Insegnamento: BIOCHIMICA (cod. 65951; 6. CFU; 60. ore) A.A. 2014-2015 Corso di laurea: Tecnologie Alimentari (T.A.) Scuola di Agraria e Medicina Veterinaria - Campus di Cesena Prof.ssa Romana Fato OBIETTIVI FORMATIVI: Il corso ha come obiettivo principale quello di dare allo studente le conoscenze necessarie per comprenderei meccanismi molecolari che sono alla base della vita e delle trasformazioni dei composti organici. Al termine dell insegnamento lo studente deve essere in grado di comprendere le caratteristiche strutturali delle molecole di interesse biologico (proteine lipidi e zuccheri), le principali caratteristiche delle vie metaboliche deputate alla loro degradazione e biosintesi e la funzionalità degli enzimi. LEZIONI Temi e competenze acquisite Argomenti Contenuti specifici Ore 1. STRUTTURA E FUNZIONE DELLE MACROMOLECOLE BIOLOGICHE Introduzione alla Biochimica Acquisizione di: a) Corretta terminologia per la descrizione della struttura e delle proprietà delle macromolecole biologiche b) Capacità di discutere proprietà e funzioni delle macromolecole Gli Amino Acidi e la struttura primaria delle proteine Organizzazione tridimensionale delle proteine. Gli elementi costituitivi degli organismi viventi visti in funzione della loro capacità di formare legami covalenti; versatilità dell atomo di Carbonio. L importanza delle interazioni deboli nell organizzazione strutturale delle macromolecole biologiche e nei processi di riconoscimento tra biomolecole. I principali polimeri di interesse biologico ed i monomeri che li compongono Struttura generale degli Aminoacidi, classificazione degli amino acidi in base alla natura della catena laterale, valori di pka dei gruppi ionizzabili, zwitterione e punto isoelettrico degli amino acidi. Condensazione di due aminoacidi: il legame Peptidico e struttura primaria delle proteine. Il legame peptidico e la struttura secondaria delle proteine (α-elica; foglietto-β e ripiegamenti β). Struttura terziaria delle proteine: ruolo delle interazioni deboli nell architettura tridimensionale. Struttura quaternaria. Organizzazione delle catene polipeptidi che nella formazione di proteine multimeriche. Proteine semplici e proteine coniugate. 1
Meccanismi di ripiegamento delle Proteine Emoglobina e Mioglobina: Relazione struttura funzione. Le membrane biologiche: Acquisizione della capacità di descrivere la struttura dei lipidi e delle membrane per capirne e discuterne le proprietà e le funzioni correlandole con la loro composizione. Dinamica del ripiegamento delle proteine, ruolo dei chaperoni molecolari nei processi di folding. Funzioni delle proteine in relazione alla loro forma. Stabilità della forma nativa delle proteine. Curve di saturazione: effetto dei legami cooperativi e non cooperativi. Definizione di proteina allosterica e ruolo dei modulatori allosterici. Cenni sull effetto della sostituzione di un aminoacido sulla struttura/funzione della proteina: es.: emoglobina S dell anemia Falciforme. I lipidi: natura chimica, struttura e proprietà: Classificazione dei lipidi: acidi grassi, trigliceridi, fosfolipidi, colesterolo e derivati. Struttura delle membrane biologiche: Struttura e caratteristiche chimico fisiche di micelle e doppi stati fosfolipidici. Modello a mosaico fluido e diffusione laterale dei lipidi e delle proteine di membrana. Cenni sui lipid rafts. Il trasporto di membrana: trasporto attivo e passivo: diffusione semplice e facilitata. n.5 2. BIOENERGETICA ED ENZIMI La bioenergetica Acquisizione della capacità di applicare i principi di base della termodinamica alle variazioni energetiche associate ai processi metabolici. Gli enzimi: Acquisizione di conoscenze relative alla funzione degli enzimi come catalizzatori biologici ed al loro ruolo nella cinetica delle reazioni che Termodinamica e spontaneità dei processi metabolici Definizione e significato biologico dell energia libera; relazione tra energia libera, entropia ed entalpia di un sistema. Relazione tra energia libera e costante di equilibrio. Rapporto tra energia libera standard e reale. Reazioni di trasferimento di energia e composti ad alta energia: composti fosforilati ad alta energia (es.: ATP, 1,3- bisfosfoglicerato, fosfoenolpiruvato) e nucleotidi ridotti (NADH, NADPH e FADH 2 ). 2
