ECTS - University of Pisa
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BIOCHEMISTRY AND MOLECOLAR BIOLOGY OF NUTRITION 
CHIARA GIACOMELLI
Academic year2021/22
CourseHUMAN NUTRITIONAL SCIENCES
Code384EE
Credits9
PeriodSemester 1
LanguageItalian

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
BIOCHIMICA E BIOLOGIA MOLECOLARE DELLA NUTRIZIONEBIO/10,BIO/11LEZIONI63
SIMONA DANIELE unimap
CHIARA GIACOMELLI unimap
MARIA LETIZIA TRINCAVELLI unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Al termine di questo insegnamento lo studente sarà in grado di:

  • integrare le conoscenze di biochimica e biologia molecolare nell’ambito della nutrizione umana.
  • conoscere e comprendere l’impatto nutrizionale di alimenti, con riferimento alle materie prime e ai processi di trasformazione
  • comprendere la modalità con la quale i diversi gruppi di nutrienti vengono introdotti e assimilati nell'organismo umano e i diversi meccanismi molecolari utilizzati per ricavare energia;
  • fornire una visione d'insieme dei principali processi biochimici alla base dell’elaborazione dei nutrienti con particolare riferimento alla specializzazione metabolica di organi e tessuti
  • conoscere i meccanismi di regolazione delle vie metaboliche in condizione di alimentazione/digiuno;
  • acquisire conoscenze approfondite sui meccanismi molecolari implicati nel controllo dell’espressione genica nell’uomo con particolare riferimento all'epigenetica e la sua relazione con il comportamento alimentare e patologie metaboliche multifattoriali.
Knowledge

At the end of this course the student will be able to:

  • integrate the knowledge of biochemistry and molecular biology in the contest of human nutrition.
  • know and understand the nutritional impact of foods, with reference to raw materials and transformation processes
  • understand the way in which the different nutrient groups are introduced and assimilated into the human body and the different molecular mechanisms used to derive energy;
  • provide an overview of the main biochemical processes underlying nutrient processing with particular reference to the metabolic specialization of specific organs and tissues
  • know the regulatory mechanisms of metabolic pathways in conditions of feeding / fasting;
  • acquire in-depth knowledge on the molecular mechanisms involved in the control of gene expression at a transcriptional or post- transcriptional level in humans with particular reference to epigenetics and its relationship with eating behaviour and multifactorial metabolic pathologies.
Modalità di verifica delle conoscenze

Il docente verificherà l'apprendimento degli obiettivi intermedi durante lo svolgimento del Corso, attraverso un dialogo diretto con gli studenti sugli argomenti trattati a lezione, e eventualmente attraverso prove in itinere.
Assessment criteria of knowledge

The student will be monitored for his/her ability to discuss the main course contents through periodic written tests performed during the course and through a direct dialogue
Capacità

Lo studente acquisirà le capacità di comprendere criticamente l'impatto dell'alimentazione sui processi metabolici cellulari e sulle modificazioni epigenetiche, e il loro potenziale coinvolgimento in patologie metaboliche.
Skills

The student will acquire the ability to critically understand the impact of nutrition on cellular metabolic processes and epigenetic modifications and their potential involvement in metabolic pathologies.
Modalità di verifica delle capacità

Durante le lezioni sarà valutata la capacita' degli studenti di acquisire criticamente le nozioni esposte dal docente invitandoli anche a rispondere a test a risposta multipla inerenti gli argomenti trattati nel corso.
Assessment criteria of skills

During the lessons  the ability of the students to critically acquire the concepts presented by the teacher will be assessed inviting them to respond to multiple choice tests related to the topics covered in the course.
Comportamenti

Ogni studente è responsabile del rispetto dei più alti standard di integrità accademica. Lo studente dovrà partecipare alle lezioni frontali in modo attivo con osservazioni e domande.
Behaviors

Each student is responsible for upholding the highest standards of academic integrity. The student must actively participate in frontal lessons with observations and questions.
Modalità di verifica dei comportamenti

Durante le lezioni sarà valutata la capacita' degli studenti di acquisire criticamente le nozioni esposte dal docente. Durante gli esami saranno valutate le capacita' dello studente di rispondere in maniera sintetica e mirata alle domande proposte.
Assessment criteria of behaviors

During the lessons, the ability of the students to critically acquire the notions presented by the teacher will be evaluated. During the examinations, the students' ability to respond in a synthetic way to the proposed questions will be evaluated
Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Conoscenze di base di Biologia cellulare, Biochimica e Biologia Molecolare.
Prerequisites

Basic knowledge of Cellular Biology, Biochemistry and Molecular Biology.
Indicazioni metodologiche

Si consiglia allo studente di elaborare e apprendere gradualmente i concetti esposti a lezione durante l'arco del semestre usufruendo sia del materiale didattico elettronico fornito dal docente che attraverso la consultazione di uno dei libri di testo consigliati.

