Ateneo - UPO

La biochimica e suoi rapporti con le altre discipline scientifiche. Caratteristiche generali degli organismi viventi e delle macromolecole biologiche. Elementi chimici necessari alla vita e loro abbondanza.
Fondamenti di termodinamica. Sistemi aperti e chiusi. Entalpia, entropia, energia libera di Gibbs e spontaneità di reazione, relazione tra energia libera di Gibbs, accoppiamento energetico di reazioni e energia complessiva di una reazione termodinamicamente sfavorita. I legami chimici forti e deboli nelle molecole biologiche
Le molecole biologiche: carboidrati e lipidi; classificazione, struttura e cenni generali sulla funzione. Aminoacidi, peptidi e proteine. Proteine come molecole informazionali. I livelli di struttura delle proteine, folding e struttura IV. I domini strutturali: definizione e relazione con i domini funzionali.
Rapporto struttura-funzione delle proteine. Proteine di trasporto; proteine con funzione di riconoscimento e difesa. Gli enzimi e la cinetica enzimatica. Meccanismi di regolazione enzimatica.
Metodi per lo studio delle proteine. Metodi cromatografici, elettroforetici, immunologici. Introduzione alla biocristallografia.
Introduzione alle reazioni biochimiche e cenni di bioenergetica. Le molecole con legami ad elevata energia. Molecole che trasportano elettroni
Fondamenti di biosegnalazione: principi della trasduzione del segnale. Molecole recettoriali, mediatori del segnale di tipo chimico. Modalità di rilascio delle molecole del segnale e i diversi tipi di segnalazione. Caratteristiche delle vie di segnalazione intracellulari.
Modificazioni co- e post-traduzionali delle proteine con funzione strutturale o informazionale.
Struttura e funzione delle proteine del segnale: modularità delle proteine del segnale, dominii funzionali; proprietà e ruolo e dei secondi messaggeri.
Passaggio di molecole attraverso le membrane biologiche: gradiente elettrochimico e potenziale di membrana, le pompe ioniche. Diffusione passiva facilitata: canali ionici e trasportatori. Trasporto attivo.
Moduli e componenti delle vie di segnalazione intracellulare. Il signalling del calcio; le proteine G; la via PI3K/AKT/mTOR, la via delle MAP-chinasi; le proteina chinasi C; tirosina chinasi citosoliche appartenenti alla famiglia SRC (SFK).
I recettori accoppiati a proteine G (GPCR) e loro vie di segnalazione Signaling glucagone e adrenalina come esempi di trasduzione del segnale a valle di GPCR. Meccanismi biochimici della segnalazione delle percezioni sensoriali: vista, olfatto, gusto.
Recettori tirosina chinasi (TKR) e vie di segnalazione a valle di RTK. Il signalling dell’insulina.
Altre vie di segnalazione. Recettori per citochine e ormoni glicoproteici, recettori appartenenti alla famiglia del TNFR, via di JAK/STAT, via di NF-kB. Serina e treonina chinasi recettoriali: la famiglia del recettore TGF-β e vie di segnalazione a valle; integrine e adesioni focali. Recettori con attività guanilato ciclasica. Signalling da cGMP

Testi fondamentali
David L Nelson, Michael M Cox. PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER. VII edizione, 2018. Zanichelli
Donald Voet, Judith G Voet, Charlotte W Pratt. FONDAMENTI DI BIOCHIMICA. IV edizione, 2017. Zanichelli
Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, David Morgan, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter. BIOLOGIA MOLECOLARE DELLA CELLULA. VI Edizione, 2016. Zanichelli
Testi per approfondire gli argomenti
Umberto Mura. ENZIMI IN AZIONE. EdiSES, 2012
Introduzione allo studio delle proteine. Duranti; Zanichelli

