Programmazione Disciplinare: Chimica Organica e Biochimica Classi: V

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1 Istituto Tecnico Tecnologico Basilio Focaccia Salerno Programmazione Disciplinare: Chimica Organica e Biochimica Classi: V I Docenti della Disciplina Salerno, lì... settembre 2014

2 Finalità della Disciplina: Applicare i concetti ed i meccanismi basilari della chimica organica all interpretazione dei processi biochimici. Definire le principali caratteristiche funzionali dei microrganismi impiegati nei processi industriali. Affrontare i problemi generali relativi all allestimento di terreni di laboratorio e industriali. Descrivere la curva di crescita di un microrganismo ed i fattori che la influenzano. Comprendere e descrivere i più importanti processi metabolici ed i relativi sistemi di regolazione enzimatica. Descrivere le fermentazioni più usate per ottenere metaboliti primari e/o secondari. Descrivere i meccanismi delle trasformazioni genetiche e alcuni esempi di produzioni biotecnologiche con la tecnica del DNA ricombinante Reperire, anche in lingua inglese, e selezionare le informazioni su enzimi, gruppi microbici e virus. Modulo n.1 : BIOMOLECOLE Lipidi Carboidrati Amminoacidi e proteine Acidi nucleici Saper descrivere le caratteristiche funzionali delle principali biomolecole. Correlare la struttura delle molecole e delle macromolecole biorganiche con la loro funzione biologica. Saper scrivere le strutture delle biomolecole conoscere le strutture e le caratteristiche chimiche fondamentali delle biomolecole conoscere le basi della nomenclatura delle biomolecole conoscere i composti carbonilici, derivati degli acidi, ammine e composti eterociclici - Contenuti: Lipidi: classificazione, caratteristiche strutturali e proprietà degli acidi grassi, struttura e proprietà dei gliceridi, cere, fosfolipidi, glicolipidi, prostaglandine, terpeni e steroidi. Idrogenazione degli oli vegetali, Saponificazione dei grassi e degli oli. I saponi e i detergenti sintetici. Transesterificazione degli oli vegetali per ottenere il biodiesel. Carboidrati: classificazione, stereochimica, proiezioni di Fisher, struttura ciclica semiacetalica, proiezioni di Haworth, anomeria e mutarotazione, Strutture furanosiche e piranosiche. Reazioni dei monosaccaridi. Glicosidi. Principali Monosaccaridi, Disaccaridi e Polisaccaridi. Fosfati degli zuccheri, desossi zuccheri, ammino zuccheri. Amminoacidi, peptidi e proteine: proprietà e classificazione degli amminoacidi naturali, stereochimica. Proprietà acido-base, punto isoelettrico. Elettroforesi. Reazione della ninidrina. Peptidi e legame peptidico. Proteine. Struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria. Conformazione nativa di una proteina ed agenti denaturanti. Classificazione delle proteine in base alla loro funzione biologica. Nucleotidi ed acidi nucleici: basi azotate e struttura dei nucleosidi e dei nucleotidi. DNA: struttura primaria e Struttura secondaria del DNA (doppia elica). Struttura e funzioni dell RNA. Il codice genetico. Nucleotidi biologicamente importanti: ATP, Coenzima A, NAD e FAD. Nota sul Modulo 1: Questo modulo viene parzialmente inserito anche nella programmazione del quarto anno. Pertanto alcuni argomenti ( lipidi, carboidrati) devono considerarsi a cavallo tra la classe quarta e la classe quinta e saranno affrontati in quinta a seconda del programma che si è riuscito a svolgere durante il precedente anno scolastico. - Periodo di svolgimento del Modulo: settembre- ottobre-novembre - Numero ore previste per lo svolgimento del Modulo: 15 ore Modulo n.2 : ENZIMI Meccanismo d azione degli enzimi Cinetica enzimatica Inibizione enzimatica Controllo dell attività enzimatica Enzimi immobilizzati Rappresentare l equazione cinetica di Michaelis-Menten, Valutare i parametri più significativi (Km e Vmax) anche in presenza di inibitori reversibili (competitivi e non) Conoscere le tecniche di immobilizzazione degli enzimi Conoscere il meccanismo d azione degli enzimi e il modello cinetico di Michaelis Menten Conoscere il meccanismo del controllo dell attività enzimatica Saper spiegare l azione degli enzimi nel metabolismo cellulare Saper spiegare la cinetica degli enzimi Valutare i parametri che incidono sulla cinetica (enzimatica) delle reazioni. Saper spiegare i vantaggi dell utilizzo degli enzimi immobilizzati.

