Programma e informazioni generali. Biochimica

Transcript

1 Università degli Studi di Teramo Facoltà di Medicina Veterinaria CdS in Tutela e Benessere Animale Anno Accademico 2014/2015 Docente: Sergio Oddi, Ph.D. Orario di ricevimento Al termine delle lezioni o su richiesta via mail soddi@unite.it Sezione di e Biologia Molecolare. Piazza Aldo Moro, 45. Teramo. Tel Informazioni generali Il modulo di (6 CFU), insieme a quello di Chimica (5 CFU), fa parte del corso integrato di Elementi di Chimica e. Gli studenti possono informarsi e porre specifiche domande circa i contenuti del corso e le modalità di svolgimento delle prove scritte, utilizzando il FORUM DOMANDE e RISPOSTE presente sul sito del corso: Il forum è aperto al contributo di ciascuno studente, che può partecipare ponendo domande ma anche dando risposte ai suoi stessi colleghi, rendendo il forum un punto di condivisione e di confronto costante durante tutta la durata del corso. In tal senso, lo studente è invitato a rispondere a SONDAGGI e sfruttare la CHAT del corso per scambiare in tempo reale impressioni e idee con il docente e gli altri studenti. Collaboratori Docente del modulo di Chimica Dott. Marcello Mascini Docenti di Materie Affini Prof. Enrico Dainese Dott.ssa Daniela Barsacchi Assistenti per Esercitazioni di Laboratorio Dott.ssa Clotilde Angelucci Dott.ssa Annalaura Sabatucci Modalità di insegnamento La didattica viene svolta con lezioni frontali, in lingua italiana. Prerequisiti Il modulo di richiede conoscenze logico- matematiche di base. Sergio Oddi, PhD 1

2 Programma del modulo 1 Prima unità didattica. La composizione chimica degli organismi viventi (15 ore) 1.1 Introduzione alla biochimica (6 ore) Richiami di chimica e termodinamica. I bioelementi. Gruppi funzionali e legami chimici in biochimica (gruppi funzionali: alcoolico, amminico, carbossilico, chetonico, aldeidico, ammidico, anidridico, estere, etere). Definizione biochimica di sistema vivente. Organizzazione molecolare della cellula. Organizzazione microscopica e molecolare della cellula procariotica e della cellula eucariotica, somiglianze e differenze. Compartimenti subcellulari: membrana plasmatica, citoplasma, nucleo, mitocondri, reticolo endoplasmatico, complesso di Golgi, vescicole di secrezione, lisosomi. L acqua. Proprietà fisiche dell acqua. Struttura dell acqua. Legame idrogeno. L acqua come solvente. Interazioni non covalenti. Interazioni elettrostatiche: legame ionico (interazione ione- ione), interazione ione- dipolo, interazione dipolo- dipolo. Forze di van der Waals. Effetto idrofobico. Proprietà chimiche dell acqua. Proprietà acido- base. Costante di dissociazione acida dell acqua. ph, pka, equazione di Henderson- Hasselbalch. I tamponi acido- base di rilevanza biochimica (tampone fosfato, tampone bicarbonato). 1.2 Nucleotidi e acidi nucleici (2 ore) Le basi azotate purina e pirimidina. Struttura di ribosio e desossiribosio. Nucleosidi e nucleotidi. AMP, ADP e ATP. Struttura degli acidi nucleici: DNA e RNA. Modelli di rappresentazione degli acidi nucleici. Regole di appaiamento delle basi. Replicazione. Trascrizione: mrna. Traduzione: rrna e trna. Il dogma centrale della biologia molecolare. Cenni sulle tecniche di studio e di analisi degli acidi nucleici (DNA polimerasi, reazione a catena della polimerasi, enzimi di restrizione). 1.3 Amminoacidi e proteine (3 ore) Strutture dei venti amminoacidi standard. Gruppi funzionali degli amminoacidi e loro proprietà chimico- fisiche. Reazione di condensazione. Richiami di stereochimica. La notazione di Fischer. La notazione di Cahn, Ingold e Prelog (RS). Derivati degli amminoacidi. Principali modificazioni post- traduzionali degli amminoacidi. Polipeptidi. Cenni sulle tecniche di studio e analisi delle proteine (ELISA, spettrofotometria, elettroforesi). Cenni sull evoluzione delle proteine. Struttura delle proteine. Struttura primaria. Legame peptidico. Legame disolfuro. Struttura secondaria. Risonanza del legame peptidico. Angoli di torsione. Diagramma di Ramachandran. L alfa- elica. I foglietti beta. Struttura terziaria. Struttura quaternaria. Stabilità delle proteine. Il ripiegamento delle proteine. Funzione delle proteine. Esempi di fisiologia molecolare: mioglobina ed emoglobina (esempio di meccanismo allosterico) e anticorpi. Applicazioni degli anticorpi in ambito analitico e clinico. Esempio di comprensione di una malattia a livello molecolare: l anemia mediterranea. 1.4 Carboidrati (1 ora) Monosaccaridi. Gruppi funzionali dei monosaccaridi (aldeidico, chetonico, alcoolico, emiacetalico, emichetalico, glicosidico). Struttura dei principali aldosi e chetosi. Gliceraldeide, diidrossiacetone, glucosio, fruttosio. Anomeri. Disaccaridi. Struttura di lattosio e saccarosio. Legami O- glicosidico e N- glicosidico. Polisaccaridi. Cellulosa. Amido (amilosio e amilopectina). Glicogeno. Sergio Oddi, PhD 2