Trasmettere allo studente le basi per un approccio molecolare alla fisiologia ed alla patologia, tramite la definizione del rapporto struttura-funzione delle macromolecole biologiche, con particolare attenzione alle proteine dotate di attività enzimatica, alle proteine trasportatrici ed a quelle implicate nella trasduzione del segnale. Al termine del corso lo studente dovrà essere in grado di descrivere, in termini molecolari, la struttura della materia biologica, sapendo riconoscere il ruolo della struttura sulla funzione delle macromolecole stesse. Dovrà inoltre mostrare padronanza dei principali meccanismi di azione degli enzimi e dei tipi di reazione da essi catalizzate e conseguire un’adeguata conoscenza dei meccanismi di trasduzione del segnale.
Una particolare attenzione sarà posta all’insegnamento delle basi della biosegnalazione. Lo studente

Conoscenze di base di chimica generale, chimica organica, fisica e biologia cellulare

Lezione frontale mediante la proiezione di diapositive, e proiezione di filmati. Esecuzione in aula di problemi e quiz. Possibilità di eseguire a casa problemi e quiz tramite la piattaforma moodle. Gli studenti potranno inoltre utilizzare i libri di testo consigliati per approfondire gli argomenti discussi in aula

Copia pdf delle diapositive proiettate, il materiale di approfondimento e tutte le informazioni riguardanti il corso e le modalità di esame saranno rese disponibili sul DIR. Il docente è disponibile, previo appuntamento, a fornire chiarimenti su specifici argomenti anche al di fuori dell'orario di lezione.

Durante il corso saranno effettuate delle prove in itinere. Tali prove NON saranno utilizzate ai fini della valutazione finale, ma consentiranno allo studente di valutare il suo livello di comprensione dei diversi argomenti e di esercitarsi per il superamento della prova di esame.
L’obiettivo della prova d’esame consiste nel verificare il livello di conoscenza ed approfondimento degli argomenti del programma del corso e la capacità di ragionamento sviluppata dallo studente. L'esame prevede il superamento di una prova scritta che consiste in 50 domande relative a tutti gli argomenti svolti durante il corso e comprendenti quiz con risposta a scelta multipla o risposta vero/falso, riconoscimento di strutture molecolari, e problemi numerici. La valutazione è espressa in trentesimi (voto minimo 18, massimo 30 e lode). Durante la prova scritta non è permesso consultare alcun tipo di materiale. E’ consentito l’utilizzo della calcolatrice. L’esame consente di valutare il senso critico e la capacità di comprensione del testo e (domande dove è richiesto di operare una scelta tra diverse alternative) e la capacità di applicare le conoscenze apprese (esercizi).
Il programma e le modalità di esame saranno reperibili sulla piattaforma moodle DIR

