ECTS - University of Pisa
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) | |
| BIOCHIMICA CELLULARE | BIO/10 | LEZIONI | 72 |
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Lo studente, al termine del corso, sarà in grado di dimostrare una buona conoscenza delle principali problematiche legate alla biochimica cellulare. Avrà acquisito conoscenze sui principali ruoli e funzioni delle proteine nel contesto del sistema cellulare sia dal punto di vista strutturale che metabolico. Infine sarà a conoscenza delle più recenti ricerche sui principali meccanismi coinvolti nella regolazione cellulare sia in condizioni normali che patologiche. E' prevista un'attività di laboratorio che prevederà la presentazione di alcune problematiche e di applicazioni per lo studio dello stress ossidativo in biochimica cellulare
At the end of the course, the student will be able to demonstrate a good knowledge of the main issues related to cell biochemistry. He will gain knowledge of the main roles and functions of proteins in the cellular system context, both from a structural and a metabolic point of view. Finally, he will be familiar with the research on the main mechanisms involved in cellular regulation both in normal and pathological conditions. A laboratory activity is planned that will include the presentation of some issues and applications for the study of oxidative stress in cellular biochemistry
La verifica delle conoscenze avverrà mediante un esame orale che potrà prevedere anche una discussione sull'attività svolta in laboratorio
Lo studente verrà valutato sulla sua capacità di discutere i principali contenuti del corso utilizzando la terminologia appropriata. - Nel corso della prova orale lo studente deve essere in grado di dimostrare la sua conoscenza del materiale didattico evidenziando la capacità discutere con proprietà di linguaggio gli argomenti trattati nel corso. Rilevante rislulterà anche la capacità dello studente di creare eventuali collegamenti fra gli argomenti trattati, che evidenzierà la sua capacità di sviluppare un'ampia visione d'insieme su quella che è la biochimica della cellula.
Methods:
The student will be assessed on his/her demonstrated ability to discuss the main course contents using the appropriate terminology. - During the oral exam the student must be able to demonstrate his/her knowledge of the course material showing a good ability to link and discuss the topics covered in the course. - The student's ability to explain correctly the main topics presented during the course will be assessed.
Al termine del corso lo studente sarà in grado di:
- acquisire conoscenze più approfondite sulla relazione, struttura e funzione delle proteine
- comprendere i meccanismi cellulari legati al folding e conoscere le condizioni patologiche che si realizzano quando questi sistemi non funzionano
-conoscenza più approfondita del metabolismo cellulare
-conoscenza più approfondita ddi condizioni di stress ossidativo
-conoscenza più approfondita del ruolo e dell'azione di alcuni fattori di trascrizione es. Nrf2 e HIF coinvolti nel macceanismo di regolazione cellulare
At the end of the course the student will be able to: acquire deeper knowledge of:
- the relationship between structure and function of proteins
- cellular mechanisms of protein folding and the pathological conditions that arise when these systems do not work
- cellular metabolism
- oxidative stress conditions and role and action of some transcription factors eg. Nrf2 and HIF involved in cellular mechanism regulation
Le capacità acquisite verrano valutate mediante esame orale
The acquired skills will be evaluated by oral examination
Lo studente al termine del corso sarà in grado di
-presentare e discutere i principali processi del metabolismo e della regolazione cellulare sia in ambito fisiologico che patologico
The student at the end of the course will be able to
- to present and discuss the main processes of metabolism and cellular regulation both in physiological and pathological conditions
Durante l'esame orale verrà valutata positivamente la capacità dello studente di correlare diversi argomenti trattati nel corso anche mediante la presentazioni di problematiche sperimentali
During the oral examination , the student's ability to correlate several topics discussed in the course will be positively evaluated also through the presentation of experimental problems.
Buone conoscenze di Biochimica generale
Good knowledge of General Biochemistry.
