84895 - STRUTTURISTICA BIOMOLECOLARE

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente possiede le conoscenze di base necessarie per la determinazione, a livello atomico/molecolare, della struttura di macromolecole biologiche mediante le tre tecniche principali quali la cristallografia di raggi X, la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) biomolecolare, e i metodi computazionali, e saprà valutare criticamente l’opportunità di utilizzo di queste tecniche. In particolare, lo studente è in grado i) di interpretare i risultati di un'indagine strutturale ai raggi X, ii) di sviluppare le competenze necessarie ad una lettura critica di articoli contenenti strutture cristallografiche di macromolecole biologiche, e iii) di applicare le principali tecniche di cristallizzazione di proteine anche attraverso attività pratiche. Lo studente ha inoltre acquisito familiarità con gli aspetti teorici e sperimentali della spettroscopia NMR, e in particolare conosce i) le basi fisiche e teoriche della spettroscopia NMR, ii) gli esperimenti NMR utilizzati per la determinazione della struttura e della dinamica di proteine, iii) gli approcci basati sulla spettroscopia NMR per lo studio delle interazioni intermolecolari. Al termine del corso lo studente ha inoltre acquisito conoscenze, tramite esercitazioni al computer, di tutti i passaggi necessari per la determinazione della struttura di una proteina in soluzione tramite la spettroscopia NMR. Lo studente ha inoltre acquisito conoscenze teoriche e pratiche sul calcolo della struttura e della dinamica di macromolecole e complessi macromolecolari tramite tecniche di chimica computazionale applicata a proteine e metallo-proteine.

Contenuti

Biocristallografia (Prof.ssa Piera Sabatino): Introduzione e ruolo della biocristallografia nella strutturistica macromolecolare. Proprietà e crescita dei cristalli proteici. Simmetria nei cristalli. Principi geometrici della diffrazione, legge di Bragg. Reticolo reale e reticolo reciproco. Caratteristiche dei raggi X, sorgenti convenzionali e luce di sincrotrone, tecniche di raccolta della diffrazione. Fattore di struttura. Problema della fase: sostituzione isomorfa, scattering anomalo, sostituzione molecolare e metodi diretti. Mappe di densità elettronica. Affinamento del modello strutturale e valutazione della qualità del modello. Interpretazione dei risultati dell'indagine strutturale: esempi tratti da pubblicazioni recenti.

NMR (Prof. Stefano Ciurli): Magnetismo nucleare, interazione tra dipoli e campi magnetici, quantizzazione del momento magnetico, frequenza di Larmor, precessione degli spin nucleari, rilassamento nucleare. Spettroscopia CW-NMR e FT-NMR. I parametri dello spettro NMR: chemical shift e intorno chimico, chemical shift tipici di aminoacidi, chemical shift index, intensità del segnale e rilassamento, accoppiamento scalare e molteplicità di spin, accoppiamento dipolare e effetto NOE. Spettroscopia NMR in due dimensioni: COSY, TOCSY e NOESY di residui aminoacidici nelle proteine. Spettroscopia NMR multidimensionale: NOESY-TOCSY, HSQC, NOESY-HSQC. Assegnamento sequenza-specifico. Spettri in tripla risonanza. Calcolo della struttura di proteine: principi e metodologie. Elaborazione di dati NMR: principi e metodologie.

Metodi computazionali (Dott. Francesco Musiani): Modellizzazione molecolare, sistemi di coordinate, meccanica molecolare, rappresentazione di atomi e molecole, campi di forza empirici, superfici di energia potenziale, interazioni elettrostatiche, minimizzazione dell’energia e metodi per l’esplorazione della superficie di energia potenziale, metodi di simulazione, dinamica molecolare e metodi per l’esplorazione accelerata della superficie di energia potenziale, predizione della struttura proteica, riconoscimento molecolare (docking) macromolecola – piccola molecola e macromolecola – macromolecola.

Testi/Bibliografia

Gale Rhodes "Crystallography made crystal clear" III ed., Academic Press 2006

Alexander McPherson "Introduction to macromolecular crystallography" J. Wiley 2003

Ken Keeler “Understanding NMR Spectroscopy, Wiley, 2002

Andrew L. Leach “Molecular modelling” Pearson Education 2001

NMR e metodi computazionali: il docente metterà a disposizione degli studenti il relativo materiale didattico.

Metodi didattici

Le lezioni saranno svolte in aula con uso di presentazioni multimediali e saranno completate da una parte di esercitazioni in laboratorio.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Biocristallografia: una prova scritta finale verrà utilizzata per valutare, attraverso l'uso di domande a risposta aperta, la conoscenza teorica dell'argomento da parte degli studenti. Ad ogni domanda sarà attribuito un punteggio individuale. La prova scritta potrà essere affiancata da un colloquio individuale. Gli studenti che non sosterranno la prova scritta finale potranno successivamente sostenere l'esame in forma orale.

NMR: l'esame finale consiste in un test contenente domande e problemi numerici ed in un colloquio. Il risultato del test non preclude l'accesso all'orale ma sarà considerato nella valutazione del voto finale.

Metodi computazionali: l’esame finale consiste in un test contenente domande ed in un colloquio. Il risultato del test non preclude l'accesso all’orale ma sarà considerato nella valutazione del voto finale.

Strumenti a supporto della didattica

Files in formato pdf relativi al programma svolto disponibili nel sito web docente.

Esercitazioni di cristallizzazione di una proteina, scelta del campione più opportuno, raccolta dati di diffrazione ai raggi X ed utilizzo di un software di visualizzazione ed ottimizzazione del modello strutturale ottenuto

Esercitazioni su assegnamento sequenza-specifico di segnali di risonanza magnetica nucleare, processando ed analizzando dati di spettri NMR in tripla risonanza. Esercitazione sulla determinazione della struttura di una proteina usando dati NMR.

Esercitazioni su modellizzazione per omologia di una metallo proteina, riconoscimento molecolare proteina – piccola molecola e proteina – proteina, e valutazione della qualità di un modello molecolare. Esercitazione sulla preparazione di un sistema proteico per la dinamica molecolare, minimizzazione dell’energia, esecuzione di calcoli di dinamica molecolare ed analisi dei risultati.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Stefano Luciano Ciurli

Consulta il sito web di Piera Sabatino

Consulta il sito web di Francesco Musiani