SCIENZE BIOMOLECOLARI, GENOMICHE E CELLULARI

Ex laurea magistrale in Biologia Molecolare

CHIMICA BIO-ORGANICA

Docenti: 
Crediti: 
6
Sede: 
PARMA
Anno accademico di offerta: 
2020/2021
Responsabile della didattica: 
Settore scientifico disciplinare: 
CHIMICA ORGANICA (CHIM/06)
Semestre dell'insegnamento: 
Primo Semestre
Lingua di insegnamento: 

Italiano

Obiettivi formativi

Capacità attese alla fine del corso:

- Conoscere e riconoscere le proprietà delle principali classi di biomolecole suddivise in lipidi, amminoacidi e peptidi, carboidrati, acidi nucleici, il loro comportamento chimico, i metodi di purificazione e determinazione della struttura, le possibili più comuni modifiche di tipo sintetico ed enzimatico a cui si possono sottoporre. Conoscere e riconoscere mimici sintetici di tali composti. Conoscere le possibili applicazioni in contesto biomolecolare e cellulare (Conoscenza e capacità di comprensione)

- Applicare le conoscenze della Chimica Organica di base e della reattività di tali classi di composti per identificare una struttura molecolare e le sue proprietà fondamentali, prevedere possibili reazioni a livello della struttura anche complessa di tali molecole e proporre strategie di preparazione di oligomeri di tali specie tratti da studi e ricerche in contesti interdisciplinari legati alla Biologia Molecolare. Sapere rappresentare a livello molecolare le specie trattate e le trasformazioni a cui vengono sottoposte (Capacità di applicare conoscenza e comprensione).

- Affrontare criticamente lo studio di letteratura scientifica anche in ambito di ricerca interdisciplinare con contenuti di tipo chimico e biomolecolare relativamente alle classi di composti affrontate ed elaborare un proprio giudizio sulla valenza dei dati in essa riportati. Valutare e giudicare con un proprio autonomo giudizio proposte di tipo chimico da applicare in contesto biomolecolare integrando conoscenze e gestendo la complessità per il confronto con ricercatori con formazione chimica (Autonomia di giudizio).

- Comunicare in modo chiaro e privo di ambiguità le conoscenze acquisite con linguaggio adeguato a interlocutori specialisti anche di settore chimico e a non specialisti, a seconda del contesto (Abilità comunicative).

- Studiare autonomamente l'ambito molecolare e gli aspetti molecolari della biologia, affrontando con logica e capacità critica argomenti e problematiche nuovi ma correlabili con gli aspetti strutturali e di reattività delle molecole incontrate nel corso (Capacità di apprendimento).

Prerequisiti

Chimica Organica

Contenuti dell'insegnamento

Proprietà chimiche, strutturali e di reattività di lipidi, amminoacidi e peptidi, carboidrati, acidi nucleici. Concetti e strategie fondamentali alla base della loro sintesi e per la preparazione di loro mimici. Proprietà di interazione e applicazioni. Introduzione ai metodi strumentali per la loro purificazione e caratterizzazione

