ITALIANO

Biochimica strutturale e funzionale:
illustrare la struttura delle proteine e loro molteplici funzioni svolte negli organismi viventi; acquisire le principali tecniche di laboratorio di biochimica impiegate nella purificazione, analisi e caratterizzazione di analiti.

Biochimica metabolica:
analizzare le più importanti vie metaboliche di carboidrati, lipidi e proteine ed i meccanismi di tipo ormonale ed allosterico che le regolano.

Abali E.E. et al. Le basi della Biochimica. Zanichelli.
Stryer L. et al. Biochimica. Zanichelli.
Campbell M. e Farrel S. Biochimica. EdiSES.
Cox M. Principi di biochimica di Lehninger. Zanichelli.
Russell PJ. Genetica Un approccio molecolare. Pearson.


Appunti delle lezioni

Lo studente acquisirà conoscenze su:
struttura e funzione delle proteine;
metodiche generali per purificazione, analisi e caratterizzazione di analiti;
principali vie metaboliche dei carboidrati, lipidi e proteine e loro regolazione.

È fortemente consigliata la conoscenza delle nozioni di Chimica generale ed inorganica, Chimica organica e Biologia.

Il corso è articolato in 32 ore di lezioni in aula. La frequenza del corso non è obbligatoria, ma fortemente consigliata, in quanto aiuta notevolmente lo studente nella comprensione.

La verifica dell’apprendimento è effettuata mediante un esame orale che consiste in almeno tre domande su argomenti indicati nel programma. L’esame è superato se lo studente risponde in modo sufficiente a tutte le domande. Nella valutazione sarà considerata la conoscenza degli argomenti, la chiarezza e l’organicità dell’esposizione, la capacità di fare collegamenti critici tra gli argomenti. Il voto, espresso in trentesimi, contribuirà per 4/12 al voto dell’esame integrato di Biochimica e Genetica (12 CFU), tenendo conto del numero di CFU (6) del modulo di Genetica e (2) del modulo di Biochimica Ambientale e Salute Umana.

Gli studenti potranno avvalersi delle slide fornite dal docente, nonché di eventuale altro materiale didattico di supporto

1. PROTEINE
Struttura delle proteine. Le unità monomeriche: gli amminoacidi. Proprietà: stereochimica, proprietà acido-base, assorbimento della luce. Livelli di organizzazione strutturale delle proteine: struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria; ripiegamento delle proteine globulari, i legami coinvolti: legami idrogeno, legami ionici, forze di Van der Waals, interazioni idrofobiche. La denaturazione delle proteine. Rinaturazione.
Funzioni delle proteine. Proteine fibrose: cheratina, collageno, fibroina della seta. Proteine globulari: proteine di trasporto dell’ossigeno mioglobina ed emoglobina. Il gruppo eme, l’affinità per l’ossigeno e la regolazione dell’affinità dell’emoglobina per l’ossigeno. Proteine catalitiche: enzimi. Funzione e classificazione degli enzimi; coenzimi. Catalisi enzimatica: specificità degli enzimi; complesso enzima-substrato. Cinetica enzimatica: modello di Michaelis e Menten; significato e determinazione sperimentale di KM e Vmax. Inibizione enzimatica. Regolazione dell’attività enzimatica: effetto di pH e temperatura, allosteria, retroinibizione, modifiche covalenti, controllo a cascata, zimogeni.
2. PRINCIPALI TECNICHE DI LABORATORIO DI BIOCHIMICA
purificazione, analisi e caratterizzazione di analiti. Centrifugazione. Spettrofotometria di assorbimento e di emissione; Chemiluminescenza; Turbidimetria e Nefelometria. Cromatografia: Cromatografia a scambio ionico, effetto del pH e dei controioni del tampone; Cromatografia per gel filtrazione; Cromatografia per affinità; Cromatografia per interazione idrofobica; Cromatografia in fase inversa; applicazioni della cromatografia e messa a punto di un protocollo di purificazione; ottimizzazione della risoluzione. Elettroforesi su carta, su gel e capillare. Spettrometria di massa: MALDI, ESI. Tecniche immunologiche: RIA, EIA, FIA, ELISA, immunoprecipitazione, agglutinazione.