3 1.5 Lipidi e membrane biologiche (3 ore) Classificazione dei lipidi. Acidi grassi. Triacilgliceroli. Glicerofosfolipidi. Cenni sugli sfingolipidi. Steroli. Colesterolo. Cenni su ormoni steroidei. Cenni sulle vitamine liposolubili (vitamina D, vitamina A, vitamina K, riboflavina, acido pantotenico, folati). Cenni sui derivati dell acido arachidonico, gli eicosanoidi. I doppi strati lipidici. Le membrane biologiche. Cenni sul trasporto di membrana. 2 Seconda unità didattica. Enzimologia (12 ore) 2.1 Proprietà generali degli enzimi (1 ora) Specificità di reazione e potere catalitico. Stereospecificità. Classificazione degli enzimi. Cofattori, ioni metallici e coenzimi. Struttura e funzione del NAD(P). Attività enzimatica (unità enzimatica e katal). 2.2 Cinetica enzimatica (2 ore) Richiami di cinetica chimica. Velocità di reazioni enzimatiche. Derivazione dell equazione di Michaelis- Menten. La costante catalitica (kcat) e velocità massima (Vmax). Significato della costante di Michaelis- Menten (Km). Determinazione grafica dei parametri cinetici di un enzima. Inibizione enzimatica. Inibizione competitiva. Inibitori enzimatici come farmaci. Diagnostica enzimatica. 2.3 Meccanismi di catalisi enzimatica (3 ore) Cenni di teoria dello stato di transizione. Stabilità cinetica e stabilità termodinamica. Catalisi acido- base. Meccanismo della RNasi A. Effetto del ph sull attività enzimatica. Catalisi covalente. Nucleofili e elettrofili di rilevanza biologica. Catalisi da effetti di prossimità e orientamento. Ruolo dello Zn 2+ nell anidrasi carbonica. Catalisi da legame preferenziale dello stato di transizione. Meccanismo enzimatico delle serina proteasi: la chimotripsina. 2.4 Regolazione dell attività enzimatica (3 ore) Regolazione genetica. Regolazione allosterica. Emoglobina. Regolazione da modificazione covalente (protein chinasi, protein fosfatasi, etc.). Cascata di attivazione enzimatica. Regolazione da proteolisi parziale: gli zimogeni. L attivazione della tripsina e della trombina come esempi di feedback positivo. Enzimi digestivi e zimogeni. Cenni di diagnostica enzimatica. 2.5 Diagnostica enzimatica e lezione pratica (3 ore) Enzimi di interesse clinico. Caratteristiche generali dei più importanti enzimi di interesse clinico. Lattato deidrogenasi (LDH). Creatinfosfochinasi (CK o CPK). Aspartato amminotransferasi (AST o GOT) e alanina amminotransferasi (GPT). Fosfatasi alcalina (ALP). Isoenzimi. Significato clinico dell attività degli enzimi presenti nei materiali biologici: siero e urine. Meccanismi responsabili delle variazioni di attività degli enzimi sierici in condizioni patologiche. Metodi di misura delle attività enzimatiche. Misura sperimentale dei parametri cinetici della fosfatasi alcalina. Richiami di chimica e matematica. Concentrazione molare. Equazione di una retta. Uso di programmi di analisi ed elaborazione dei dati (Microsoft Excel). Sergio Oddi, PhD 3