 
Teaching methods

It is recommended that the student gradually develops and learns the concepts covered during the semester using both the electronic material provided by the teacher and by consulting one of the suggested text-books.
Programma (contenuti dell'insegnamento)

Biochimica della Nutrizione (6CFU)

Concetti generali sul metabolismo. Il fabbisogno energetico e il valore energetico degli alimenti. Ripartizione dell'utilizzo dell'energia: metabolismo basale, attività fisica e termogenesi indotta da alimenti.

-Centri di regolazione della fame e della sazietà, omeostasi del peso corporeo.

- Gli alimenti e i principi nutritivi: utilizzazione dei principi nutritivi contenuti negli alimenti. Funzione degli alimenti: alimenti plastici, energetici, regolatori e protettivi.

- Vitamine idrosolubili e liposolubili, (struttura, cenni alla sintesi e funzioni). I sali minerali: classificazione di micro e macro-nutrienti. Ferro: meccanismi di trasporto, assorbimento e deposito. Il dosaggio del ferro nella diagnostica di laboratorio.

- Il metabolismo dei macronutrienti (carboidrati, proteine, acidi grassi, colesterolo) in chiave nutrizionale:

  • Carboidrati, idrolisi dell’amido, digestione di oligosaccaridi e disaccaridi, assorbimento, trasporto di glucosio nelle cellule, vie metaboliche implicate nel metabolismo del glucosio (glicolisi, glicogenosintesi, gluconeogenesi), metabolismo dei principali zuccheri dell’alimentazione.
  • Lipidi, digestione, assorbimento, trasporto plasmatico, lipoproteine plasmatiche, struttura dei principali lipidi e relative funzioni. Utilizzazione metabolica degli acidi grassi: beta ossidazione, biosintesi, metabolismo dei corpi chetonici e controllo ormonale. Eicosanoidi, glicerofosfolipidi e sfingolipidi: struttura, funzione e cenni alle vie biosintetiche. Colesterolo e suo metabolismo. I lipidi alimentari.
  • Proteine, digestione, assorbimento. Reazioni di metabolizzazione degli aminoacidi: transaminazione, deaminazione ossidativa, decarbossilazione e deaminazione non ossidativa, ciclo dell'urea. Fabbisogno proteico e bilancio di azoto. Valore nutrizionale delle proteine. Utilizzo delle proteine per la sintesi di composti azotati non proteici.

- Il metabolismo dell'etanolo: valore nutrizionale delle bevande alcoliche e dei nervi

- Integrazioni e interrelazioni metaboliche correlate ai ritmi alimentazione/digiuno.

- Integrazione e interazioni metaboliche correlate all’obesità e alla sindrome metabolica. Il tessuto adiposo: secrezione della leptina e suo ruolo nel controllo della fame. Regolazione della sazietà: il sistema della melanocortina. Obesità e leptina. Adiponectina e regolazione dell’appetito.

Biologia Molecolare della Nutrizione (3 CFU)

-Richiami alla struttura primaria e secondaria del DNA e dell'RNA. Metalli pesanti, additivi alimentari e curcumina come esempio di modulatori della conformazione del DNA.

Gli acidi nucleici nella dieta: stabilità, degradazione, assorbimento e considerazioni di tossicità. Organismi geneticamente modificati: tecniche di prima e seconda generazione utilizzate nel campo agroalimentare. “Consumo di DNA” in nuovi alimenti e additivi alimentari derivati da organismi geneticamente modificati.

Introduzione del concetto di epigenetica e dei principali meccanismi epigenetici: la metilazione del DNA, le modificazioni istoniche e il rimodellamento della cromatina, l’espressione di microRNA.

  1. La metilazione del DNA come meccanismo epigenetico: enzimi coinvolti. Modulazione del pattern di metilazione nelle sindromi metaboliche. Effetto di nutraceutici sulla metilazione del DNA.
  2. Il rimodellamento della cromatina come meccanismo di regolazione epigenetica. La cromatina come regolatore dell’espressione genica. Alterazioni della cromatina nelle malattie metaboliche Effetto della dieta e di particolari nutraceutici su struttura e funzione degli istoni.
  3.  Meccanismi epigenetici: i microRNA. Struttura e meccanismo di azione dei miRNA. Alterazione dei miRNA nelle malattie metaboliche. Modulazione dei miRNA: effetto di nutraceutici.

 

Impatto della dieta e di nutraceutici  sul microbiota intestinale, particolarmemte in relazione a patologie neurodegenerative. 

 
Syllabus

Biochemistry of Nutrition (6 CFU)

- General concepts on metabolism. The energy needs and the food energy value. Energy utilization: basal metabolic rate, physical activity and food-induced thermogenesis.

