Biochimica del Metabolismo ed Enzimologia

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1 Biochimica del Metabolismo ed Enzimologia Corso di Laurea Magistrale in Medicina Veterinaria Facoltà di Medicina Veterinaria Università degli Studi di Teramo Anno Accademico 2015/2016 Docente: Sergio Oddi, Ph.D. Orario di ricevimento Al termine delle lezioni o su richiesta via all'indirizzo soddi@unite.it Sezione di Biochimica e Biologia Molecolare. Via R. Balzarini, Teramo. Tel Informazioni generali Il modulo di "Biochimica del metabolismo ed enzimologia" (BME, 5 CFU), insieme a quello di Biochimica dei sistemi e degli apparati (BSA, 6 CFU), fa parte del corso integrato di Biochimica. Gli studenti possono informarsi e porre specifiche domande circa i contenuti del corso e le modalità di svolgimento delle prove scritte, utilizzando le risorse presenti sul seguente sito: 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 Biochimica degli Apparati e dei Sistemi (BSA) Dott.ssa Daniela Barsacchi Docenti di Materie Affini Prof. Enrico Dainese Dott. Roberto Giacominelli Stuffler Dott.ssa Cinzia Rapino 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. Sergio Oddi, PhD 1

2 Prerequisiti Il modulo di BME richiede conoscenze logico-matematiche di base e il superamento del corso Chimica e Propedeutica Biochimica. PROGRAMMA DEL MODULO DI BME 1 Prima unità didattica Enzimologia (ore 18) 1.1 Proprietà generali degli enzimi (3 ore) Richiami di chimica organica. Richiami di biochimica di base. Richiami di stereochimica. Richiami di termodinamica chimica. 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). 1.2 Cinetica enzimatica (3 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 enzimatica. Inibitori enzimatici come farmaci. 1.3 Meccanismi di catalisi enzimatica (3 ore) Cenni di teoria dello stato di transizione. Stabilità cinetica e stabilità termodinamica. Catalisi acidobase. Meccanismo della RNasi A. Effetto del ph sull attività enzimatica. Catalisi covalente. Nucleofili ed elettrofili di rilevanza biologica. Catalisi da effetti di prossimità e orientamento. Ruolo dello Zn2+ nell anidrasi carbonica. Catalisi da legame preferenziale dello stato di transizione. Meccanismo enzimatico delle serina proteasi: la chimotripsina. 1.4 Regolazione dell attività enzimatica (3 ore) Regolazione genetica. Regolazione allosterica. Aspartato transcarbamilasi. Regolazione da modificazione covalente (protein chinasi e protein fosfatasi). 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. La cascata di coagulazione del sangue. 1.5 Diagnostica enzimatica (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. 1.6 Esercitazione in aula e Progetto Biochimica Online (3 ore) 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 o equivalenti). Cenni delle principali tecniche di analisi biochimica: PCR, ELISA e Western blotting. Progetto Biochimica Online. Wikipedia. Principali Sergio Oddi, PhD 2

3 risorse online per reperire informazioni biomediche (Pubmed, ISI web of science, Scopus). Principali indicatori della qualità della ricerca scientifica (fattore di impatto, indice di Hirsch o indice h). 2 Seconda unità didattica Metabolismo (17 ore) 2.1 Introduzione al metabolismo e alla sua regolazione (3 ore) Organismi autotrofi ed eterotrofi. Metabolismo anaerobio e aerobio. Fabbisogno di vitamine e oligoelementi. Malattie da carenza di vitamine. Catabolismo e anabolismo. Gli stati di ossidazione. Meccanismi di regolazione. Biosegnalazione. Ormoni. Trasduzione del segnale. Recettori accoppiati a proteine G. Recettori con attività tirosinchinasica. Recettori nucleari. 2.2 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). Consumo metabolico basale. 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. Cenni sulle specie reattive dell ossigeno e degli enzimi di difesa antiossidante. 2.3 Metabolismo dei carboidrati (3 ore) 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. Malattie metaboliche (intolleranza al lattosio e galattosemia). 2.4 Il ciclo dell acido citrico e la 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. 2.5 Metabolismo dei lipidi (2 ore) Cenni di digestione e assorbimento dei lipidi. Ossidazione degli acidi grassi. I corpi chetonici. Biosintesi degli acidi grassi. Regolazione del metabolismo degli acidi grassi. Malattie metaboliche. 2.6 Catabolismo degli amminoacidi (2 ore) Cenni di digestione e assorbimento delle proteine. Transaminazione degli amminoacidi. Ciclo dell urea. 2.7 Report scientifico (3 ore) Discussione critica di un lavoro scientifico su una tematica di interesse generale. Sergio Oddi, PhD 3