4 3 Terza unità didattica. Metabolismo (15 ore) 3.1 Introduzione al metabolismo (3 ore) Organismi autotrofi ed eterotrofi. Metabolismo anaerobio e aerobio. Fabbisogno di vitamine e oligoelementi. Cenni sulle malattie da carenza di vitamine. Catabolismo e anabolismo. Gli stati di ossidazione. Meccanismi di regolazione. Trasduzione del segnale. Meccanismi generali dell'azione degli ormoni. Classi di ormoni. Recettori accoppiati a proteine G (recettore del glucagone). Recettori con attività tirosin chinasica (recettore dell insulina). 3.2 Principi di bioenergetica e metabolismo ossidativo (2 ore) Energia, lavoro e calore. Forme di energia. Reazioni esoergoniche ed endoergoniche. Energia libera di Gibbs standard e di reazione. Principi di bioenergetica (studio delle trasformazioni energetiche nei sistemi viventi). Energia libera di idrolisi dell ATP e di altri composti ad alta energia. Ruoli metabolici dell ATP. Sintesi dell ATP. Le reazioni di ossidoriduzione. Ruolo di NAD(P) e FAD. Fosforilazione a livello del substrato. 3.3 Metabolismo dei carboidrati (3 ore) Cenni su digestione, assorbimento e trasporto dei carboidrati. Glicolisi. Destino del piruvato. Fermentazione omolattica. Fermentazione alcolica. Regolazione della glicolisi. Via del pentosio fosfato. Ruolo del NADPH. Regolazione della via del pentosio fosfato. Metabolismo del glicogeno. La demolizione del glicogeno. Sintesi del glicogeno. Il controllo del metabolismo del glicogeno (regolazione allosterica, regolazione covalente, regolazione ormonale). Gluconeogenesi. Regolazione della gluconeogenesi. Basi metaboliche dell intolleranza al lattosio. 3.4 Ciclo dell acido citrico e fosforilazione ossidativa (2 ore) Il ciclo dell acido citrico. Significato biologico. Sintesi dell acetil- coenzima A. Reazioni caratteristiche e meccanismi di regolazione. Le reazioni anaplerotiche. Il ciclo dell'acido citrico come fonte di precursori per le vie biosintetiche. Fosforilazione ossidativa. Cenni sulla catena di trasporto degli elettroni e sul meccanismo di sintesi di ATP ad opera dell ATP sintasi mitocondriale. 3.5 Metabolismo dei lipidi (2 ore) Cenni su digestione, assorbimento e trasporto dei lipidi. Ossidazione degli acidi grassi. Cenni sui corpi chetonici. Biosintesi degli acidi grassi. Regolazione del metabolismo degli acidi grassi. 3.6 Catabolismo degli amminoacidi (2 ore) Cenni su digestione delle proteine, assorbimento e trasporto degli amminoacidi. Escrezione dell azoto. Ciclo dell urea. 3.7 Integrazione del metabolismo (1 ora) Cenni sull integrazione del metabolismo. Gli effetti metabolici di insulina e glucagone. Differenze metaboliche dei diversi organi e tessuti (fegato, muscolo scheletrico, tessuto nervoso, tessuto adiposo e sangue). Ciclo di Cori. Sergio Oddi, PhD 4