- Centers of regulation of hunger and satiety, homeostasis of body weight.

- Food and nutritive principles: use of the nutritive principles contained in food. Food function: plastic, energetic, regulatory and protective foods.

- Water-soluble and liposoluble vitamins, (structure, synthesis and functions). Mineral salts: classification of micro and macro-nutrients. Iron: transport, absorption and storage mechanisms. The determination of iron in laboratory diagnostics.

- The metabolism of macronutrients (carbohydrates, proteins, fatty acids, cholesterol) from a nutritional point of view:

  • Carbohydrates, hydrolysis of starch, oligosaccharides and disaccharides digestion, absorption, cellular glucose transport, metabolic pathways involved in glucose metabolism (glycolysis, glycogenosynthesis, gluconeogenesis), metabolism of the main food sugars.
  • Lipids, digestion, absorption, plasma transport, plasma lipoproteins, structure of the main lipids and their functions. Metabolic use of fatty acids: beta-oxidation, biosynthesis, metabolism of ketone bodies and hormonal control. Eicosanoids, glycerophospholipids and sphingolipids: structure, function and biosynthetic pathways. Cholesterol and its metabolism.
  • Protein, digestion, absorption. Reactions of amino acid metabolism: transamination, oxidative deamination, decarboxylation and non-oxidative deamination, urea cycle. Protein requirement and nitrogen balance. Nutritional value of proteins. Use of proteins for the synthesis of non-protein nitrogen compounds.

- The ethanol metabolism: nutritional value of alcoholic beverages and nerves.

- Metabolic integrations and interrelationships related to feeding / fasting rhythms.

- Integration and metabolic interactions related to obesity and metabolic syndrome. Adipose tissue: leptin secretion and its role in the control of hunger. Satiety regulation: the melanocortin system. Obesity and leptin. Adiponectin and appetite regulation.

Molecular Biology of Nutrition (3 CFU)

Primary and secondary structure of DNA. Heavy metals, food additives and curcumin as an example of DNA conformation modulators.

Nucleic acids in the diet: stability, degradation, absorption and toxicity considerations. "DNA consumption" in new foods and food additives derived from genetically modified agents.

The concept of epigenetics and of the main epigenetic mechanisms: DNA methylation, histone modifications and chromatin remodeling, microRNA expression.

1) DNA methylation as an epigenetic mechanism: enzymes involved. Modulation of the methylation model in metabolic syndromes. Effect of nutraceuticals on DNA methylation.

2) Chromatin remodeling as a mechanism of epigenetic regulation. Chromatin as a regulator of gene expression. Chromatin alterations in metabolic diseases Effect of diet and particular nutraceuticals on histone structure and function.

3) Epigenetic mechanisms: microRNAs. Structure and mechanism of action of miRNAs. MiRNA alteration in metabolic diseases. MiRNA modulation: nutraceutical effect.

 Dietary regimes and cellular aging. Effect of the Mediterranean diet and caloric restriction on inflammation and signaling pathways related to cellular aging. Effect of the ketogenic diet on cellular aging and tumor progression.

Impact of diet on the intestinal microbiota. Epigenetic mechanisms induced by microbiota and impact in the pathogenesis of obesity, metabolic syndrome and type 2 diabetes.

Definition of polymorphisms. Examples of genetic polymorphisms associated with obesity and diabetes. Analysis of gene polymorphisms.
Bibliografia e materiale didattico

Il docente fornirà agli studenti durante il corso il materiale elettronico utilizzato a lezione (pacchetto di slides) che lo studente dovrà utilizzare per focalizzare e selezionare gli argomenti di studio.

Per la preparazione all'esame (Biochimica della nutrizione) si consigliano i seguenti libri di testo:

-Basi molecolari della nutrizione. Arienti. Ed Piccin Quinta edizione

-Biochimica della Nutrizione. Leuzzi, Bellocco, Barreca. Ed Zanichelli

-Biochimica Medica - Strutturale, metabolica e funzionale, V Edizione. Tettamanti. Ed. Piccin 

Per Biologia Molecolare della Nutrizione: 

-slide fornite dal docente, da scaricare dal sito e-learning dopo richiesta della password al docente;

-dal sito https://www.ncbi.nlm.nih.gov/, si consiglia la consultazione dei seguenti articoli scientifici: 

  1. Bansal A, Pinney SE. DNA methylation and its role in the pathogenesis of

diabetes. Pediatr Diabetes. 2017 May;18(3):167-177. doi: 10.1111/pedi.12521.

Review. PubMed PMID: 28401680; PubMed Central PMCID: PMC5394941.