Cenni di classificazione delle proteine . Concetto di struttura supersecondaria e struttura superterziaria e presentazione dei principali modelli proteici: esempi. Proteine che legano i nucleotidi: il Rossmann fold. I motivi Walker A e Walker B nelle proteine che legano NTP. Nuove tecniche di targeting di macromolecole biologiche. Il protein folding in vivo; enzimi che assistono il folding: la peptidil prolil isomerasi e la proteina disolfuro isomerasi.Introduzione agli chaperone molecolari le Hsp100 e le Hsp70. I cochaperone che ne regolano l'attività. Hsp60 esempio il sistema GroEL/GroES; small heat shock proteins esempio le alfa cristalline; le Hsp90. Ruolo delle heat shock proteins nei diversi stadi della patologia tumorale. Protein misfolding. La struttura beta amiloide: principali caratteristiche. Principali patologia legate al misfolding: serpinopatie; morbo di Alzheimer. La proteina prionica cellulare e principali differenze con la sua forma malata. Cenni sulla digestione di proteine della dieta. Turnover proteico. Il sistema ubiquitina-proteasoma. Attivazione ubiquitina (E1, E2, E3). Struttura e funzione proteasoma: core e cappuccio. Degradazione proteica associata a reticolo endoplasmatico (ERAD). Ubiquitinazione, patogenesi e cancro.
Cenni su ubiquitina e processi proteasoma-indipendenti: attivazione NF-kB e internalizzazione di recettori di membrana. Sistema lisosomiale: autofagia e eterofagia, sistema calpaina/calpastatina. Metabolismo di neurotrasmettitori. Acetilcolina: colina acetiltransferasi e aceticolinesterasi: inibitori (gas nervini). Catecolammine: dopamina, noradrenalina e adrenalina: sintesi e degradazione. Serotonina: sintesi e degradazione. Istamina: sintesi e degradazione.
Generalità su nucleotidi purinici e pirimidinici. Sintesi di PRPP via PRPS. La via di biosintesi "de novo" delle purine. IMP: un importante punto di diramazione. Regolazione della biosintesi "de novo" delle purine. La biosintesi "de novo" delle pirimidine e sua regolazione. Ribonucleotide reduttasi: meccanismo di reazione radicalico. Regolazione. Timidilato sintasi e diidrofolato reduttasi: bersaglio per agenti chemioterapici. Come funziona Fluoro-uracile. Catabolimo di purine e pirimidine. Xantina ossidasi e gotta. Recupero di purine e pirimidine. Sindromi neurologiche legate a errori del metabolismo purinico: cenni. Sindrome di Lesch-Nyhan e SCID. Sintesi di HMGCoA e HMGCoA riduttasi. Sistema di regolazione di HMG-CoA riduttasi: fosforilazione e SREBP. Cenni su acidi biliari e ormoni steroidei. Prostaglandine, trombossani e leucotrieni: cenni di sintesi. Importanza di arachidonato e acidi grassi essenziali. COX e antinfiammatori non steroidei.Membrane: glicerofosfolipidi e sfingolipidi: cenni sulla sintesi. Proteine di membrana. Glicoforina. Proteine prenilate, acilate e con ancora GPI. Fluidità e asimmetria delle membrane. Zattere lipidiche e caveole. La via del fosfoinositide: Gq, PLC, PIP2, IP3, Calcio, PKC.
Lo stress ossidativo: definizione; formazione delle specie reattive dell'ossigeno. Danni ossidativi sulle proteine: rottura del legame peptidico. Modifiche ossidative reversibili ed irreversibili. La perossidazione lipidica. Prodotti della perossidazione lipidica: malondialdeide e idrossinonenale. Reattività dell'idrossinonenale. I principali sistemi di difesa antiossidante. Redox signaling: approfondimento del ruolo delle specie reattive dell'ossigeno, delle specie reattive dell'azoto e del 4-idrossinonenale come secondi messaggeri.