3. METABOLISMO ENERGETICO
Concetti generali di energetica; i composti ad alto contenuto energetico. Il flusso di energia nella biosfera.
Il metabolismo dei carboidrati. Monosaccaridi: struttura e proprietà; disaccaridi, polisaccaridi strutturali: cellulosa e polisaccaridi di riserva: amido e glicogeno. Digestione dei polisaccaridi, assorbimento. Glicolisi: fase preparatoria, fase di recupero energetico e punti di regolazione. Il destino del piruvato in condizioni aerobiche. Produzione di acetil-CoA. Il ciclo degli acidi tricarbossilici e la combustione completa degli atomi di carbonio. La catena di trasporto degli elettroni: i 4 complessi della catena respiratoria. La fosforilazione ossidativa e il meccanismo di sintesi dell’ATP: l’ipotesi chemiosmotica; i disaccoppianti. Gli inibitori dei complessi respiratori. Le reazioni anaplerotiche. Il destino del piruvato in condizioni anaerobiche. Le vie fermentative del piruvato: fermentazione alcolica e fermentazione lattica e riossidazione del NADH citoplasmatico. Metabolismo del glicogeno: sintesi e degradazione del glicogeno. Biosintesi dei carboidrati: la gluconeogenesi ed i suoi substrati. La via dei pentosi-fosfati: suoi significati.
Il metabolismo dei lipidi. Struttura e proprietà di acidi grassi, triacilgliceroli, fosfolipidi, glicolipidi, steroli. Digestione, assorbimento, trasporto e deposito dei lipidi. La lipogenesi: la biosintesi degli acidi grassi e il complesso dell’acido grasso sintetasi. La lipolisi: la mobilizzazione dei lipidi e la degradazione degli acidi grassi con la beta-ossidazione degli acidi grassi. La chetogenesi: ruolo metabolico dei corpi chetonici.
Il catabolismo delle proteine. Digestione delle proteine e assorbimento degli aminoacidi. Gli enzimi proteolitici. Uso metabolico degli amminoacidi. Destino del gruppo amminico degli amminoacidi: transamminazione, deamminazione ossidativa e ciclo dell'urea. Destino metabolico dello scheletro carbonioso degli aminoacidi: aminoacidi glucogenici e chetogenici.
4. LA REGOLAZIONE DEL METABOLISMO: GLI ORMONI ED I RECETTORI
Visione integrata del metabolismo e correlazioni metaboliche. Comunicazioni tra cellule mediate da ormoni e segnalatori locali. Recettori ormonali di membrana e trasduzione del segnale. Ruolo dell'insulina, del glucagone e dell'adrenalina nella regolazione del metabolismo dei nutrienti, meccanismi coinvolti in diverse condizioni. Recettori ormonali intracellulari e loro effetto sulla trascrizione.

Italian

Structural and Functional Biochemistry:
Illustrate the structure of proteins and their multiple functions in living organisms; acquire the main biochemistry laboratory techniques used in the purification, analysis, and characterization of analytes.

Metabolic Biochemistry:
Analyze the most important metabolic pathways of carbohydrates, lipids, and proteins and the hormonal and allosteric mechanisms that regulate them.

Abali E.E. et al. Le basi della Biochimica. Zanichelli.
Stryer L. et al. Biochimica. Zanichelli.
Campbell M. e Farrel S. Biochimica. EdiSES.
Cox M. Principi di biochimica di Lehninger. Zanichelli.
Russell PJ. Genetica Un approccio molecolare. Pearson.

Lessons notes

Students will acquire knowledge of:
protein structure and function;
general methods for purification, analysis, and characterization of analytes;
main metabolic pathways of carbohydrates, lipids, and proteins and their regulation.

Knowledge of general and inorganic chemistry, organic chemistry, and biology is strongly recommended.

The course consists of 32 hours of classroom lessons. Attendance is not mandatory, but it is strongly recommended, as it significantly enhances student understanding.

Learning assessment is carried out through an oral exam consisting of at least three questions on topics indicated in the program. The exam is passed if the student answers all the questions sufficiently. The assessment will take into account the knowledge of the topics, the clarity and organicity of the presentation, and the ability to make critical connections between the topics. The grade, expressed in thirtieths, will contribute 4/12 to the grade of the integrated exam in Biochemistry and Genetics (12 CFU), taking into account the number of CFU (6) of the Genetics module and (2) of the Environmental Biochemistry and Human Health module.