avvengono negli organismi viventi per meglio comprenderne il corretto utilizzo nei processi di trasformazione e di conservazione degli alimenti Gli enzimi e la cinetica enzimatica Controllo dell attività enzimatica. Proprietà generali degli enzimi, classificazione e specificità. L energia di attivazione e la velocità delle reazioni. Meccanismi di catalisi enzimatica. Struttura del sito catalitico e stabilizzazione dello stato di transizione e velocità della reazione. La cinetica delle reazioni catalizzate da un enzima: definizione dello stato stazionario ed equazione di Michaelis- Menten. Significato di Vmax e di Km. Definizione di costante catalitica (kcat) ed efficienza catalitica.grafico dei doppi reciproci e sua utilità nella determinazione delle costanti cinetiche di una reazione enzimatica. Effetto della temperatura e del ph sulla velocità delle reazioni catalizzate dagli enzimi. Gli enzimi allosterici: caratteristiche e ruolo dei cambiamenti conformazionali cooperativi nella modulazione dell attività catalitica. Principali meccanismi di regolazione dell attività degli enzimi: ruolo dei modulatori allosterici e delle modulazioni covalenti. Regolazione a feedback. Gli zimogeni e meccanismi di attivazione irreversibile. n.4 n.4 Inibitori irreversibili e reversibili. Classificazione degli inibitori reversibili in competitivi, incompetitivi e non-competitivi. Effetto delle varie classi di inibitori sui parametri cinetici di un enzima (Km e Vmax). Inibitori suicidi. n.3 3
Le vie dell informazione: Acquisizione delle conoscenze di base sulla struttura degli acidi nucleici e sui principali meccanismi di duplicazione, trascrizione e sintesi delle proteine Struttura dei nucleotidi: zucchero a cinque atomi di carbonio (ribosio e deossiribosio), gruppo fosforico in posizione 5 e basi azotate per la sintesi del DNA e dell RNA. Differenze tra deossiribonucleotidi e ribonucleotidi. Reazione di polimerizzazione e formazione degli acidi nucleici (DNA ed RNA). Struttura a doppia elica del DNA e complementarietà tra le basi azotate. Diverse funzioni dell RNA. 3. METABOLISMO Acquisizione delle conoscenze di base delle principali vie metaboliche allo scopo di comprendere le diverse strategie messe in atto dagli organismi viventi per catturare l energia libera dall ambiente che li circonda. Introduzione al metabolismo e Metabolismo degli zuccheri. Meccanismi di duplicazione, trascrizione e sintesi delle proteine: DNA polimerasi e duplicazione del DNA. RNA polimerasi e sintesi dell mrna. trna e sintesi delle proteine. Organizzazione generale delle vie metaboliche e loro compartimentazione cellulare. Definizione di via catabolica ed anabolica. I cicli del substrato. Definizione della tappa di comando di una via metabolica, meccanismi di controllo allosterico e covalente. Ruolo dell ATP nella spontaneità delle vie metaboliche. Carica energetica cellulare e stato stazionario. 4
La Glicolisi. 2 fasi: Fase si investimento energetico: cinque reazioni da Glucosio a 2 molecole di gliceraldeide 3-Fosfato. Fase di recupero energetico: cinque reazioni da Gliceraldeide 3- fosfato a Piruvato. La resa netta è di 2 molecole di ATP guadagnate per ogni molecola di glucosio trasformato. Destino metabolico del piruvato: 1) aerobico: decarbossilazione ossidativa e trasformazione in acetil CoA 2) anaerobico: fermentazione lattica / alcolica. Ruolo della fosfofruttochinasi nel controllo della glicolisi. La Gluconeogenesi. Il fegato e il rene possono sintetizzare glucosio da lattato, piruvato e amminoacidi. 7 delle 10 reazioni della glicolisi sono utilizzate anche nella gluconeogenesi, le tre reazioni irreversibili della glicolisi sono sostituite: la piruvato chinasi è sostituita dalle reazioni della piruvato carbossilasi e della fosfoenolpiruvato carbossichinasi. Fosfofruttochinasi ed esochinasi sono sostituite da reazioni catalizzate da fosfatasi. La glicolisi e la gluconeogenesi sono reciprocamente regolate tramite effetti allosterici, fosforilazioni e cambiamenti della velocità di sintesi degli enzimi. n.4 5
