Fondamenti di Biochimica
CFU lezioni = 5
Frequenza non obbligatoria ma fortemente consigliata
Obiettivi formativi del corso
Garantire agli studenti la comprensione delle basi chimiche dei processi biologici, in relazione al
funzionamento delle cellule, degli individui pluricellulari e degli ambienti biologici a vario livello
gerarchico.
Syllabus
Il corso si articola attraverso lo studio delle relazioni struttura/funzione nelle biomolecole, passando per
l’acquisizione delle conoscenze di base sull’azione degli enzimi, la definizione dei principi generali del
metabolismo, della produzione e utilizzo dell’energia chimica nei processi cellulari fino alla loro
integrazione su scala organismica. Viene curato ogni aspetto propedeutico che garantisca il coordinamento
con l’insegnamento di Biologia Molecolare.
Programma dettagliato del corso
Introduzione alla biochimica. Fermentazione alcolica del glucosio nel succo di lievit o. Misura dello sviluppo
di CO2 ; la dialisi. Proprietà funzionali dei composti chimici in relazione alle strutture biologiche. I principali
costituenti chimici della materia vivente: sostanze organiche e inorganiche. Il metabolismo: modelli
semplificati e alcune definizioni. Le piccole biomolecole organiche. Carboidrati: glucosio, fruttosio e altri
zuccheri. Metabolismo e bioenergetica: le fosforilazioni iniziali della glicolisi e il ruolo dell'ATP. Struttura
dell'ATP e suoi componenti. La reazione catalizzata dall'esocinasi. Le proprietà degli enzimi: prime
definizioni. La 1a fase della glicolisi: dal glucosio ai due fosfotriosi. La 2a fase della glicolisi: da 3PG a
3PGA. L'accoppiamento energetico. 3a fase della glicolisi e bilancio globale. Fermentazione e glicolisi
anaerobica: reazioni di fermentazione alcolica nel lievito e glicolisi anaerobica nei Vertebrati.
I nucleotidi e altri cofattori nel metabolismo. Le diverse reazioni di trasferimento dell'ATP. Il coenzima
NAD+. L'energia nelle reazioni biochimiche. Richiami di termodinamica dell'equilibrio chimico. Il
potenziale di trasferimento del fosforile. Attività enzimatica e proteina enzimatica. Saggio funzionale per
l'attività enzimatica. Metodi fotometrici per la misura dell'attività enzimatica: l'esempio della LDH.
Interazione tra biomolecole: riconoscimento molecolare; complesso ES.
Metodi di purificazione, isolamento e analisi delle proteine. Idrolisi completa di un polipeptide e
determinazione della sua composizione amminoacidica. Classificazione degli amminoacidi proteici in base
all'idropatia delle catene laterali. Struttura primaria e sua determinazione; sua deduzione dai dati di sequenza
degli acidi nucleici. Le forze che stabilizzano la struttura conformazionale nelle proteine. Gli esperimenti di
Anfinsen sulla ribonucleasi A. I legami a ponte disolfuro. Il coefficiente di sedimentazione. Il legame
peptidico: proprietà strutturali. La struttura secondaria delle proteine: l'elica alfa e la sua stabilizzazione
tramite legame a idrogeno. Modi di rappresentare l'elica alfa. Struttura secondaria delle proteine: il foglietto
beta antiparallelo e parallelo. Modi rappresentare il foglietto beta. Struttura supersecondaria nelle proteine
fibrose. L'elica triplice del collageno. Struttura terziaria delle proteine: moduli, domini e subunità.
Introduzione allo studio della struttura quaternaria. Le emoproteine trasportatrici di O2 . Curva
d'ossigenazione della mioglobina. Curve d'ossigenazione dell'emoglobina. L'effetto Bohr; effetto di CO2 e di
BPG. L'equazione di Hill e le curve sigmoidi. Cambiamenti conformazionali indotti dal legame di O2
all'emoglobina. Funzioni molecolari dell'emoglobina e dinamica della sua struttura tridimensionale. Gruppi
carbammici e dell'effetto Bohr. Dinamica del trasporto di O2 e CO2 tra polmoni e tessuti periferici. Misura
del trasporto di O2 . L’intossicazione da CO.