4 OBIETTIVI FORMATIVI Conoscenza e capacità di comprensione Prerequisito essenziale per la comprensione degli argomenti del corso è una solida conoscenza della composizione chimica degli esseri viventi, che lo studente dovrebbe aver appreso con lo studio degli argomenti del corso di "Chimica e Propedeutica Biochimica". Partendo da questa base culturale, con il corso di BME, lo studente dovrà acquisire una buona conoscenza e comprensione dei concetti di base dell'enzimologia rilevanti per la professione del medico veterinario, tra cui la familiarità con la struttura e la funzione generale degli enzimi e delle principali vie metaboliche che operano in un organismo vivente. In particolare, lo studente dovrà essere in grado di descrivere: (i) i concetti di base della biochimica a partire dalle sue basi propedeutiche, con particolare attenzione alla termodinamica chimica e alla cinetica enzimatica; (ii) le principali vie metaboliche degli zuccheri, dei lipidi e degli amminoacidi e i loro punti di interconnessione e regolazione. Dovrà inoltre dimostrare di aver acquisito padronanza adeguata dei concetti e dei temi legati alla biosegnalazione e alla regolazione enzimatica e metabolica. Infine, dovrà essere in grado di descrivere i più rilevanti marcatori biochimici utilizzati in diagnostica clinica, nonché le principali tecniche biomolecolari (Western blot, ELISA, RT-PCR) utilizzate in ambito clinico-diagnostico oltre che agroalimentare. Capacità di applicare conoscenza e comprensione Lo studente dovrà acquisire capacità e competenze necessarie per traslare le informazioni teoriche e le abilità operative acquisite nell ambito del corso di BME nel contesto professionale del medico veterinario. In particolare, egli dovrà essere in grado di valutare con competenza i risultati dell'analisi quantitativa e qualitativa dei parametri biochimici in campioni biologici, anche a fini della diagnosi e della valutazione della predisposizione a malattie genetiche e metaboliche. Per perseguire questi obiettivi sono previsti momenti di approfondimento e discussione in aula in cui si richiederà allo studente di applicare le proprie conoscenze metodologiche e teoriche per la determinazione dei parametri cinetici di un enzima (esercitazione in aula) e per l esame critico di un lavoro scientifico in lingua inglese (report scientifico) selezionato dal docente e riguardante un argomento di interesse generale. L esercitazione in aula fornirà agli studenti l occasione di familiarizzarsi con le più comuni procedure di calcolo, attraverso l uso di software statistici di base e di formule disponibili su fogli di calcolo elettonici (Microsoft Excel o equivalenti). Autonomia di giudizio 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. L'autonomia di giudizio verrà stimolata mediante lo sviluppo guidato dell analisi e dell interpretazione individuale dell'articolo scientifico selezionato dal docente. A tale scopo, verranno analizzati in aula diverse tesi interpretative dei risultati descritti nell'articolo, sollecitando gli studenti alla discussione. L'autonomia di giudizio sarà verificata durante la prova orale, valutando il grado di originalità e competenza con cui lo studente tratta le tematiche emerse durante il report dell'articolo scientifico. Abilità comunicative Sergio Oddi, PhD 4

5 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 delle funzioni degli organismi animali. Per rafforzare tale abilità, gli studenti saranno incoraggiati a creare e/o a modificare voci dedicate alla biochimica sul portale dell enciclopedia online Wikipedia (Progetto Biochimica Online). Il contributo personale e originale dato dallo studente in tale ambito verrà opportunamente valutato in sede d esame. Capacità di apprendimento Lo studente dovrà aver acquisito non solo competenze e conoscenze adeguate al superamento della prova d esame, ma soprattutto stimoli, capacità e metodi di apprendimento adeguati per l'aggiornamento e l'innalzamento continuo delle proprie competenze nell ambito della biochimica. In particolare, verrà posta particolare attenzione al saper osservare un organismo vivente da un punto di vista dell indagine biochimica e biologico-molecolare, anche mediante strumenti particolarmente idonei (per esempio, di tipo informatico) per l accesso alle informazioni e ai data base di tipo biochimico e biologico-molecolare (i.e., PUBMED, Wikipedia). Pertanto, allo studente verranno trasmesse le motivazioni ed i metodi per progredire a livelli di conoscenza sempre più avanzati nell ambito della biochimica generale e clinica, consentendo lo sviluppo di un adeguata autonomia operativa. FREQUENZA La frequenza alle lezioni è obbligatoria. Tutti gli studenti, aderenti al patto, o meno, sono tenuti a frequentare una percentuale non inferiore al 75% delle lezioni del corso, pena l esclusione dalla possibilità di sostenere le prove in itinere 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 e/o tramite registro cartaceo. REGOLAMENTO D'ESAME Esame del corso integrato di Biochimica L esame del corso integrato prevede due esami separati relativi ai due moduli costitutivi (BME e BSA). Il superamento dell esame del modulo di BME è propedeutico per quello della BSA. Il voto parziale ottenuto in BME sarà mantenuto per un periodo non superiore a un anno dalla data del superamento dell esame. Il voto finale del corso integrato di Biochimica deriva dalla media ponderata dei voti ottenuti nei due moduli, secondo la seguente formula: Voto finale = (5/11)*(voto BME) + (6/11)*(voto BSA) Le prove scritte del corso integrato saranno svolte con l'ausilio della piattaforma e-learning dell'università degli Studi di Teramo. Esame del modulo di BME L'esame del modulo di BME si compone di una prova scritta e di una prova orale. Il voto finale risulta dalla media dei voti ottenuti nella prova scritta e in quella orale. Sergio Oddi, PhD 5