Introduzione alla biochimica
Definizione di biochimica e suoi rapporti con le altre discipline scientifiche. Sviluppo e teorie dell’origine della vita sulla terra. Caratteristiche generali degli organismi viventi. Il carbonio, sue proprietà e versatilità di legame. Panoramica sui composti polimerici in natura e loro funzione generale.
Fondamenti di termodinamica
Entalpia, entropia, energia libera di Gibbs e spontaneità di reazione. I legami chimici
I carboidrati
Monosacaccaridi. La stereoisomeria e la chiralità. Formula di struttura dei principali aldosi e chetosi. Emiacetali ed emichetali, mutarotazione e anomeri. Disaccaridi, legame O-glicosidico. Formula di struttura dei principali disaccardi. Polisaccaridi: glicani, omopolisaccaridi ed eteropolisaccaridi, riserva energetica e struttura; amido, glicogeno, cellulosa. Eteropolisaccaridi, glicosamminoglicani. Glicoproteine: cenni generali e funzione. Lipopolisaccaridi.
I lipidi
Classificazione generale, caratteristiche generali e funzione, nomenclatura standard e nomenclatura alternativa. Acidi grassi, trigliceridi, cere, fosfolipidi. Malattie associate al metabolismo dei fosfolipidi. Glicolipidi: classificazione, struttura e funzione. Steroli, colesterolo e suoi derivati: struttura degli ormoni stereoidei, acidi biliari.
Aminoacidi e peptidi
Amminoacidi: Struttura, stereoisomeria e chiralità, classificazione. Amminoacidi modificati. Punto isoelettrico. Legame peptidico: struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria. Analisi di sequenze di proteine, concetto di omologia, sequenze conservate e non, mutazioni conservative e non conservative. Allineamento di sequenze e criteri di “scoring”, strumenti e database on-line per l’analisi di proteine.
Folding e proteostasi
Folding e denaturazione delle proteine, proteostasi, Principi termodinamici alla base del folding. Chaperon molecolari. Folding patogenico di proteine.
Rapporto struttura-funzione delle proteine
Proteine di trasporto extracellulare, proteine che legano l’O2. Anemia falciforme. Proteine con funzione di riconoscimento e difesa: le immunoglobuline.
Gli enzimi e cinetica enzimatica
Energia di attivazione, velocità di reazione. Costante di velocità. Gli enzimi: meccanismi generali d’azione. Coenzimi: co-substrati e gruppi prostetici. Classificazione degli enzimi. Principali meccanismi di catalisi. Cinetica enzimatica. Equazione di Michaelis-Menten. Rappresentazione secondo Lineweaver-Burk. Parametri cinetici fondamentali: numero di turnover, costante di specificità, significato e metodo di calcolo. Inibizione dell’attività enzimatica
Metodi per lo studio delle proteine
Cromatografia, elettroforesi, SDS-PAGE, immunodiagnostica. Introduzione alla biocristallografia
Introduzione alle reazioni biochimiche e cenni di bioenergetica.
Molecole utilizzate per il trasferimento di energia chimica. Ruolo dei NTP nelle reazioni biologiche. L’equilibrio redox della cellula: struttura e funzione del NAD, FAD, FMN, gruppi ferro-zolfo, EME nelle reazioni redox cataboliche e anaboliche.
Fondamenti di biosegnalazione – I principi della trasduzione del segnale
Recettori, ligandi e modalità di segnalazione. I diversi tipi di segnalazione (endocrina, paracrina, iuxtacrina e autocrina). Modalità di rilascio delle molecole del segnale: diffusione, secrezione, rilascio di vescicole extracellulari.
Modificazioni co- e post-traduzionali delle proteine e segnali per la localizzazione
Formazione di ponti disolfuro, gamma-glutammmilcarbossilazione. Proteolisi, glicosilazione, lipidaizone, GPI-linked proteins. Fosforilazione: effetti sulla struttura delle proteine. Il chinoma umano. Ubiquitinazione, acetilazione e deacetilazione e l‘ADPribosilazione; le sirtuine. La poli-ADPribosilazione: gli enzimi PARP. Metilazione e demetilazione. Solfatazione. Nitrosilazione.
Struttura e funzione delle proteine del segnale
Modularità delle proteine del segnale. Generalità sulla organizzazione strutturale delle molecole di segnalazione: dominii (sequenze) ricorrenti e loro funzioni. Domini di interazione proteina-proteina: SH2, SH3, PTB, PDZ. Domini di interazione con strutture non proteiche: domini PH, C1, C2, domini EF hand. La formazione dei complessi di segnalazione; i signalosomi e raft lipidici di membrana. Proprietà e ruolo e dei secondi messaggeri.