La biocatalisi e le proprietà cinetiche degli enzimi: il modello chiave-serratura di Fischer. Lo schema di
Henri-Brown e le assunzioni del modello cinetico di Michaelis e Menten. Deduzione dell'equazione di
Michaelis-Menten: ipotesi di equilibrio e di stato stazionario. La KM e il suo significato operativo. L'attività
molecolare o numero di turnover (k cat). La costante di specificità (k cat/KM) e il suo significato. Trasformazione
lineare dell'equazione di Michaelis-Menten. Il grafico di Lineweaver-Burk e il suo uso per ricavare Vmax e
KM. Inibizione e attivazione degli enzimi. Gli enzimi allosterici: l'esempio della ATCasi di E. coli. Relazioni
tra struttura quaternaria e proprietà allosteriche. Il significato regolatorio delle proprietà cinetiche negli
enzimi allosterici. I meccanismi della catalisi enzimatica. Meccanismi di reazione e stato di transizione.
Orientamento e prossimità. Catalisi intramolecolare negli esteri de i ribosidi. Meccanismi catalitici di
proteinasi. Le proteinasi a serina: il sito attivo e la triade catalitica, l'intermedio ossianionico e l'acil-enzima.
Strategie regolatorie basate sulla modificazione covalente reversibile, sulla proteolisi controllata e sulle
variazioni di espressione delle proteine. Le cascate di amplificazione dei segnali tramite modificazione
covalente. Introduzione all'immunobiochimica. Anticorpo e immunoglobuline; antigene, determinante
antigenico ed epitopo. La reazione di formazione del complesso immune. Dissociazione delle
immunoglobuline (Ig) in catene leggere e pesanti. Digestione delle Ig con papaina: i frammenti Fab e Fc e le
loro funzioni. Anticorpi monospecifici policlonali e monoclonali. Il test ELISA e l'immunoblot.
Gli acidi grassi. Gli esteri degli acidi grassi: i triacilgliceroli; i fosfogliceridi. Il doppio strato fosfolipidico.
La permeabilità del doppio strato fosfolipidico e la struttura delle membrane cellulari. Proteine di membrana
e modello a mosaico fluido. Proteine integrali di membrana. Proprietà elettriche delle membrane. Il trasporto
attivo e passivo. Trasporto passivo: canali ionici e uniporti. Trasporto attivo: simporti, antiporti e pompe
ATPasiche. Le pompe ATPasiche e il potenziale di membrana. La Na +/K+-ATPasi: meccanismo catalitico; la
Ca2+-ATPasi del reticolo sarcoplasmico: struttura e funzione. Trasduzione di segnali attraverso la membrana
cellulare. Un esempio di segnalazione chimica: gli ormoni. Classi di ormoni e dei loro recettori. I secondi
messaggeri e il loro metabolismo. I nucleotidi ciclici (cAMP e cGMP) e la via dei fosfoinositidi. Le proteine
G accoppiate ai recettori e il loro ciclo di attività. Gli effettori dell'azione ormonale mediata da secondi
messaggeri: la proteina cinasi A e la proteina cinasi C.
Il metabolismo energetico e la sua regolazione. Glicolisi e gluconeogenesi utilizzano sette reazioni reversibili
in comune. Le reazioni irreversibili della glicolisi sono aggirate da altre reazioni nella gluconeogenesi. La
risintesi del PEP da piruvato: compartimentazione e regolazione; il trasporto di potere riducente dal
mitocondrio al citoplasma. La FBPasi e la glucosio 6-fosfatasi. Regolazione allosterica della PFK-1 e della
FBPasi-1: il ruolo del F-2,6-P 2 . Regolazione ormonale del metabolismo dei glucidi nel fegato e nel muscolo.
