Dott.ssa Manuela Sanna Corso di Biochimica, Facoltà di Medicina e Chirurgia (I anno) Finalità generali. Il corso di Biochimica si propone di fornire agli studenti di medicina la chiave per capire il contesto fisico, chimico e biologico in cui si inquadrano molecole, reazioni e vie metaboliche; di dare rilievo alle relazioni tra struttura e funzione delle principali classi di macromolecole ed alla regolazione metabolica a livello molecolare e cellulare; di stimolare l'interesse dello studente sviluppando i vari argomenti in modo logico e consequenziale, evidenziando le connessioni tra i vari processi. Inoltre il corso si propone di introdurre i metodi sperimentali che hanno permesso di ottenere le principali acquisizioni scientifiche per un'efficace comprensione della Biochimica moderna. Obiettivi Alla fine del corso lo studente deve aver compreso i rapporti struttura-funzione delle principali molecole biologiche, i meccanismi biochimici essenziali per una corretta funzionalità metabolica e i fondamenti delle principali metodologie applicabili allo studio dei fenomeni biologici. PROGRAMMA BIOCHIMICA I ANNO L origine della vita e l evoluzione chimica: concetti generali Introduzione alla Biochimica, il carbonio come elemento costitutivo della vita, principali macromolecole di interesse biologico e le loro subunità monomeriche, differenze tra cellula eucariote e procariote, la centrifugazione differenziale, il legame chimico, legami covalenti e legami non covalenti ( legame ionico, legame covalente polare, legame a idrogeno e forze di Wan der Waals) principali reazioni chimiche che avvengono all interno della cellula, composizione chimica e legami delle biomolecole. L organizzazione generale della cellula e la distribuzione delle macromolecole: concetti generali L acqua: Interazioni deboli in ambiente acquoso, importanza dell acqua nei sistemi biologici, il legame ad idrogeno (interazione tra le molecole d acqua), interazioni delle molecole d acqua con soluti carichi e composti non polari, ionizzazione dell acqua, acidi e basi deboli. La costante di equilibrio dell acqua, la scala del ph,
le costanti di dissociazione degli acidi e basi deboli. I sistemi tampone come difesa dei cambiamenti di ph nel nostro organismo La termodinamica: prima legge della termodinamica, processi endotermici ed esotermici, calore e lavoro. L entalpia, disordine ed entropia (il II principio della termodinamica), l energia libera di Gibbs come indicatore della spontaneità delle reazioni. Bionergetica: relazioni energetiche tra anabolismo e catabolismo, significato metabolico dell ATP,.variazione dell energia libera di idrolisi dell ATP, composti fosforilati e tioesteri ad elevato contenuto energetico. Reazioni di ossido-riduzione di interesse biologico, potenziali di riduzione delle semireazioni. Relazione tra K I K eq e deltag ; il deltag delle reazioni chimich e più significative per il metabolismo; accoppiamento delle reazioni esoergoniche ed endoergoniche; delta G di idrolisi dei composti fosforilati e dei tioesteri; composti fosforilati capaci di sostenere la sintesi di ATP (fosforilazione a livello di substrato); formazione di un legame fosfodiestere. Coenzimi che agiscono da trasportatori universali di elettroni, il NADH e il NADPH. Le flavoproteine e il coenzima-a, funzioni, forme ossidate e ridotte. Le proteine: classificazione degli amminoacidi e legame peptidico, punto isoelettrico di un amminoacido, gli amminoacidi non standard, funzioni specializzate degli amminoacidi. I livelli di struttura delle proteine: struttura primaria, secondaria (le alfa eliche e i foglietti beta), terziaria e quaternaria delle proteine. Cristallografia a raggi X, dal gene alla proteina, le proteine fibrose ( le cheratine, le fibroine, collagene ed elastina) Funzione ed evoluzione delle proteine: mioglobina ed emoglobina, struttura e funzioni. Modalità di legame dell ossigeno alla mioglobina e la costante di associazione. L emoglobina e il trasporto dell ossigeno, cambiamenti nella struttura quaternaria dell emoglobina durante l ossigenazione e coperatività di legame, risposta ai cambiamenti di ph, trasporto della CO 2, il 2,3 bifosfoglicerato. Mutazioni dei geni che codificano per le subunità dell emoglobina umana (anemia falciforme e le talassemie). L emoglobina glicosilata.