3 Conoscere l argomento : amminoacidi e proteine Classificazione internazionale degli enzimi. Cofattori enzimatici. Meccanismo d azione degli enzimi e sito catalitico. Cinetica delle reazioni catalizzate da enzimi: equazione di Michaelis-Menten e significato della K M e V max. Retta dei doppi reciproci (Lineweaver-Burk). Fattori di regolazione della velocità di una reazione enzimatica: concentrazione del substrato, concentrazione dell enzima, ph, temperatura. lnibitori dell attività enzimatica: inibizione reversibile competitiva e non competitiva, Variazione della K M e Vmax ed esempi di inibitori; Inibizione irreversibile. Enzimi allosterici: modelli Monod e Koshland. Effettori allosterici. Cinetica degli enzimi allosterici. Applicazione degli enzimi in campo industriale. Enzimi extracellulari ed endocellulari. Enzimi in soluzione ed enzimi immobilizzati. Generalità su tecniche di immobilizzazione. Vantaggi nell applicazione degli enzimi immobilizzati in campo industriale. Periodo di svolgimento del Modulo: novembre, maggio - Numero ore previste per lo svolgimento del Modulo: 5 ore Modulo n.3 : MICROBIOLOGIA Cellula procariotica e eucariotica Batteri, lieviti e muffe Coltivazione microrganismi Terreni di coltura Allestimento di una coltura cellulare Tecniche di sterilizzazione Descrivere la curva di crescita di un microrganismo ed i fattori che la influenzano. Distinguere i terreni di coltura. Conoscere le caratteristiche dei materiali utilizzati in un laboratorio di microbiologia Considerare i microrganismi come laboratori delle fermentazioni. Conoscere la classificazione dei viventi e la morfologia delle cellule microbiche Conoscere le condizioni di crescita cellulare Conoscere i processi di crescita microbica Conoscere le tecniche di sterilizzazione Conoscere le biomolecole Saper descrivere le caratteristiche morfologiche e funzionali della cellula e dei principali organuli. Saper descrivere i fattori ambientali e nutrizionali che influenzano lo sviluppo di una popolazione batterica Saper descrivere la cinetica di crescita batterica Saper preparare i terreni di coltura L organizzazione cellulare: cellula eucariotica e cellula procariotica. I virus e ciclo litico. Riproduzione dei microrganismi. Suddivisione dei microrganismi: fonti nutritive, fonti energetiche, richiesta di O 2, temperatura, ph, salinità. Nomenclatura. I procarioti. Morfologia e componenti della cellula batterica. Composizione chimica della parete cellulare dei batteri Gram + e Gram - : Colorazione di Gram. Formazione dell endospora. Gli eucarioti. I Protisti: protozoi (paramecio e vorticella) e protisti algali. I lieviti: generalità, classificazione, riproduzione ed esigenze nutrizionali. Le muffe: classificazione, riproduzione ed esigenze nutrizionali. Terreni di coltura: classificazioni e Costituenti dei terreni colturali. Controllo della crescita microbica e fattori chimici e fisici che la influenzano. Sterilità e metodi di sterilizzazione. Processi di coltivazione: crescita limitata e non limitata. Modello cinetico di crescita non limitata, curva di crescita di un microrganismo e produzione di metaboliti. Tasso di crescita specifico e tempo di raddoppio. Crescita in discontinuo e coltura in batch, cinetica di formazione dei prodotti. Crescita in continuo e controllo ( turbidostato e chemostato). Applicazione dei microrganismi in campo industriale. ESPERIENZE DI LABORATORIO previste (Microscopia e allestimento di vetrini. Osservazione di cellule animali, cellule vegetali, cellule di lievito, fermenti lattici nello yogurt. Sterilizzazione. Preparazione dei Terreni di coltura. Colorazione di Gram ). - Periodo di svolgimento del Modulo: novembre, dicembre, gennaio - Numero ore previste per lo svolgimento del Modulo: 12 ore Modulo n.4 : METABOLISMO MICROBICO e REGOLAZIONE Periodo di realizzazione: febbraio-marzo

4 Trasmissione dell informazione genica e sintesi proteica. Meccanismo della regolazione dell attività enzimatica Replicazione del DNA in vitro (PCR) Ciclo glicolitico e metabolismo ossidativo dei glucidi in aerobiosi e anaerobiosi Catabolismo dei trigliceridi Metabolismo degli aminoacidi Bioenergetica e ciclo dell'atp (reazioni accoppiate nella fosforilazione ossidativa) Saper descrivere il meccanismo generale della trasmissione dell informazione genica e della sintesi proteica Saper descrivere i meccanismi di regolazione del metabolismo studiati Saper descrivere le trasformazioni inerenti ai cicli metabolici. Saper individuare nei cicli metabolici le strategie d'utilizzo dell'energia chimica da parte di organismi viventi elementari (batteri) Saper applicare le informazioni