Passaggio di molecole attraverso le membrane biologiche: canali e trasportatori
Gradiente elettrochimico e potenziale di membrana. Caratteristiche delle membrane biologiche, il potenziale di membrana. Diffusione passiva facilitata: i trasportatori. I trasportatori del glucosio. Sistemi di co-trasporto. Il trasporto attivo: le pompe ioniche. ATPase tipo P: pompa Na+/K+; pompe Ca; ATPase tipo F e V. Il trasporto attivo: i trasportatori ABC Diffusione passiva facilitata attraverso i canali ionici: classificazione in base alla selettività e al meccanismo di regolazione. Canali ionici controllati da secondi messaggeri, da lipidi, da stimolo meccanico e dalla temperatura. I canali “Transient Receptor Potential” (TRP). Il meccanismo biochimico della segnalazione sinaptica. Cellule eccitabili e generazione del potenziale d’azione: neurotrasmissione, contrazione muscolare e secrezione.
Componenti delle vie del segnale: il signalling del calcio
Sensori del calcio: il dominio EF hand. Calmodulina (CaM): struttura e meccanismo d’azione; esempi di segnalazione CaM-Ca2+-dipendenti: CAMKII; complesso troponina-tropomiosina nella contrazione muscolare. Il dominio C2 e le proteine chinasi C (PKC). Altri effettori del calcio: le calpaine. Meccanismi di controllo della concentrazione di Ca2+ intracellulare: ATPasi SERCA e PMCA; scambiatori ionici NCX e NCKX. Signalling del Ca: “Receptors-Operated Channels” ROCs: regolazione del canale del Ca IP3-dipendente; il canale del Ca tipo rianodina. Canali del Ca “Store Operated Channels” (SOC).
Componenti delle vie di segnalazione: le proteine G
Le proteine G. Le small G proteins. Struttura, meccanismo di regolazione e principali funzioni svolte dalle famiglie RAS, RAN, RAB, ARF, RHO.
Moduli di segnalazione intracellulare.
Le via PI3K/AKT/mTOR. La via delle MAP-chinasi. Le proteina chinasi C. Tirosina chinasi citosoliche appartenenti alla famiglia SRC (SFK).
I recettori accoppiati a proteine G (GPCR) e loro vie di segnalazione
Struttura e meccanismo d’azione dei GPCR e delle proteine G eterotrimeriche. Le proteine G eterotrimeriche: meccanismi d’azione delle subunità α e delle subunità βγ. Signaling glucagone e adrenalina come esempi di trasduzione del segnale a valle di GPCR.
Meccanismi biochimici della segnalazione delle percezioni sensoriali
Vista, olfatto, gusto.
Recettori tirosina chinasi (TKR) e vie di segnalazione a valle di RTK
Tirosina chinasi con funzione recettoriale (RTK): struttura e meccanismo generale di segnalazione. Ruolo dell’interazione domini SH2/fosfotirosine nel reclutamento e attivazione dei pathways di trasduzione del segnale. Segnalazione a valle dei recettori RTK: RAS e la via delle MAP-chinasi, via PI3K-PKB/Akt-mTOR. Il signalling dell’insulina.
Altre vie di segnalazione
Recettori per citochine e ormoni glicoproteici, recettori appartenenti alla famiglia del TNFR, via di JAK/STAT, via di NF-kB. Serina e treonina chinasi recettoriali: la famiglia del recettore TGF-β; i fattori SMAD. Integrine e adesioni focali. Recettori con attività guanilato ciclasica; di membrana e solubili NO-dipendenti. Signalling da cGMP

Essere in grado di applicare la logica, i concetti di base e la terminologia specialistica acquisiti per comprendere e descrivere in modo efficace i processi biochimici e cellulari. In particolare, essere in grado di identificare le macromolecole biologiche, cogliere le interconnessioni tra strutture macromolecolari, funzione e regolazione.
Autonomia di giudizio nella valutazione di problematiche biochimiche relative alla struttura ed al funzionamento delle biomolecole all'interno della cellula e nell'ambiente extracellulare
Conoscere i meccanismi dell’attività degli enzimi e sapere risolvere semplici problemi inerenti la cinetica enzimatica.
Capacità di predire i principali eventi biochimici che avvengono a valle dei fondamentali processi di segnalazione tra cellule e cellule e ambiente.
Capacità di comprendere come le principali vie del segnale determinino il fenotipo di una cellula.