6 La prova scritta richiede il superamento di due prove in itinere o, in caso di insufficienza in queste ultime, di un esame scritto finale su tutti gli argomenti del corso. Le prove in itinere si tengono durante il semestre al termine di ciascuna unità didattica e contengono una serie di 30 domande, tra risposta multipla, calcolata e corrispondenza, e limitate agli argomenti specifici di ciascuna unità. La risposta corretta a ogni domanda vale 1 punto. Le risposte sbagliate alle domande a risposta con più alternative comportano una penalità proporzionale alla gravità dell'errore e possono determinare l'annullamento della domanda (punteggio = 0). Le prove in itinere si intendono superate con un punteggio medio uguale o maggiore di 18,0 e permettono di accedere direttamente all orale. In caso di insufficienza nelle prove in itinere, al termine del semestre, lo studente è tenuto a sostenere un esame scritto finale consistente in un quiz di 30 domande, tra risposta multipla, calcolata e corrispondenza, sugli argomenti dell'intero modulo. La risposta corretta a ogni domanda vale 1 punto. Le risposte sbagliate alle domande a risposta con più alternative comportano una penalità proporzionale alla gravità dell'errore e possono determinare l'annullamento della domanda (punteggio = 0). La prova si intende superata con un punteggio finale uguale o maggiore di 18,0. Il voto ottenuto nella prova scritta (i.e., prove in itinere o esame scritto finale) sarà mantenuto per un periodo non superiore a un anno dalla data del suo superamento. La prova orale, da sostenersi solo se si è superato la prova scritta, verte sull intero programma del modulo. In tale sede si procederà anche alla valutazione del livello di comprensione dell esercitazione svolta in aula nonché dell articolo scientifico discusso durante il corso. Come ulteriore elemento di valutazione, verrà anche considerata l'originalità e la qualità dell'eventuale contributo personale al "Progetto Biochimica Online" sul sito di Wikipedia. In caso di non superamento dell orale, il voto della prova scritta viene mantenuto fino alla sua naturale scadenza. Modalità di svolgimento delle prove scritte Le prove scritte del modulo di BME saranno svolte con l'ausilio della piattaforma e-learning del Patto con lo Studente. Questo rende necessaria la registrazione dello studente al corso, accessibile dal sito: Una volta entrati nel sito del corso di "Biochimica del Metabolismo ed Enzimologia" dell'anno accademico in corso si procede alla registrazione cliccando sulla voce "Iscrivimi in questo corso" presente nel blocco Amministrazione (in alto a sinistra). Per accedere è necessario ritirare il PIN presso la segreteria studenti (si noti bene che le credenziali di accesso non sono quelle utilizzate nel test di immatricolazione). Una volta in possesso del PIN è possibile accedere alla piattaforma utilizzando le stesse credenziali (codice fiscale e password o, in alcuni casi, username e password) dei Servizi Online del sito UniTE. Per accedere a questo metodo di valutazione tutti gli studenti dovranno essere muniti di tablet o, previa autorizzazione da parte del docente, di strumenti elettronici equivalenti (i.e., smartphone o portatili), in grado di connettersi a internet tramite wireless o in connessione dati. Durante lo svolgimento delle prove scritte 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 Sergio Oddi, PhD 6

7 all annullamento della prova e il riferimento della condotta scorretta ai competenti organi di Facoltà. I risultati di ogni test saranno visibili alla chiusura della prova, e, a richiesta, potranno essere discussi in aula con il docente. Data e orario dei parziali, nonché degli appelli ufficiali del corso, saranno comunicati al box APPELLI del sito del corso. Eventuali cambiamenti di orario e luogo delle prove saranno tempestivamente comunicati nel box COMUNICAZIONI agli STUDENTI. REGISTRAZIONE DEL VOTO Per la registrazione del voto finale del corso integrato di Biochimica gli studenti sono tenuti a prenotarsi al primo appello utile del corso di BME accedendo al sito: w.unite.it 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, Zanichelli, Bologna, Testo più avanzato, valido per tutti gli aspetti teorici del corso e per approfondimenti sulle prime due unità didattiche. 3. Lieberman, Marks, Biochimica Medica, Casa Editrice Ambrosiana, Milano, Testo da consultare per gli aspetti biomedici e per il capitolo sulla bioenergetica. Sergio Oddi, PhD 7

8 4. Siliprandi, Tettamanti, Biochimica Medica, Piccin, Padova, Testo da consultare per gli aspetti biomedici e per il capitolo sulle applicazioni diagnostiche degli enzimi. 5. Devlin, Biochimica con aspetti clinico-farmaceutici, EdiSES, Napoli, Testo da consultare per approfondimenti di carattere clinico-farmaceutico. 6. Baynes, Dominiczak, Biochimica 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