69162 - CHIMICA STRUTTURALE DEI SISTEMI BIOLOGICI

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine dell'insegnamento lo studente conosce le basi teoriche per comprendere le relazioni esistenti fra la struttura molecolare degli enzimi e le reazioni biochimiche da essi catalizzate, con particolare riferimento agli aspetti bioinorganici di metallo-enzimi e metallo-proteine ed è in grado di acquisire informazioni, anche di carattere spettroscopico, atte a valutare le modificazioni chimiche a carico della struttura molecolare all'interno degli alimenti.

Contenuti

• Struttura primaria delle proteine e proprietà chimico-fisiche degli aminoacidi che le costituiscono
• Struttura secondaria e Ramachandran plot
• Struttura terziaria e quaternaria
• Termodinamica di folding, paradosso di Levinthal
• Flessibilità e stabilità conformazionali
• Cofattori, gruppi prostetici, apo- ed olo-proteine
• Omologia di sequenza e conservazione di struttura e funzione biologica
• Descrizione e utilizzo di database di sequenze (ncbi, uniprot) e di strutture (Protein Data Bank) 
• Descrizione e utilizzo di programmi bioinformatici per la validazione di strutture proteiche (molmol/Pymol e clustalX)
• Parametri NMR ed informazioni sulla natura chimica dei sistemi biologici
• Spettroscopia NMR per la delucidazione delle strutture
• Cristallografia a raggi X e criomicroscopia elettronica
• Abbondanza di ioni metallici in natura e nei liquidi biologici
• Ingresso di ioni metallici nelle cellule
• Transferrina, Siderofori e Chaperoni
• Enterobactina e inibizione competitiva di MECAM-ferrica
• Richiami di cinetica chimica e Legge di Arrhenius
• Cinetica di Michaelis-Menten e saturazione
• Accenni di teoria Hard-Soft
• Costanti di dissociazione e di affinità
• Definizione di sito catalitico e meccanismo di reazione enzimatica
• Ioni metallici e effetto della coordinazione sulla costante acida dell'acqua
• Ruolo degli ioni metallici in enzimi idrolitici
• Meccanismo di azione di carbossi-peptidasi e anidrasi carbonica
  
• Trasduzione del segnale chimico in energia meccanica: proteine contrattili
• Differenze strutturali tra emoglobina e mioglobina e implicazioni nella loro diversa funzione fisiologica
• Stato elettronico degli ioni ferro in alto e basso spin
• NMR di mioglobina e addotti con cianuro
• Effetto paramagnetico sul chemical shift di segnali NMR
• Rilassamento nucleare dei protoni dell'acqua: interazione con ioni paramagnetici
• Redox dell'acqua: potenziale di riduzione dell'ossigeno e dello ione H+
• Ruolo dello ione metallico (Fe o Cu) e geometrie ottimali di coordinazione nel trasporto elettronico
• Ruolo della geometria dei leganti su E0 di plastocianina e azzurrina
• Potenziali redox delle proteine e pathway del trasferimento elettronico
• Effetto Frank-Condon e teoria di Marcus
• Meccanismo catalitico della rame-zinco superossido dismutasi

Testi/Bibliografia

• Appunti di lezione
• Articoli su riviste scientifiche
• Brändén, C., Tooze, J. (1999). Introduction to protein structure. United Kingdom: Garland Pub. ISBN: 9780815323051
• Bioinorganic Chemistry - I. Bertini, H.B. Gray, S.J. Lippard, J.S. Valentine (Eds.) -University Science Books, Mill Valley, CA, U.S.A., ISBN: 0935702571

Edizione più recente:

• Bertini, I., Gray, H. B., Stiefel, E. I., Valentine, J. S. (2007). Biological Inorganic Chemistry: Structure and Reactivity. United Kingdom: University Science Books. ISBN: 9781938787966
• Hore, P. J. (1995). Nuclear Magnetic Resonance (Oxford Chemistry Primers). United Kingdom: Oxford University Press. ISBN: 0198556829
• Rhodes, G. (2006). Crystallography Made Crystal Clear: A Guide for Users of Macromolecular Models. Netherlands: Elsevier Science. ISBN: 9780080455549

Metodi didattici

L'insegnamento si compone di 4 CFU. Ogni CFU comprende 6 ore di lezioni teoriche frontali e 4 ore di esercitazioni pratiche in aula. Le esercitazioni pratiche vengono svolte nel Laboratorio Informatico presso il Campus di Cesena (Villa Almerici) dotato di 20 postazioni PC collegate alla rete. Gli studenti potranno seguire le operazioni svolte dal docente attraverso la proiezione su schermo gigante. L'obiettivo delle esercitazioni pratiche è duplice:

- Far acquisire allo studente dimestichezza con il software di analisi bioinformatica dei dati strutturali

- Sviluppare nello studente la capacità di elaborare autonomamente ipotesi di relazioni tra struttura e funzione delle molecole biologiche

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L'esame di fine corso mira a valutare il raggiungimento degli obiettivi didattici:

- Utilizzare le informazioni fornite a lezione per descrivere le caratteristiche strutturali e funzionali delle macromolecole

- Descrivere con proprietà di linguaggio e rigore scientifico i meccanismi di funzionamento degli enzimi

- Definire i criteri con cui è possibile valutare gli effetti dell'intorno chimico sulla funzione delle molecole biologiche

L'esame consiste, a scelta dello studente, in una prova scritta oppure nella preparazione autonoma di una presentazione PowerPoint, che verrà esposta e discussa oralmente.

1) La prova scritta consiste nel rispondere a quesiti inerenti il programma del corso. Successivamente, lo studente che supera la prova scritta argomenta oralmente al docente il contenuto del compito al fine di addivenire alla valutazione finale.

2) La presentazione PowerPoint è preparata autonomamente dallo studente su un argomento a sua scelta, che rientri nelle categorie tra quelli indicati nel programma, o su una proteina a sua scelta. Dovrà essere basata su una rielaborazione autonoma di dati di letteratura e delle informazioni strutturali acquisite mediante l'uso dei database online e dei software illustrati a lezione.

Strumenti a supporto della didattica

Il materiale didattico proiettato a lezione è messo a disposizione dello studente in formato elettronico sulla pagina relativa al corso presente su https://virtuale.unibo.it

I software gratuiti ClustalX, NJplot e Pymol* (*licenza gratuita solo a scopo didattico) sono disponibili per il download nella stessa pagina.

Eventuali registrazioni audio delle lezioni sono consentite, a patto che siano rese disponibili a tutti gli studenti mediante condivisione dei file audio in aree riservate della pagina del corso (modalità da definire: se siete in possesso di registrazioni per favore contattatemi).

E' previsto (e incentivato!) l'utilizzo di database pubblici di sequenze e strutture di proteine e di strumenti bioinformatici disponibili online.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Enrico Luchinat