La via del Pentosio fosfato: 1. Reazioni Ossidative, che portano alla formazione di NADPH e di ribulosio-5-fosfato (Ru5P). 2. Reazioni di isomerizzazione e di epimerizzazione, che trasformano il Ru5P in ribosio-5-fosfato (R5P) oppure in xylulosio-5-fosfato (Xu5P). 3. Una serie di tagli di legami C-C e di reazioni di condensazione che servono a riciclare gli intermedi per riinserirli nella via glicolitica. Metabolismo del glicogeno: Degradazione del glicogeno: ruolo della glicogeno fosforilasi e dell enzima deramificante. La biosentesi del glicogeno: Formazione dell UDP-glucosio. Ruolo della glicogeno sintasi, della glicogenina e dell enzima ramificante. Regolazione del metabolismo del glicogeno: ruolo dell insulina e del glucagone nella regolazione del metabolismo del glicogeno. Il ciclo di Krebs: via catabolica comune al metabolismo di tutti i nutrienti (glucidi, protidi e grassi). Gli otto enzimi del ciclo di Krebs catalizzano le reazioni di degradazione dell acetil CoA. Due reazioni producono CO 2, una reazione produce GTP e quattro reazioni generano i coenzimi ridotti NADH o FADH 2. La fosforilazione ossidativa: uso dell ossigeno molecolare come accettore finale degli equivalenti riducenti liberati dal catabolismo cellulare. Organizzazione della catena di trasporto degli elettroni e formazione del gradiente protonico transmembrana ed ipotesi chemiosmotica per la sintesi di ATP. n.3 6
Il metabolismo dei lipidi: cenni sui meccanismi di digestione e di assorbimento intestinale dei lipidi. Catabolismo degli acidi grassi. Il metabolismo degli Amino Acidi: Acquisizione dei principali concetti riguardo la degradazione degli aminoacidi e delle vie di eliminazione dell azoto. Catabolismo degli acidi grassi: ruolo della carnitina nel trasferimento degli acidi grassi nei mitocondri. Reazioni della beta-ossidazione per la degradazione di acidi grassi saturi ed insaturi. I corpi chetonici: definizione e struttura di questi composti; ruolo dei corpi chetonici nel digiuno prolungato. Biosintesi degli acidi grassi: sistema dell acido grasso sintasi. Meccanismi di trasferimento dell acetil-coa dai mitocondri al citosol. Ruolo del Malonil-CoA nella biosintesi degli acidi grassi. Cenni sulla formazione di acidi grassi saturi diversi dall acido Palmitico e sulla introduzione di insaturazioni. La degradazione delle proteine: ruolo delle proteasi. Definizione di aminoacidi chetogenici e glucogenici. Le reazioni di transaminazione interconvertono tra loro un amminoacido e un a-cheto acido. La degradazione degli Aminoacidi: destino del gruppo amminico e ciclo dell urea. Ruolo del glutammato e della glutammina nel trasporto dell ammoniaca dai vari tessuti al fegato. La deaminazione ossidativa del glutammato rilascia ammoniaca da eliminare. Eliminazione dell ammoniaca e ciclo dell urea. E possibile inserire di seguito alla tabella la descrizione testuale delle ESERCITAZIONI, SEMINARI E VISITE GUIDATE, i cui contenuti possono essere descritti sia con lo stesso livello di dettaglio utilizzato per le lezioni frontali (ossia indicando le attività svolte per ciascun tema, argomento e/o contenuto specifico), sia in modo meno analitico, descrivendo le attività previste (ad es. visite presso impianti di trasformazione, esercitazioni in laboratorio, seminari tenuti da esperti, ecc.). 7