  1. Xu W, Wang F, Yu Z, Xin F. Epigenetics and Cellular Metabolism. Genet

Epigenet. 2016 Sep 25;8:43-51. eCollection 2016. Review. PubMed PMID: 27695375;

PubMed Central PMCID: PMC5038610.

  1. Delage B, Dashwood RH. Dietary manipulation of histone structure and function.

Annu Rev Nutr. 2008;28:347-66. doi: 10.1146/annurev.nutr.28.061807.155354.

Review. PubMed PMID: 18598138; PubMed Central PMCID: PMC2737739.

  1. Jonas DA, Elmadfa I, Engel KH, Heller KJ, Kozianowski G, König A, Müller D,

Narbonne JF, Wackernagel W, Kleiner J. Safety considerations of DNA in food. Ann

Nutr Metab. 2001;45(6):235-54.

5. Stols-Gonçalves D, Tristão LS, Henneman P, Nieuwdorp M. Epigenetic Markers andMicrobiota/Metabolite-Induced Epigenetic Modifications in the Pathogenesis ofObesity, Metabolic Syndrome, Type 2 Diabetes, and Non-alcoholic Fatty LiverDisease. Curr Diab Rep. 2019 May 1;19(6):31. doi: 10.1007/s11892-019-1151-4.Review. PubMed PMID: 31044315

 

 

 
Bibliography

The teacher will provide electronic material (slides package) during the course that the student must use to focus and select the topics of study.

For the exam preparation, we recommend the following textbooks:

-Biochimica della Nutrizione. Leuzzi, Bellocco, Barreca. Ed Zanichelli

-Basi molecolari della nutrizione. Arienti. Ed Piccin

-Biochimica Medica - Strutturale, metabolica e funzionale, V Edizione. Tettamanti. Ed. Piccin 

Molecular Biology of Nutrition:

- slides provided by the teacher, to be downloaded from the e-learning website after requesting the teacher password; -from the site https://www.ncbi.nlm.nih.gov/, it is advisable to consult the following scientific articles: 1. Bansal A, Pinney SE. DNA methylation and its role in the pathogenesis of diabetes. Pediatr Diabetes. 2017 May; 18 (3): 167-177. doi: 10.1111 / pedi.12521. Review. PubMed PMID: 28401680; PubMed Central PMCID: PMC5394941.  2. Xu W, Wang F, Yu Z, Xin F. Epigenetics and Cellular Metabolism. Genet Epigenet. 2016 Sep 25; 8: 43-51. eCollection 2016. Review. PubMed PMID: 27695375; PubMed Central PMCID: PMC5038610. 3. Delage B, Dashwood RH. Dietary manipulation of histone structure and function. Annu Rev Nutr. 2008; 28: 347-66. doi: 10.1146 / annurev.nutr.28.061807.155354. Review. PubMed PMID: 18598138; PubMed Central PMCID: PMC2737739. 4. Jonas DA, Elmadfa I, Engel KH, Heller KJ, Kozianowski G, König A, Müller D, Narbonne JF, Wackernagel W, Kleiner J. Safety considerations of DNA in food. Ann Nutr Metab. 2001; 45 (6): 235-54. 5. Stols-Gonçalves D, Tristão LS, Henneman P, Nieuwdorp M. Epigenetic Markers and Microbiota / Metabolite-Induced Epigenetic Modifications in the Pathogenesis of Obesity, Metabolic Syndrome, Type 2 Diabetes, and Non-alcoholic Fatty Liver Disease. Curr Diab Rep. 2019 May 1; 19 (6): 31. doi: 10.1007 / s11892-019-1151-4. Review. PubMed PMID: 31044315
Indicazioni per non frequentanti

 Per gli studenti non frequentanti si consiglia di consultare il registro delle lezioni reperibile sul sito unimap al fine di selezionare gli argomenti trattati a lezione.
Non-attending students info

For non-attending students, it is advisable to consult the lesson program on the unimap site in order to select the topics discussed in the lesson.
Modalità d'esame

L’esame finale sarà diluito tramite prove in itinere proposte per entrambi i moduli di Biochimica e Biologia molecolare. Per gli studenti che abbiano sostenuto positivamente tale prova, l’esame di profitto sarà costituito da una prova orale sulla base dei risultati ottenuti nelle prove in itinere.

Altrimenti, l’esame sarà svolto come prova orale nelle date di esame prestabilite. La prova del modulo di Biologia Molecolare sarà fissato circa una settimana prima della prova di Biochimica della nutrizione.

 
Assessment methods

The final exam will be diluted through in itinere tests for both modules of Biochemistry and Molecular Biology. For students who have passed this test, the final exam will be a oral exam based on the results obtained in itinere tests. 

Otherwise, the exam will consist of an oral test on the pre-established exam dates. The exam of Molecular Biology module will be scheduled about a week before the Nutrition Biochemistry test.
Updated: 19/09/2021 11:41