Programma esteso

Lipidi. Classificazione dei lipidi. Trigliceridi e loro proprietà chimiche. Autoossidazione e fotoossidazione degli acidi grassi. Fosfolipidi e glicolipidi. Micelle e liposomi. Principali classi di lipidi non saponificabili.
Peptidi. Nomenclatura. Acidità e basicità nei peptidi, calcolo del punto isoelettrico. Idrolisi in ambiente acido e in ambiente basico del legame peptidico. Esempi di peptidi aventi attività biologica.
Principi della sintesi chimica dei peptidi: gruppi protettori e gruppi attivanti, metodi in soluzione, metodi in fase eterogenea, strategie Boc e Fmoc. Peptidi coniugati, peptidi ciclici, peptido-mimetici. Chimica combinatoriale applicata a librerie di peptidi. Analisi dei peptidi.
Carboidrati. I carboidrati come fonte di informazione nelle interazioni intercellulare e intermolecolare: esempi di oligo-, polisaccaridi e glicoconiugati e della loro funzione biologica. Struttura, nomenclatura, proprietà chimico-fisiche e reattività dei carboidrati. Formazione del legame glicosidico. Oligo- e polisaccaridi.
Concetto di glicosildonatore, glicosilaccettore e gruppi protettori. Attivazione della posizione anomerica. Modifica chimica di monosaccaridi e sintesi chimica di oligosaccaridi. Degradazione di polisaccaridi. Gli enzimi depolimerizzanti: glicosidasi, transglicosidasi, fosforilasi, liasi. Meccanismi di depolimerizzazione. Natura delle interazioni tra substrato glicosidico e sito enzimatico. Utilizzo di glicosidasi per la sintesi del legame glicosidico. Approccio termodinamico e cinetico. Regio- e stereoselettività. Substrati non naturali.
Effetti di mutazioni puntiformi nelle glicosidasi e utilizzo di glicosidasi ingegnerizzate (glicosintasi) con substrati non naturali. Biosintesi del legame glicosidico: le glicosiltransferasi. Glicosiltransferasi ripetitive e non-ripetitive, dolicoldifosfato-dipendenti e glicosilnucleotidedipendenti. Regio- e stereoselettività. Utilizzo delle glicosiltransferasi e loro combinazione con altri enzimi per la sintesi chemoenzimatica di oligosaccaridi, glicoconiugati e loro mimetici. Dalla sintesi in vitro alla sintesi in vivo. Modifiche post-sintetiche di oligo- e polisaccaridi. Proteine-recettore di carboidrati prive di attività enzimatica: le lectine. Natura delle interazioni tra substrato glicosidico e recettore. Il concetto della multivalenza e dell’effetto cluster glicosidico. Leganti sintetici multivalenti per l’inibizione di lectine.
Acidi Nucleici. Nucleosidi e nucleotidi. Eterocicli purinici e pirimidinici. Basi del DNA. Caratteristiche acido-base, forme tautomeriche, e reattività. Nucleosidi: struttura e proprietà biologiche. Esteri fosforici, pirofosfati e trifosfati.
Nucleotidi. Acidi nucleici. Struttura dei polinucleotidi. Stabilità chimica e reazioni principali di DNA e RNA: idrolisi, ossidazione e alchilazione. Sequenziamento chimico del DNA e suo ambito di utilizzo.
Sintesi chimica del DNA, gruppi protettori, metodo del fosforammidito, dell'H-fosfonato. Sintesi chimica dell'RNA. Analoghi di oligonucleotidi.
Esempi di comuni leganti di DNA e RNA.
Metodi in Chimica Bioorganica. Introduzione ai metodi strumentali utilizzabili nello studio delle biomolecole. Metodi spettroscopici, cromatografici, spettrometria di massa; cenni sui metodi diffrattometrici e di risonanza magnetica nucleare.

Bibliografia

W.H. Brown, C.S.Foote, B.L.Iverson E.V. Anslyn. Chimica Organica. IV Edizione
EdiSES (2009).Capitoli 13, 14, 17, 18, 23, 25, 26, 27, 28.
K. P. Vollhardt, N.E. Schore :Chimica Organica. terza edizione Zanichelli Editore,
2005. Capitoli 19, 20, 21, 24, 25, 26
P.Y. Bruice Chimica Organica 2nd Edition. Edises, 2011. Capitoli 13, 14, 17, 21, 22, 23, 27, 28.
J. McMurry :Chimica Organica. 7 Edizione. Piccin 2008. Capitoli 12, 13, 20, 21, 24, 25, 26, 27,
28.

Dispense del corso fornite dal docente,
Articoli di rassegna sui vari argomenti, esempi di esercizi discussi in aula e oggetto di precedenti prove di esame.
Questo materiale è disponibile dall'inizio del corso sulla piattaforma Elly e costituisce il supporto principale per la preparazione del corso