Correlazione fra autofagia, stress ossidativo e mitocondri: la mitofagia. mTOR come molecola coinvolta nel controllo della crescita cellulare e nelle patologie: cancro, obesità, diabete di tipi II e patologie neurodegenerative. HIF1, Hypoxia-Inducible Factor-1: regolazione, geni target, coinvolgimento nelle principali patologie . Il fattore di trascrizione Nrf2: descrizione dei principali meccanismi che ne attivano il segnale; principali geni regolati da Nrf2. Caratteristiche strutturali di Nrf2 e regolazione dell'attività. Ruolo di Nrf2 nella regolazione del metabolismo cellulare. Struttura e regolazione di Nf-Kb. Meccanismi di attivazione e espressione genica regolata da questo fattore di trascrizione.
Metabolismo tumorale. Basi molecolare dell'effetto Warburg. Importanza di PKM2. Metabolismo del NAD: sintesi. Signalling NAD-dipendente: MonoADP ribosilazione, PoliADP ribosilazione, sirtuine, CD38. Approfondimenti di questo aspetto della biochimica cellulare anche tramite la presentazione di recenti review sull'argomento. Particolare attenzione sarà rivolta alla modifica del metabolismo cellulare e dei meccanismi di signaling.
Attività di laboratorio: esposizione di colture cellulari a condizioni di stress ossidativo e presentazione di metodologie per la valutazione della vitalità cellulare e della formazione di condizioni di stress ossidativo a livello intracellulare.
Protein classification . Concept of supersecondary structure and supertertiary structure and presentation of major protein models: examples. Nucleotide-binding proteins: the Rossmann fold. Walker A and Walker B motifs in NTP-binding proteins. New techniques for targeting biological macromolecules. Protein folding in vivo; enzymes that assist folding: peptidyl prolyl isomerase and protein disulfide isomerase.Introduction to molecular chaperones the Hsp100 and Hsp70. The cochaperones that regulate their activity. Hsp60 example the GroEL/GroES system; small heat shock proteins example the alpha crystallins; the Hsp90s. Role of heat shock proteins in different stages of tumor pathology. Protein misfolding. The beta amyloid structure: main features. Main misfolding-related pathologies: serpinopathies; Alzheimer's disease. Cellular prion protein and main differences with its diseased form. Hints on digestion of dietary protein. Protein turnover. The ubiquitin-proteasome system. Ubiquitin activation (E1, E2, E3). Proteasome structure and function: core and cap. Endoplasmic reticulum-associated protein degradation (ERAD). Ubiquitination, pathogenesis and cancer.
Ubiquitin and proteasome-independent processes: NF-kB activation and membrane receptor internalization. Lysosomal system: autophagy and heterophagy, calpain/calpastatin system.
Neurotransmitter metabolism. Acetylcholine: choline acetyltransferase and aceticolinesterase: inhibitors (nerve gases). Catecholamines: dopamine, norepinephrine and adrenaline: synthesis and degradation. Serotonin: synthesis and degradation. Histamine: synthesis and degradation.
Generalities on purine and pyrimidine nucleotides. Synthesis of PRPP via PRPS. The "de novo" purine biosynthesis pathway. IMP: an important branch point. Regulation of "de novo" biosynthesis of purines. "De novo" biosynthesis of pyrimidines and its regulation. Ribonucleotide reductase: radical reaction mechanism. Regulation. Thymidylate synthase and dihydrofolate reductase: targets for chemotherapeutic agents. How Fluoro-uracil works. Catabolism of purines and pyrimidines. Xanthine oxidase and gout. Recovery of purines and pyrimidines. Neurological syndromes related to errors in purine metabolism: hints. Lesch-Nyhan syndrome and SCID. Synthesis of HMGCoA and HMGCoA reductase. Regulatory system of HMG-CoA reductase: phosphorylation and SREBP. Hints on bile acids and steroid hormones. Prostaglandins, thromboxanes and leukotrienes: hints at synthesis. Importance of arachidonate and essential fatty acids. COX and nonsteroidal anti-inflammatory drugs.Membranes: glycerophospholipids and sphingolipids: hints at synthesis. Membrane proteins. Glycophorin. Prenylated, acylated and GPI-anchored proteins. Fluidity and asymmetry of membranes. Lipid rafts and caveolae. The phosphoinositide pathway: Gq, PLC, PIP2, IP3, Calcium, PKC.
