ITALIANO

La biologia molecolare rappresenta uno strumento fondamentale per comprendere le basi molecolari della vita e approfondire i meccanismi biologici che regolano crescita, sviluppo, riproduzione e adattamento degli organismi viventi. L’insegnamento si concentra sullo studio della struttura, funzione e regolazione dei principali componenti molecolari delle cellule, tra cui nucleotidi, acidi nucleici (DNA e RNA), proteine e membrane cellulari. Particolare attenzione sarà dedicata ai processi molecolari che governano la trasmissione dell’informazione genetica, la sintesi proteica e il controllo dei sistemi cellulari, con applicazioni rilevanti nel campo delle biotecnologie.

G.Capranico et al.
Biologia Molecolare
Edises

J. D. Watson et al
Biologia Molecolare del Gene
Zanichelli

L’insegnamento ha l’obiettivo di fornire agli studenti conoscenze approfondite sui principali meccanismi molecolari che regolano la vita delle cellule, con particolare attenzione alla struttura, funzione e regolazione di DNA, RNA e proteine e alle principali vie biochimiche in cui esse sono coinvolte. Verranno trattati i meccanismi fondamentali della replicazione e della riparazione del DNA, nonché i processi di trascrizione e traduzione e i relativi meccanismi di regolazione cellulare. Al termine dell’insegnamento, lo studente sarà in grado non solo di comprendere e descrivere questi processi, ma anche di applicare le conoscenze acquisite per interpretare scenari biologici complessi, analizzare criticamente dati e risultati sperimentali, integrare informazioni molecolari in contesti biologici più ampi e sviluppare capacità di apprendimento autonomo.

Non sono previsti prerequisiti, anche se è necessario aver acquisito conoscenze di base di chimica generale.

Il corso è organizzato in lezioni frontali con supporto informatico (Power Point).

La valutazione dell’apprendimento avverrà tramite colloquio orale, durante il quale saranno poste domande sugli aspetti fondamentali della biologia molecolare. Le domande saranno specifiche e mirate a verificare le conoscenze di base degli studenti riguardo alla struttura, funzione e regolazione delle macromolecole biologiche, quali DNA, RNA e proteine. Durante il colloquio, saranno inoltre valutate la capacità di discutere criticamente gli argomenti trattati e di stabilire connessioni significative tra i concetti. La valutazione sarà espressa in trentesimi, con un punteggio minimo di 18 e massimo di 30 e lode.

Durante l’insegnamento, gli studenti avranno accesso a dispense, slide delle lezioni e articoli scientifici in formato PDF. Sono previste attività di tutorato e sessioni di supporto per chiarimenti sui contenuti trattati. Il ricevimento studenti sarà effettuato previo appuntamento. Ulteriori informazioni e aggiornamenti saranno comunicati durante le lezioni.

STRUTTURA DEL DNA
Evidenze sperimentali che hanno portato alla scoperta del DNA. Basi puriniche e pirimidiniche. Nucleosidi e nucleotidi. Legame fosfodiestereo e struttura primaria. Struttura secondaria del DNA. Parametri strutturali del DNA B e DNA A.
Proprietà chimico fisiche.

DUPLICAZIONE DEL DNA. Esperimento di Meselson e Stahl. Caratteristiche e funzioni delle DNA polimerasi. Replicazione batterica: Inizio, allungamento e terminazione. Caratteristiche e funzione dei diversi enzimi coinvolti: DNA polimerasi, DNA Girasi, DNA ligase. Replicazione negli eucarioti: Inizio, allungamento e terminazione. Struttura e ruolo delle differenti DNA polimerasi. Meccanismo di azione e ruolo biologico della telomerasi

L’RNA
Differenze tra DNA e RNA. Struttura primaria e secondaria dell’RNA. Tipi di RNA. Caratteristiche generali del processo di trascrizione: Inizio Allungamento e terminazione nei procarioti. Struttura e funzione del promotore procariotico. Caratteristiche delle RNA polimerasi DNA-dipendenti. RNA polimerasi eucariotiche e relativi promotori. Fasi di inizio e allungamento della trascrizione operata dalle RNA polimerasi.