Gli enzimi e la catalisi enzimatica: classificazione degli enzimi, (catalisi e catalizzatori; meccanismo d azione degli enzimi; complesso enzima-substrato e sito attivo). Elementi di cinetica enzimatica; cenni sui meccanismi di regolazione dell attività enzimatica, la Km e suo significato biologico, reazioni a più substrati (meccanismo casuale, meccanismo ordinato e meccanismo a ping-pong ). Inibizione enzimatica (inibizione reversibile e irreversibile), effetto del ph sull attività enzimatica, enzimi allosterici e regolazione degli enzimi allosterici. I fattori che influenzano la velocità della reazione: temperatura, ph, concentrazione del substrato I lipidi e le membrane biologiche: classificazione, nomenclatura e principali funzioni. Glicerofosfolipidi e sfingolipidi. Funzioni delle membrane biologiche, il modello a mosaico fluido, proteine integrali e periferiche. Trasporto attraverso le membrane, trasporto attivo e passivo, modello di trasporto del glucosio, trasporto attraverso canali ionici Trasporto di soluti e ioni; proteine canale e trasportatrici; uniporto e cotrasporto; gradiente elettrochimico e potenziale di membrana; e il recettore per l acetilcolina, ATP-asi sodio potassio. I carboidrati e la glicobiologia: classificazione, epimeri, formazione di emiacetali e emichetali e strutture cicliche dei carboidrati piranosiche e furanosiche, gli zuccheri fosforilati come intermedi dei cicli metabolici. I disaccaridi, polisaccaridi, struttura dell amido e glicogeno, i glicoconiugati (proteoglicani, glicoproteine e glicolipidi). Lipoproteine plasmatiche e trasporto dei lipidi. Metabolismo delle lipoproteine. Le apoproteine. Trasporto dei lipidi esogeni mediante i chilomicroni. Trasporto dei lipidi endogeni da parte di VLDL, IDL e LDL.HDL trasporto inverso del colesterolo. Recettori delle lipoproteine, dislipidemie, e aterosclerosi. Le statine. Funzioni e metabolismo del colesterolo.
Introduzione al metabolismo e il metabolismo del glucosio: catabolismo e anabolismo, metabolismo glucidico, digestione assorbimento e trasporto dei glucidi. La fase preparatoria e la fase di recupero energetico, la resa di ATP. Regolazione metabolica e ormonale della glicolisi. Il destino del piruvato, fermentazione lattica e alcolica. Utilizzo di substrati diversi dal glucosio, utilizzo del galattosio, le galattosemia. Il ciclo dell acido citrico: il destino del carbonio nel ciclo di Krebs, ossidazione del piruvato per l ingresso del carbonio nel ciclo, il complesso della piruvato deidrogenasi (enzimi, coenzimi e meccanismo di reazione). Ruolo della TPP nella decarbossilazione del piruvato Le razioni del ciclo e resa la resa energetica in relazione con la catena di trasporto degli elettroni. I componenti del ciclo come importanti intermedi metabolici (le reazioni anaplerotiche), regolazione del ciclo. Ossidazione degli acidi grassi: Assorbimento dei lipidi introdotti con la dieta, i trasporto e il metabolismo dei lipidi, le lipoproteine. Attivazione degli acidi grassi, il trasportatore acil-carnitina/carnitina, la β-ossidazione di un acido grasso saturo a catena pari di atomi di carbonio. Ossidazione degli acidi grassi polinsaturi a numero dispari di atomi di carbonio. Resa energetica e regolazione. Formazione dei corpi chetonici e utilizzo nei tessuti extraepatici. Ossidazione degli amminoacidi e ciclo dell urea: amminoacidi chetogenici e glucogenici, le specie amminoteliche, uroteliche e uricolteliche. Digestione delle proteine e azione delle peptidasi. Il ciclo glucosio alanina. Il ciclo dell urea, regolazione a breve e a lungo termine e costi energetici del ciclo. L acido urico: metabolismo dell acido urico, ipouricemia e iperuricemia, patologie associate ad alterati livelli di acido urico, la gotta e possibile ruolo di questa molecola nello stress ossidativo e nella disfunzione endoteliale. La fosforilazione ossidativa: il flusso elettronico mitocondriale, i trasportatori di elettroni (NAD, FMN, coenzima Q, citocromi e proteine con centri Fe-S) e i loro potenziale di riduzione. Il sistema navetta diidrossiacetone fosfato/ glicerolo tre
fosfato. Il complesso dell ATP-sintasi e il modello chemiosmotico e il meccanismo di formazione di ATP. Biosintesi dei carboidrati: la gluconeogenesi, conversione del piruvato in fosfoenolpiruvato (prima deviazione alla via glicolitica), la conversione del glucosio 1,6 bifosfato a fruttosio-6 fosfato (seconda deviazione), conversione del glucosio-6 fosfato in glucosio libero (terza deviazione), gli intermedi del ciclo dell acido citrico e gli amminoacidi glucogenetici come percursori del glucosio. Regolazione reciproca della glicolisi e della gluconeogenesi. Il glicogeno epatico e muscolare, sintesi e degradazione. Regolazione metabolica ed ormonale del metabolismo del glicogeno. Malattie da accumulo di glicogeno. Sintesi dei lipidi: il complesso dell acetil-coa carbossilasi, il complesso multi enzimatico dell acido grasso sintasi, sintesi degli acidi grassi insaturi e polinsaturi, biosintesi dei trigliceridi, regolazione della lipogenesi. Obesità e alterazioni lipidiche nell alcolismo. Integrazione e regolazione ormonale del metabolismo nei mammiferi: metabolismo tessuto specifico e divisione del lavoro. Ruolo del fegato nella gluconeogenesi, il ciclo alanina-glucosio, il ciclo latatto-glucosio. Biochimica del tessuto adiposo, del tessuto muscolare scheletrico e del miocardio. Regolazione ormonale del metabolismo: adrenalina, glucagone e insulina. Il diabete mellito. Regolazione a lungo termine della massa corporea, la leptina.