acquisite nel modulo per la comprensione dei processi biotecnologici oggetti di studio Conoscere il meccanismo generale della trasmissione dell informazione genica e della sintesi proteica Conoscere i meccanismi di regolazione. Conoscere il metabolismo microbico Conoscere gli argomenti dei moduli precedenti. - Contenuti DNA e biosintesi delle proteine. Replicazione del DNA e complesso DNA polimerasi nella cellula eucariotica e procariotica. La replicazione del DNA in vitro: Tecnica della reazione a catena della polimerasi (PCR). Trascrizione procariotica ed eucariotica, modifiche post-trascrizionali. Traduzione, tappe (attivazione amminoacidi, tappe di inizio, allungamento e terminazione) e modifiche post-traduzionali. Regolazione della sintesi di proteine enzimatiche. Controllo della frequenza di trascrizione genica: enzimi inducibili ed enzimi reprimibili. Operone lattosio, operone arginina, repressione da catabolita (glucosio). Regolazione dell attività delle proteine enzimatiche. Controllo mediante modifiche covalenti delle proteine enzimatiche (irreversibili: attivazione di zimogeni, reversibili: fosforilazioni e adenilazioni degli enzimi). Controllo mediante l associazione reversibile di attivat ori o inibitori con enzimi a struttura III o modulatori positivi o negativi con enzimi a struttura IV ( enzimi allosterici). Enzimi chiave regolatori, inibizione retroattiva (feed-back). Metabolismo. Fermentazione e respirazione. Principi di bioenergetica. Legami ricchi di energia. Ruolo dell ATP e di altri composti fosforilati nel metabolismo cellulare. Principali vie metaboliche microbiche. Glicolisi o via di Embden-Meyerhof-Parnas (EMP), via di Entner-Doudoroff (ED), via del fosfogluconato (generalità), ciclo di Krebs, catena respiratoria terminale e fosforilazione ossidativa. Bilancio energetico. Fermentazioni: Fermentazione alcolica, fermentazione lattica, fermentazione eterolattica, altre fermentazioni a partire da piruvato (generalità). Bilancio energetico. Gluconeogenesi. Metabolismo dei lipidi e bilancio energetico. Metabolismo degli amminoacidi. - Periodo di svolgimento del Modulo: febbraio, aprile-maggio - Numero ore previste per lo svolgimento del Modulo: 28 ore Modulo n.4 : GENETICA MICROBICA Mutazioni, agenti mutageni e selezione dei mutanti, nei batteri Trasferimenti genici e ricombinazione genetica, nei batteri Tecnica del DNA ricombinante. Saper descrivere i meccanismi delle trasformazioni genetiche studiate Saper descrivere le principali applicazioni industriali del miglioramento genetico dei batteri Saper applicare le informazioni acquisite nel modulo per la comprensione dei processi biotecnologici oggetti di studio Conoscere le modifiche genetiche dei microrganismi e la tecnica del DNA ricombinante nelle linee essenziali Conoscere gli argomenti dei moduli precedenti Le biotecnologie e le modifiche genetiche dei microrganismi. Mutazioni genotipiche (macrolesioni e microlesioni), modalità e classificazione. Mutazioni fenotipiche. Agenti mutageni. Trasferimenti genici e ricombinazione genetica. Meccanismo della trasformazione batterica. Enzimi di restrizione: classificazione e impiego. Tecnica del DNA ricombinante: isolamento e purificazione del gene da clonare, trasferimento del gene nel DNA di un vettore plasmidico, introduzione di DNA ricombinante in una cellula ospite e tecnica di isolamento di cellule ricombinanti. Clonazione del

5 DNA ricombinante. Problemi connessi con la produzione di proteine eucariotiche da parte di un batterio, proteine di fusione. Cenni su virus inattivati per la terapia genica. - Periodo di svolgimento del Modulo: aprile-maggio - Numero ore previste per lo svolgimento del Modulo: 24 ore Modulo n.5 : MICRORGANISMI E PRODUZIONI INDUSTRIALI Caratteristiche generali dei fermentatori. Produzioni Biotecnologiche Microrganismi per le produzioni industriali Lieviti (produzione di lieviti a uso alimentare; fermentazione alcolica: produzione di etanolo e bevande alcoliche); Muffe (fermentazione citrica, produzione di antibiotici: le penicilline); Batteri (fermentazione lattica). Produzione biotecnologica di somatostatina e insulina. Utilizzo di batteri per il risanamento ambientale e per la produzione di biochemicals e bioplastiche Saper descrivere i processi produttivi studiati Conoscere le applicazioni delle biotecnologie nella Green Chemistry Saper applicare le informazioni acquisite nel modulo per la comprensione dei processi biotecnologici oggetti di studio e non Saper ricercare in rete, e comprendere, nuovi processi biotecnologici Conoscere i processi produttivi nelle loro linee essenziali Conoscere gli argomenti