MATURAZIONE DEGLI RNA
Processi di Maturazione del mRNA. Formazione del cappuccio. Poliadenilazione, Splicing e Splicing alternativo. RNA editing. Struttura degli mRNA eucariotici maturi. Il codice genetico. Modifiche post-trascrizionali degli rRNA e tRNA. La degradazione dell’RNA.

PROCESSO DI TRADUZIONE
Il codice genetico e le sue caratteristiche. Struttura e funzioni degli RNA di trasporto. Amminoacilazione del tRNA. I fattori di inizio, elongazione in procarioti ed eucarioti. L’inizio, allungamento e terminazione della traduzione in procarioti ed eucarioti Modifiche post-traduzionali, smistamento e degradazione delle proteine.

MUTAZIONI, DANNO E RIPARO DEL DNA
Mutazioni spontanee e indotte del DNA: cause e conseguenze. Tipi di mutazioni. Mutazioni spontanee: errori della duplicazione, tautomeria delle basi, espansioni di triplette. Mutazioni indotte: agenti chimici, agenti fisici. Agenti chimici: Analoghi di basi, agenti deaminanti, agenti alchilanti e agenti intercalanti. Agenti fisici: radiazioni UV, radiazioni ionizzanti, il calore. Sistemi di Riparo: riparazione diretta, riparazione per escissione di basi e di nucleotidi, riparazione dei mismatch, riparazione per ricombinazione.

REGOLAZIONE DELLA TRASCRIZIONE GENICA
Caratteristiche generali del processo di Regolazione. Regolazione dell’espressione genica in procarioti: l’esempio degli operoni lattosio dell’operone del triptofano e del switch ciclo litico e lisogeno del batteriofago lambda. Regolazione dell’espressione genica negli eucarioti. Stato della cromatina e sua dinamicità. Controllo delle modificazioni dell’mRNA. Antisenso e regolazione ad opera dei piccoli RNA

Tecnologie biomolecolari avanzate:
Sequenziamento genico. Elettroforesi su gel di Agarosio. PCR Principi generali e applicazioni. RT-PCR, real-time-PCR, Enzimi di restrizione. Tipi di sistemi di restrizione e modificazione. Le basi del clonaggio: Principali tipi di plasmidi. Marcatori selettivi. Vettori virali. Trasformazione chimica e elettroporazione.

Italian

Molecular biology represents a fundamental tool for understanding the molecular bases of life and for exploring the biological mechanisms that regulate growth, development, reproduction, and adaptation of living organisms. The teaching focuses on the study of the structure, function, and regulation of the main molecular components of cells, including nucleotides, nucleic acids (DNA and RNA), proteins, and cellular membranes. Special attention is given to the molecular processes that govern genetic information transmission, protein synthesis, and cellular system regulation, with applications relevant to the field of biotechnology.

G.Capranico et al.
Biologia Molecolare
Edises

J. D. Watson et al
Biologia Molecolare del Gene
Zanichelli

The teaching aims to provide students with in-depth knowledge of the main molecular mechanisms governing cellular life, with particular focus on the structure, function, and regulation of DNA, RNA, and proteins, and on the main biochemical pathways in which they are involved. The fundamental mechanisms of DNA replication and repair, as well as transcription, translation, and their associated cellular regulatory mechanisms, will be covered. By the end of the teaching, students will not only be able to understand and describe these processes, but also to apply the acquired knowledge to interpret complex biological scenarios, critically analyze experimental data and results, integrate molecular information within broader biological contexts, and develop autonomous learning skills.

There are no prerequisites, although it is necessary to have acquired basic knowledge of general chemistry.

The course is organized in frontal lessons with computer support (Power Point).