Oxidative stress: definition; formation of reactive oxygen species. Oxidative damage on proteins: peptide bond breakage. Reversible and irreversible oxidative changes. Lipid peroxidation. Products of lipid peroxidation: malondialdehyde and hydroxynonenal. Reactivity of hydroxynonenal. Major antioxidant defense systems. Redox signaling: in-depth study of the role of reactive oxygen species, reactive nitrogen species and 4-hydroxynonenal as second messengers.
Correlation between autophagy, oxidative stress and mitochondria: mitophagy. mTOR as a molecule involved in the control of cell growth and diseases: cancer, obesity, type II diabetes and neurodegenerative diseases. HIF1, Hypoxia-Inducible Factor-1: regulation, target genes, involvement in major diseases . The transcription factor Nrf2: description of the main mechanisms that activate its signal; main genes regulated by Nrf2. Structural features of Nrf2 and regulation of activity. Role of Nrf2 in the regulation of cellular metabolism. Structure and regulation of Nf-Kb. Mechanisms of activation and gene expression regulated by this transcription factor.
Cancer metabolism. Molecular basis of the Warburg effect. Importance of PKM2. NAD metabolism: synthesis. NAD-dependent signaling: MonoADP ribosylation, PolyADP ribosylation, sirtuins, CD38. Insights into this aspect of cellular biochemistry also through presentation of recent reviews on this topic. Special attention will be given to the modification observed in cancer cells in terms of cellular metabolism and signaling mechanisms.
Laboratory activity: exposure of cell cultures to oxidative stress conditions and presentation of methodologies for assessment of cell viability and formation of oxidative stress conditions at the intracellular level.
Articoli scientifici su temi specifici quali la struttura delle proteine, e il metabolismo cellulare
Slides relative alle lezioni.
Ulteriore bibliografia sarà indicata
"Biochemistry" Authors Voet, Voet and Pratt "Cells" Autors Lewin, Cassimeris,Lingappa, Plopper Recommended reading includes scientific articles on specific issues such as protein structure, and cellular metabolism Further bibliography will be indicated
E' prevista un'attività di laboratorio al termine del corso. Gli studenti sono invitati a seguire almeno il 70% delle ore di laboratorio.
A lab activity is scheduled at the end of the course. Students are encouraged to attend at least 70 percent of the lab hours.
Esame Orale
Oral Examination
Pagina Moodle del corso alla pagina polo3.elearning.unipi.it
Moodle page at polo3.elearning.unipi.it
Si invitano tutti gli studenti ad iscriversi sulla piattaforma Moodle del corso per essere aggiornati su tutte le informazioni che verranno fornite dal docente in merito al corso.
Commissione d'esame:
Presidente: Prof.ssa Roberta Moschini
Membri: Prof.ssa Antonella Del Corso ; Dott.ssa Gemma Sardelli
Presidente supplente: Dott. Giovanni Signore
Membri supplenti: Prof. Mario Cappiello, Prof. Francesco Balestri, Dott. Francesca Felice
All students are encouraged to register on the course's Moodle platform to be updated on all information that will be provided by the lecturer regarding the course.
Examination Committee:
President: Prof. Roberta Moschini
Members: Prof. Antonella Del Corso ; Dr. Gemma Sardelli
Alternate president: Dr. Giovanni Signore
Alternate members: Prof. Mario Cappiello, Prof. Francesco Balestri, Dr. Francesca Felice