5 Obiettivi formativi Lo studente dovrà aver acquisito un adeguata conoscenza e comprensione dei concetti di base della biochimica, enfatizzando quei principi che sono maggiormente rilevanti per il lavoro dell esperto del benessere animale, tra cui la familiarità con la struttura e la funzione generale degli enzimi e delle principali vie metaboliche delle maggiori specie animali. Conoscenza e capacità di comprensione (knowledge and understanding) Lo studente dovrà aver acquisito un adeguata conoscenza e comprensione dei concetti di base della biochimica, enfatizzando quei principi che sono maggiormente rilevanti per il lavoro dell esperto del benessere animale, tra cui la familiarità con la struttura e la funzione generale degli enzimi e delle principali vie metaboliche delle maggiori specie animali. Dovrà essere in grado di descrivere i principali marcatori biochimici utilizzati in diagnostica clinica. Capacità di applicare conoscenza e comprensione (applying knowledge and understanding) Lo studente dovrà aver acquisito la capacità di applicare concetti e metodologie della biochimica agli aspetti chimici, biologici, microbiologici, biofisici, tossicologici e patologici concernenti lo stato di salute, di malattia e di benessere dell animale singolo ed in allevamento. Autonomia di giudizio (making judgements) Un adeguata autonomia di giudizio, sia nel proprio ambito di lavoro che al di fuori di esso, potrà essere raggiunta attraverso la costituzione di una solida cultura scientifica, di cui i concetti fondamentali della biochimica rappresentano un importante componente. Abilità comunicative (communication skills) Lo studente dovrà essere in grado di esporre e spiegare, in maniera semplice ma rigorosa, anche a un pubblico non esperto, i processi molecolari che stanno alla base della fisiopatologia degli organismi animali. Capacità di apprendimento (learning skills) Lo studente dovrà essere in grado di collegare e integrare le conoscenze apprese con quelle fornite nei corsi precedenti e successivi. Inoltre, dovrà essere in grado di aggiornare le proprie conoscenze pertinenti alla biochimica, consultando pubblicazioni scientifiche anche in lingua inglese. Frequenza Gli studenti aderenti al patto, o pattisti, sono tenuti a frequentare non meno di 11 lezioni (ossia una percentuale non inferiore al 75% delle lezioni del corso), pena l esclusione dalla possibilità di sostenere le prove parziali e la segnalazione della loro mancata partecipazione alla Segreteria degli Studenti. La frequenza sarà registrata in aula utilizzando il box FREQUENZA CORSO sul sito del corso. Per tutti gli altri, la frequenza è facoltativa, anche se fortemente consigliata. Regolamento d'esame Per gli studenti aderenti al Patto, l esame del modulo di consiste nello svolgimento di 3 prove in itinere, o parziali, e di una prova tra pari. Anche se non sono tenuti a farlo, gli studenti non pattisti possono frequentare le lezioni e sostenere i parziali e la prova tra pari. In tal caso, la loro valutazione sarà equivalente a quanto descritto per gli studenti pattisti. Nel caso in cui, Sergio Oddi, PhD 5

6 invece, decidano di non sostenere la prova tra pari, gli studenti non pattisti verranno valutati in base ai voti ottenuti nei parziali o nella prova finale del corso. Prove in itinere e prova finale Le prove in itinere, o parziali, calendarizzate durante lo svolgimento del corso, sono prove scritte della durata di 30 minuti, ognuna delle quali incentrata su una unità didattica e comprendente 30 domande, tra risposta multipla, test vero/falso e corrispondenze. Il voto finale deriva dalla media dei tre parziali. Nel caso del mancato superamento delle prove parziali (voto medio nelle tre prove <18), alla fine del corso, lo studente dovrà sostenere una prova scritta (appello o prova finale) della durata di 30 minuti, concernente le tematiche dell intero modulo (30 domande, tra domande a risposta multipla, corrispondenze e test vero/falso, concernenti le tematiche delle tre unità didattiche). A discrezione del docente, o su espressa richiesta dello studente, alla prova finale scritta potrà seguire una breve prova orale. Prova tra pari Durante la durata del corso, gli studenti pattisti sono tenuti a sostenere una prova tra pari (o peer review), nella quale è richiesta la scrittura di un breve elaborato su un tema proposto dal docente. In tale prova, lo studente verrà valutato sia per il suo lavoro di scrittura che per il suo lavoro di revisione. Infatti, una volta caricato il suo manoscritto sulla piattaforma, il sistema gli assegnerà il compito di revisionare, in modo anonimo, il lavoro di 5 colleghi. Il voto della prova tra pari farà media con quello ottenuto nelle prove intermedie, o con quello dell esame finale (in caso di mancato superamento di queste ultime). Maggiori dettagli sono disponibili sul sito del corso al box PROVA TRA PARI, nonché sulle risorse presenti sul corso UTILITA sulla piattaforma e- learning dell Università di Teramo relativa al Patto con lo Studente. Per gli studenti pattisti, Il voto finale del modulo di deriva dalla media dei voti ottenuti nella prova tra pari e nelle tre prove in itinere, o, in caso di mancato superamento di queste ultime, con quello della prova finale. Il superamento dell esame del modulo di Chimica è propedeutico per quello di. Il voto parziale ottenuto in Chimica sarà mantenuto per un periodo non superiore a un anno dalla data del superamento dell esame. Il voto finale del corso integrato di Elementi di Chimica e deriva dalla media ponderata dei voti ottenuti nei moduli di " e di Chimica. Modalità di svolgimento delle prove scritte Le prove scritte del modulo di (prove in itinere, prova tra pari e appelli) saranno svolte con l'ausilio della piattaforma telematica del Patto con lo Studente che prevede la registrazione dello studente al sito del corso, accessibile al seguente link: cliccando sulla voce "Iscrivimi in questo corso" presente nel blocco Amministrazione (in alto a sinistra). È possibile accedere utilizzando le stesse credenziali (codice fiscale e password) dei servizi online per gli studenti presenti sul sito di Ateneo. Sergio Oddi, PhD 6