Testi di Approfondimento
Per la parte relativa ai peptidi: Peptidi e Peptidomimetici, V. Santagada, G. Caliendo, Piccin Nuova Libraria, 2003 – S. M: Hecht. Bioorganic Chemistry: Peptides and Proteins. Oxford University Press.
Per la parte relativa ai carboidrati: The Sugar Code. Fundamentals of Glycosciences, Hans-Joachim Gabius Ed., 2009 Wiley -VCH Verlag, Weinheim; Introduction to Glycobiology, M. E. Taylor, K. Drickamer Eds., 2006 Oxford University Press; Carbohydrate Chemistry: State of the Art and Challenges for Drug Development. An Overview on Structure, Biological Roles, Synthetic Methods and Application as Therapeutics, Ed. Laura Cipolla, Imperial College Press, 2015.
Per la parte relativa agli oligonucleotidi: Bioorganic Chemistry - Nucleic Acids, Sidney M. Hecht, Ed., 1996 Oxford University Press; Gli Oligonucleotidi Sintetici - Principi e applicazioni, CNR - Progetto Strategico Nucleotidi Antisenso, UTET Periodici; DNA Interactions with Polymers and Surfactants, R. S. Dias and B. Lindman Eds, Wiley Interscience, 2008; DNA and RNA Binders - From small molecules to drugs, M. Demeunynck, C. Bailly and W. D. Wilson Eds., Wiley-VCH, 2003

Metodi didattici

Lezioni frontali ed esercitazioni
con l'ausilio di diapositive. Le lezioni svolte in presenza saranno fruibili anche da remoto con le modalità che il docente riterrà più efficaci, in particolare tramite diretta su TEAMS. La registrazione delle lezioni rimarrà a disposizione su STREAM per l'intero semestre. Sia nel caso di lezioni frontale che di lezioni a distanza ci saranno spazi di interazione con gli studenti.
Durante le lezioni frontali verranno affrontati i principi della chimica, dei metodi di sintesi e delle tecniche di purificazione e caratterizzazione delle principali classi di molecole biologiche.
All'inizio di ogni sezione del corso, si analizzano le proprietà chimiche di base della specifica classe di composti con il contributo diretto degli studenti facendo ricorso alle loro pregresse conoscenze di chimica organica. Questa procedura è utile per far emergere le conoscenze di chimica organica che gli studenti hanno all'inizio del corso e permettere al docente di colmare eventuali lacune.
Nella parte di esercitazioni vengono presentati esempi di casi reali, anche legati a studi e ricerche riportate in letteratura. Vengono discussi i relativi problemi di comprensione e le strategie di preparazione in maniera interattiva con gli studenti.

Modalità verifica apprendimento

Prova scritta seguita da eventuale esame orale

La prova scritta consiste di 10 domande a risposta aperta e ha una durata massima di 3 ore. Ogni domanda ha un valore di 3 punti per un punteggio complessivo massimo della prova di 30/30. La prova si intende superata se la somma dei punteggi ottenuti per ciascuna domanda raggiunge i 18/30.
Per ogni domanda si raggiunge la sufficienza (1,8/3) se si dimostrano le conoscenze di base dell'argomento, si raggiunge il massimo (3/3) se si dimostra una conoscenza approfondita dell'argomento anche dal punto di vista della struttura e della reattività molecolare e dell'appropriata rappresentazione molecolare delle specie in discussione. Il raggiungimento del massimo punteggio in ogni domanda con risposte del tutto esaurienti e approfondite avendo fatto uso di un linguaggio del tutto appropriato, determina la valutazione con lode.

La valutazione della prova scritta viene inviata allo studente mediante messaggio di posta elettronica all'indirizzo istituzionale entro la data dell'appello della verbalizzazione ed eventuale prova orale.

La prova scritta può essere integrata da una parte orale qualora lo studente ne faccia richiesta per cercare di migliorare la valutazione o nei casi in cui il docente ritenga di dover approfondire la valutazione di quanto espresso nello scritto. In tal caso il voto dello scritto viene rimodulato sulla base della valutazione della prova orale per generare il voto finale che quindi può rimanere invariato rispetto a quello dello scritto, aumentare o diminuire.

La prova orale si basa sulle domande della prova scritta a cui sono state eventualmente date risposte che hanno avuto un punteggio inferiore a 2,4 o su approfondimenti ulteriori e casi diversi se tutte le risposte hanno avuto un punteggio superiore a 2,4.

La partecipazione alla prova scritta e a quella orale/verbalizzante è consentita a seguito di iscrizione agli appelli indicati sul sistema Esse3.