la prova d’esame. 

Per accedere alla seconda prova scritta relativa alla Biochimica generale gli studenti devono aver superato la prova scritta con un voto minimo di 18/30. Verrà proposto un test a risposta multipla con 21 domande (max 21 punti) e una domanda aperta in cui verrà richiesto di illustrare una via metabolica, incluse le formule dei composti (max 11 punti).

Il voto finale terrà conto della media delle valutazioni ottenute nelle due prove scritte, pesata sul numero di CFU (8 CFU Biochimica generale – 2 CFU Laboratorio teorico-pratico).

Saranno disponibili 3 appelli di esame per la sessione invernale (metà gennaio- febbraio) e 4 appelli per la sessione estiva (giugno, luglio e settembre). Non verranno concessi appelli straordinari al di fuori dei periodi indicati nel regolamento del Corso di Studi, fatta eccezione per gli studenti fuori corso.

Gli studenti con certificazioni valide per Disturbi Specifici dell'Apprendimento (DSA), per disabilità o altri bisogni educativi, sono invitati a contattare il docente e il referente per la disabilità della Scuola/Dipartimento all'inizio del corso per concordare eventuali modalità didattiche che, nel rispetto degli obiettivi dell'insegnamento, tengano conto delle modalità di apprendimento individuali.

MODALITA' DI ACCERTAMENTO

I dettagli sulle modalità di preparazione per l’esame e sul grado di approfondimento di ogni argomento verranno forniti nel corso delle lezioni. 

L’esame scritto relativo al Laboratorio teorico-pratico verificherà l’effettiva acquisizione delle conoscenze di base su alcune metodologie biochimiche e le loro applicazioni per l’analisi, l’identificazione e separazione delle principali biomolecole.  Lo studente dovrà essere in grado di collegare e integrare le conoscenze apprese nel corso delle attività laboratoriali con quelle fornite durante le lezioni frontali. I problemi permetteranno di valutare la capacità di utilizzare le conoscenze in situazioni pratiche che possono verificarsi in laboratorio, anche con riferimento alle misure di sicurezza e alle buone pratiche di laboratorio. 

L’esame scritto di Biochimica generale verterà sugli argomenti trattati durante le lezioni frontali e avrà lo scopo di valutare non soltanto se lo studente ha raggiunto un livello adeguato di conoscenze, ma se ha acquisito la capacità di analizzare criticamente problemi biochimici che verranno posti nel corso dell'esame. Verrà anche richiesto allo studente di disegnare le formule di struttura di biomolecole e intermedi metabolici, identificando i tipi di reazione coinvolti e le conseguenti variazioni energetiche. Lo studente dovrà anche dimostrare di avere acquisito la capacità di descrivere i processi biochimici in modo chiaro e con una terminologia corretta.