7 Per accedere a questo metodo di valutazione tutti gli studenti dovranno essere muniti di tablet o strumenti equivalenti (i.e., smartphone, portatili o strumenti equivalenti), purché in grado di connettersi a internet tramite wireless o in connessione dati. Durante lo svolgimento delle prove in itinere o finali è fatto assoluto divieto di utilizzare altri strumenti elettronici, fatto salvo il dispositivo che deve essere utilizzato per la soluzione del test. È altresì vietata la navigazione internet fuori dal sito del corso e l uso di altri programmi che non siano il browser necessario per l accesso al sito dell esame. Il mancato rispetto delle sopracitate regole porterà all annullamento della prova. Data e orario dei parziali, nonché degli appelli ufficiali del corso, saranno comunicati al box APPELLI e/o postati sul FORUM NEWS del sito del corso. Registrazione del voto Per la registrazione del voto finale del corso integrato di Elementi di Chimica e gli studenti sono tenuti a prenotarsi al primo appello utile del corso accedendo al sito: // tramite il proprio codice fiscale e la propria password. Si rammenta che la prenotazione ha valore esclusivamente se lo studente è in regola con il pagamento delle tasse e il rispetto delle propedeuticità. TEST di AUTOVALUZIONE Durante e dopo le lezioni, gli studenti possono verificare liberamente il loro grado di apprendimento, attraverso la continua risoluzione di test e domande, simili a quelli che troveranno durante le prove scritte. I quiz di autovalutazione sono reperibili al blocco AUTOVALUTAZIONE del sito del corso e sono disponibili agli studenti regolarmente registrati. TESTI CONSIGLIATI Raccolta di Appunti ed Esercizi di Lezione forniti dal docente integrati da uno dei seguenti testi a scelta tra i testi introduttivi essenziali o uno dei testi di approfondimento più completi. 1. Nelson e Cox, I principi di biochimica di Lehninger (VI edizione), Zanichelli, Bologna, Testo di base del corso, valido per tutti gli aspetti teorici del corso. 2. Voet, Voet e Pratt, Fondamenti di biochimica (IV edizione), Zanichelli, Bologna, Testo di base più avanzato, valido per tutti gli aspetti teorici del corso e per approfondimenti sulle prime due unità didattiche. Sergio Oddi, PhD 7

8 3. Lieberman, Marks, Medica, Casa Editrice Ambrosiana, Milano, Testo da consultare per gli aspetti biomedici e per il capitolo sulla bioenergetica. 4. Siliprandi, Tettamanti, Medica, Piccin, Padova, Testo da consultare per gli aspetti biomedici e per il capitolo sulle applicazioni diagnostiche degli enzimi. 5. Devlin, con aspetti clinico- farmaceutici, EdiSES, Napoli, Testo da consultare per approfondimenti di carattere clinico- farmaceutico. 6. Baynes, Dominiczak, per le discipline biomediche, Casa Editrice Ambrosiana, Milano, Testo da consultare per gli aspetti biomedici e per il capitolo sulla biochimica della coagulazione del sangue. Sergio Oddi, PhD 8