Students can use the slides provided by the teacher, as well as any other supporting teaching materials.

1. PROTEINS
Protein structure. Monomeric units: amino acids. Properties: stereochemistry, acid-base properties, light absorption. Levels of protein structural organization: primary, secondary, tertiary, and quaternary structure; folding of globular proteins, the bonds involved: hydrogen bonds, ionic bonds, van der Waals forces, hydrophobic interactions. Protein denaturation. Renaturation.
Functions of proteins. Fibrous proteins: keratin, collagen, silk fibroin. Globular proteins: oxygen-transport proteins, myoglobin, and hemoglobin. The heme group, oxygen affinity, and regulation of hemoglobin's affinity for oxygen. Catalytic proteins: enzymes. Function and classification of enzymes; coenzymes. Enzyme catalysis: enzyme specificity; enzyme-substrate complex. Enzyme kinetics: Michaelis-Menten model; Significance and experimental determination of KM and Vmax. Enzyme inhibition. Regulation of enzymatic activity: effect of pH and temperature, allostery, retroinhibition, covalent modifications, cascade control, zymogens.
2. MAIN BIOCHEMISTRY LABORATORY TECHNIQUES
Purification, analysis, and characterization of analytes. Centrifugation. Absorption and emission spectrophotometry; Chemiluminescence; Turbidimetry and nephelometry. Chromatography: Ion-exchange chromatography, effect of pH and buffer counterions; Gel filtration chromatography; Affinity chromatography; Hydrophobic interaction chromatography; Reversed-phase chromatography; applications of chromatography and development of a purification protocol; resolution optimization. Paper, gel, and capillary electrophoresis. Mass spectrometry: MALDI, ESI. Immunological techniques: RIA, EIA, FIA, ELISA, immunoprecipitation, agglutination.
3. ENERGY METABOLISM
General concepts of energetics; high-energy compounds. Energy flow in the biosphere.
Carbohydrate metabolism. Monosaccharides: structure and properties; disaccharides, structural polysaccharides: cellulose, and storage polysaccharides: starch and glycogen. Polysaccharide digestion, absorption. Glycolysis: preparatory phase, energy recovery phase, and set points. The fate of pyruvate under aerobic conditions. Production of acetyl-CoA. The tricarboxylic acid cycle and the complete combustion of carbon atoms. The electron transport chain: the four complexes of the respiratory chain. Oxidative phosphorylation and the mechanism of ATP synthesis: the chemiosmotic hypothesis; uncouplers. Inhibitors of respiratory complexes. Anaplerotic reactions. The fate of pyruvate under anaerobic conditions. Pyruvate fermentation pathways: alcoholic fermentation, lactic acid fermentation, and reoxidation of cytoplasmic NADH. Glycogen metabolism: glycogen synthesis and degradation. Carbohydrate biosynthesis: gluconeogenesis and its substrates. The pentose phosphate pathway: its significance.
Lipid metabolism. Structure and properties of fatty acids, triacylglycerols, phospholipids, glycolipids, and sterols. Digestion, absorption, transport, and storage of lipids. Lipogenesis: fatty acid biosynthesis and the fatty acid synthase complex. Lipolysis: lipid mobilization and fatty acid degradation through beta-oxidation of fatty acids. Ketogenesis: the metabolic role of ketone bodies.
Protein catabolism. Protein digestion and amino acid absorption. Proteolytic enzymes. Metabolic use of amino acids. Fate of the amino group of amino acids: transamination, oxidative deamination, and the urea cycle. Metabolic fate of the carbon skeleton of amino acids: glucogenic and ketogenic amino acids.
4. REGULATION OF METABOLISM: HORMONES AND RECEPTORS
Integrated view of metabolism and metabolic correlations. Cell-cell communication mediated by hormones and local signaling. Membrane hormone receptors and signal transduction. Role of insulin, glucagon, and adrenaline in regulating nutrient metabolism, mechanisms involved in various conditions. Intracellular hormone receptors and their effect on transcription.