La decarbossilazione ossidativa del piruvato nel mitocondrio: il complesso PDH e la sua regolazione. Il
Coenzima A come trasportatore di acile. Gli indici metabolici mitocondriali: rapporto NADH/NAD+,
AcCoA/CoA, ATP/ADP+P i . Il ciclo di Krebs: struttura e funzioni metaboliche, reazioni anaplerotiche,
connessioni con le vie principali del metabolismo intermedio. Regolazione del Ciclo di Krebs. Riossidazione
dei coenzimi ridotti nei quattro complessi della catena di trasporto elettronico mitocondriale. Accoppiamento
tra ossidazione e fosforilazione di ADP in ATP: il modello chemiosmotico di Mitchell e l'ATP sintasi a
catalisi rotazionale. Il trasportatore degli adenilati. Catabolismo degli acidi grassi; l'esperimento di Knoop
(1904). Attivazione degli acidi grassi e trasporto nel mitocondrio con la carnitina. La beta-ossidazione. Cenni
sulla neoliposintesi: la palmitato sintasi e le fonti citoplasmatiche di NADPH. Metabolismo dell'azoto. La
glutammato deidrogenasi e le transamminasi. Destino del carbonio amminoacidico in relazione al Ciclo di
Krebs: amminoacidi glucogenici e chetogenici. Le vie di escrezione dell'azoto ammoniacale.
Argomenti da conoscere per poter frequentare efficacemente il corso
Energia e sue trasformazioni; natura fisica della luce; moto di particelle in campi gravitazionali, anche con
attrito da parte del mezzo; diffusione; moto di particelle cariche in campi elettrici continui. Elementi,
sostanze, miscele omogenee ed eterogenee; natura dell’atomo e struttura elettronica degli atomi, almeno dei
primi venti elementi della Tavola Periodica; scala di elettronegatività degli elementi. Teoria del legame
chimico (VSEPR) e strutture molecolari; legame a idrogeno e proprietà di H2 O; formule di struttura,
nomenclatura chimica, le leggi delle reazioni chimiche e le regole della loro rappresentazione in equazioni
bilanciate. Concetto di mole; soluzioni, dissociazione elettrolitica, misura della concentrazione, acidi e basi,
il pH e la sua misura, proprietà delle soluzioni tampone. Basi essenziali di chimica-fisica e termodinamica
chimica, soprattutto teoria dell’equilibrio chimico, reazioni redox, numero di ossidazione; elettrochimica,
potenziale redox. I composti organici del carbonio e i loro gruppi funzionali (doppi legami, alcoli, aldeidi,
chetoni, gruppi carbossilici, amminici; ammidi ed esteri); forma delle molecole, geometria di legame del
carbonio (strutture digonali, trigonali e tetraedriche, concetto di conformazione e configurazione, proiezioni
per riportare in due dimensioni la struttura tridimensionale delle molecole, convenzioni D/L e R/S. Reattività
chimica, cinetica delle reazioni chimiche, centri nucleofili e centri elettrofili nelle molecole che reagiscono;
concetto di catalizzatore.
Bibliografia
-
Nelson-Cox – Introduzione alla Biochimica di Lehninger – Zanichelli (2003), € 46
-
Voet-Voet-Pratt – Fondamenti di Biochimica – Zanichelli (2001), € 75,40
-
Stryer – Biochimica (V edizione) – Zanichelli (2003), € 112
(quest’ultimo testo è tradotto dalla V ediz ione americana, del 2001, che costa circa € 50)
Prove di verifica dell’apprendimento
Sono previste due verifiche in itinere con quiz a scelta multipla, in accorpamento con le verifiche del corso
di Biologia Molecolare L’esame per questa disciplina è accorpato con quello di Biologia Molecolare; la
prova è orale, con due domande generali inerenti il programma dei due corsi, che si richiede al candidato di
sviluppare in una propria esposizione integrata. Questa opzione è altamente plausibile, data la natura
strettamente affine delle due discipline. Resta comunque diritto del candidato che lo desideri, di farsi
interrogare separatamente sui due programmi, con due domande su ciascuno di essi.
Dati del docente
Nome: Cercignani Giovanni
Dipartimento: Fisiologia e Biochimica
Telefono: 050-315-2767 (c/o Istituto di Biofisica, Area della Ricerca C.N.R.) – 328.17.166.15 (cell)
E-mail: [email protected]
Pagina web: http://www.dfb.unipi.it/
Orario di ricevimento: giovedì ore 15-17
Luogo di ricevimento: Laboratori di Biochimica, via S. Maria 55, 2° piano.
Registro lezioni 2003-2004: http://virmap.unipi.it/cgi-bin/virmap/regibo?registri:15233734;main