Student learning will be assessed through an oral examination, during which questions will focus on the fundamental aspects of molecular biology. The questions will be specific and aimed at evaluating students’ basic knowledge of the structure, function, and regulation of biological macromolecules, including DNA, RNA, and proteins. The examination will also assess students’ ability to discuss the topics critically and to establish meaningful connections between concepts. Grades will be expressed on a 30-point scale, with a minimum of 18 and a maximum of 30 cum laude.

During the teaching, students will have access to lecture notes, slides, and scientific articles in PDF format. Tutoring sessions and support activities will be provided to clarify the topics covered. Office hours will be held by appointment. Additional information and updates will be communicated during lectures.

Experiments by Avery, Griffith, Hershey e Chase.
Nucleic Acids.
Structure and properties of nucleotides the nucleotides are made of bases, sugars and phosphates characteristic. Phosphodiester bond combine nucleotide units in nucleic acids. The nucleotide bases influence the three-dimensional structure of nucleic acids. Other roles of nucleotides in cells.
DNA structure.
DNA molecules have a typical base composition. Usually DNA is a double helix right-handed. The DNA helix shows different shapes. Physical characteristics of the DNA molecule: denaturation and renaturation.
RNA structure
RNA molecules have a typical base composition. RNA World: mRNA, tRNA, rRNA, small RNA and other RNA.
DNA replication.
Experiment by Meselson and Stahl. General features of DNA duplication. Replication in bacteria. The structure and the biological role of the different prokaryotic DNA polymerases. Exonuclease activity of DNA polymerase III: proofreading. Replication in eukaryotes. The structure and the biological role of the different eukaryotic DNA polymerases. Proliferating cell nuclear antigen (PCNA) link between duplication and cell cycle. Telomere and telomerase: the problem of extremities in the eukaryotic genome.
Mutations and mechanisms of DNA repair.
Types of mutations. Spontaneous mutations: duplication errors, Keto–enol tautomerism, Trinucleotide Repeat Expansion. Induced mutations: chemical agents, physical agents. Chemical agents: base analogues, deaminating agents, alkylating agents and intercalating agents. Physical agents: UV radiation, ionizing radiation, heat. Repair Systems: direct repair, nucleotide excision repair and base excision repair, mismatch repair, recombination repair. SOS mechanism.
RNA transcription.
General characteristics of the transcription. The structure of the prokaryotic promoter. Transcription in bacteria. Structural Biology of Bacterial RNA Polymerase and the key rule of sigma factors. Intrinsic terminators and the rho protein. RNA maturation in bacteria. Transcription in eukaryotes. Characteristics and structure of eukaryotic RNA polymerases: comparison between eukaryotic promoters. The transcription pre-initiation complex (PIC) and the role of general transcription factors in eukaryotes.
Maturation and modifications of the messenger RNA: signal sequences, capping, splicing and alternative splicing, self-splicing and polyadenylation. Editing
Maturation of ribosomal RNA and transfer. Post-transcriptional modifications of rRNA and tRNA. RNA degradation.
Protein
The stages of protein biosynthesis: the genetic code and its characteristics, role of tRNA, aminoacyl-tRNA synthetase, start factors, elongation and release in prokaryotes and eukaryotes. Inhibitors of protein synthesis. Post-translational modifications (protein folding, proteolytic cutting, chemical modification and splicing of inteins), sorting and degradation of proteins (the ubiquitin-proteasome system). Regulation of gene expression
Regulation of gene expression in prokaryotes: lactose and tryptophan operons.
Regulation of gene expression in eukaryotes: the example of antisense RNA and the mechanism of RNA interference (siRNA).

Advanced biomolecular technologies:
Gene sequencing. Agarose gel electrophoresis. PCR General principles and applications. RT-PCR, real-time-PCR, restriction enzymes. Types of restriction and modification systems. The basics of cloning: Main types of plasmids. Selective markers. Viral vectors. Chemical transformation and electroporation.