dei moduli precedenti Caratteristiche generali dei fermentatori. Produzioni Biotecnologiche: Lieviti (produzione di lieviti a uso alimentare; fermentazione alcolica: produzione di etanolo e bevande alcoliche); Muffe (fermentazione citrica, produzione di antibiotici: le penicilline); Batteri (fermentazione lattica). Utilizzo di batteri per il risanamento ambientale e per la produzione di biochemicals e bioplastiche. - Periodo di svolgimento del Modulo: maggio/giugno - Numero ore previste per lo svolgimento del Modulo: 15 ore Notizie comuni a tutti i moduli: - Tipologia Verifiche: Prove non strutturate stimolo aperto e risposta aperta risposte non univoche e non programmabili - X Interrogazioni Temi X Relazioni Articoli Lettere X Riflessione parlata (verbalizzazione delle operazioni mentali che si stanno utilizzando per la soluzione di un problema/esercizio) Prove semistrutturate stimolo chiuso e riposta aperta risposte non univoche ma in gran parte predeterminabili grazie a vincoli posti dagli stimoli - Composizioni Saggi brevi Riassunti Interviste X Ricerche X Esperienze di laboratorio X Risoluzione di problemi Esercizi di calcolo Prove strutturate stimolo chiuso e risposta chiusa risposte univoche e predeterminabili - X Test vero/falso X Test a scelta multipla Close test Corrispondenze - Modalità didattiche: X Apprendimento cooperativo Debriefing (riflessione autocritica di ciò che si è fatto) X Brain storming X Didattica laboratoriale Individualizzazione X Metodologia IBSE X Documentazione X Interdisciplinarietà

6 Metodo didattico (organizzazione tecniche, procedure, strumenti idonei a conseguire un obiettivo) Personalizzazione (contratto formativo) X Problem solving (pianificazione delle azioni) - Strumenti didattici: X Libro di testo Tagliaferri, Grande Biotecnologie e Chimica delle Fermentazioni Ed. Zanichelli Metodo euristico X Metodo sperimentale X Lavoro di gruppo Percorso operativo per la Problem posing Role playing costruzione consapevole della conoscenza X Didattica immersiva Ricerca Azione X Strumenti formativi (uso di mediatori didattici finalizzati alla visualizzazione grafica e alla formalizzazione di operazioni logico/mentali grafici, schemi, tabelle, diagrammi...-) X Appunti X Laboratorio Virtuale X Computer X Lavagna X Software X LIM Considerazioni sulla Metodologia Le metodologie didattiche, in relazione agli obiettivi definiti, si baseranno su: lezioni in classe, con il coinvolgimento attivo della scolaresca e con costante riferimento al libro di testo, integrato con f otocopie ed appunti vari; utilizzo di sussidi multimediali quali presentazioni in Power Point, video e laboratori virtuali; esperienze di laboratorio; visita dei laboratori di ricerca biotecnologica. Le esercitazioni di laboratorio seguiranno, per quanto possibile, gli argomenti trattati in teoria e costituiranno un utile strumento per consolidare gli argomenti studiati oltre che un importante momento formativo del lavoro di gruppo. Si cercherà inoltre di sfruttare anche il momento della verifica orale come spunto per la ripetizione e l ulteriore chiarimento e rafforzamento dei concetti studiati. In caso di necessità nel corso dell anno verranno organizzate attività di recupero, con interventi individualizzati, e di approfondimento attraverso coinvolgimento attivo degli studenti mediante ricerche in rete. Le lezioni verranno proposte secondo una programmazione temporale intermodulare differenziata e trasversale, a causa della co mplessità degli argomenti trattati e delle rispettive interconnessioni. Considerazioni sulle Verifiche L attività di verifica sarà effettuata attraverso tests scritti, colloqui, relazioni di laboratorio e produzione di elaborati in forma multimediale. Essa riguarderà il controllo dei risultati raggiunti dagli alunni rispetto agli obiettivi prefissati e contemporaneamente sarà un occasione per riesaminare il lavoro svolto in classe ed eventualmente modificare l attività programmata. Considerazioni sulla Valutazione La valutazione sarà basata sul grado di preparazione, sul livello di approfondimento e di autonomia e sulle capacità di esposizione ed elaborazione in modo semplice e corretto dei contenuti studiati. Tuttavia si terrà conto anche della situazione di partenza, dell impegno profuso nella partecipazione al dialogo educativo e dell acquisizione o meno di un efficace metodo di studio. Griglie di correzione degli elaborati scritti/relazioni di laboratorio se previsti dalla Disciplina Si rimanda alle griglie di valutazione inserite nel POF e approvate dal Collegio dei Docenti. I Docenti della Disciplina Anna Madaio Marilena Colucci Dario Santoro